Duisburg, 27.05.2020 – Die Restfeuchte im Filament beim Fused Deposition Modeling (FDM / 3D-Druck) sollte keinesfalls vernachlässigt werden. Das bestätigten jüngst Versuche der Brabender Messtechnik GmbH & CO KG. Es wurden nicht nur optische Mängel, sondern auch unberechenbare Änderungen in den Materialeigenschaften festgestellt.
Die Erkenntnis, dass eine erhöhte Restfeuchte beim Verarbeiten der Polymere eine wesentliche Rolle spielt, ist seit Jahrzehnten im Spritzguss-Sektor bekannt. Diese wird daher üblicherweise in der Produktion durch regelmäßige Messungen kontrolliert und häufig aufgrund von Dokumentationspflichten protokolliert. Die in Duisburg ansässige Brabender Messtechnik GmbH & CO KG produziert Geräte speziell zur Bestimmung der Restfeuchte in Kunststoffen und hat sich konkret dieser 3D-Druck-Thematik angenommen. In Form einer Versuchsreihe mit den gängigen Polymeren PLA und ASA wurde anhand von Restfeuchte- und Zugmessungen nochmals belegt, dass beim FDM der Wassergehalt im Filament ein kritisches Qualitätsthema sein kann.
Viele Filament-Produzenten weisen auf diese Problematik hin und geben entsprechende Hinweise zur Lagerung. Die durchgeführten Messungen zeigen deutlich, dass diese Maßgaben mehr als berechtigt sind. Nicht nur für sensible Produktbereiche ist eine Restfeuchtemessung als Bestandteil des Produktionsprozesses anzuraten. Daher kann eine Restfeuchtebestimmung – auch über sensible Produktbereiche hinaus – grundsätzlich als Bestandteil des Produktionsprozesses empfohlen werden.
Messablauf im Detail
Vorbereitung – Es wurden jeweils zwei Prüfstäbe aus ASA und zwei aus PLA per FDM hergestellt. Jeweils einer der Prüfstäbe aus ASA (Probenname OOTB1ASA) und PLA (Probenname OOTB1PLA) wurde mit einem Filament aus einer neuen, ungeöffneten Packung hergestellt. Die Filamente für die weiteren zwei Prüfstäbe aus ASA (Probenname OOW2ASA) und PLA (Probenname OOW2PLA) wurden mit einer definierten Menge Wasser angereichert. Zuvor wurde die Restfeuchte aller vier Filamente mit einem Brabender Messtechnik AQUATRAC Station bestimmt:
Probe | Restfeuchte in % H2O | Beschreibung |
OOTB1ASA | 0,2339% | ASA aus ungeöffneteter Originalverpackung |
OOTB2ASA | 0,9751% | ASA angereichert mit definierter Wassermenge |
OOTB1PLA | 0,2276% | PLA aus ungeöffneteter Originalverpackung |
OOTB2PLA | 1,0106% | PLA angereichert mit definierter Wassermenge |
Beobachtungen – Schon beim FDM mit den feuchten Filamenten fallen Unterschiede zum trockenen Material auf. Teilweise kann man hören, wie das Wasser im aufgeschmolzenen Filament schlagartig verdampft. Dies führt zu einem leicht aufschäumenden Effekt der im direkten Vergleich, insbesondere bei den ASA-Prüfstäben, mit bloßem Auge sichtbar ist, siehe Bild 2.

Tabelle 2 und Grafik 1: Zugmessung mit Zwick Z020
Messergebnisse – Vergleicht man die beiden Zugversuche der Prüfstäbe aus ASA (rote und grüne Kurve), fällt sofort die deutlich geringere Zugfestigkeit sowie das reduzierte Elastizitätsmodul des feuchten Materials auf. Die Prüfstäbe aus PLA hingegen zeigen nur geringe Veränderungen der Zugfestigkeit und des Elastizitätsmodules. Hier fällt auf, dass die erhöhte Restfeuchte scheinbar als Weichmacher in Erscheinung tritt.