Restfeuchte und 3D-Druck

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.

Aufgrund der Corona Pandemie ist der Ruf nach verkürzten Entwicklungszyklen, Serienproduktion und Prototypenbau besonders laut. Viele auf 3D-Druck setzende Unternehmen, Forschungseinrichtungen und die Maker-Szene folgen diesem Ruf, beteiligen sich auf vielerlei Art und bieten Lösungen. Allerdings steigt im Hinblick auf den medizinischen Apparatebau und viele weitere kritische Anwendungen der Anspruch an die Belastbarkeit der im Fused Deposition Modeling (FDM) Verfahren hergestellten Komponenten.

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.

Auch Maker und Heimanwender sollten sich an die Empfehlungen des jeweiligen Filament-Herstellers halten, um Ausschuss und nicht vorhersehbare Material-Eigenschaften auszuschließen. Ein schlechtes Druckbild, Blasenbildung auf der Oberfläche oder während des Drucks auftretende Geräusche aufgrund von schlagartig verdampfendem Wasser am Druckkopf können im Privatbereich als Indizien für einen zu hohen Wassergehalt genannt werden, auch ohne diesen genau zu kennen. Abhilfe schafft hier, wie auch im industriellen Bereich, eine Vortrocknung des Filaments nach Vorgaben des Herstellers.

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:

ProbeRestfeuchte in % H2OBeschreibung
OOTB1ASA0,2339%ASA aus ungeöffneteter Originalverpackung
OOTB2ASA0,9751%ASA angereichert mit definierter Wassermenge
OOTB1PLA0,2276%PLA aus ungeöffneteter Originalverpackung
OOTB2PLA1,0106%PLA angereichert mit definierter Wassermenge
Tabelle1: Restfeuchtemessung mit AQUATRAC Station

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.

FDM-Messung

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.