Ein beheizter Bauraum reduziert Verzug beim 3D-Drucken (FDM-Verfahren)

Immer mehr Materialsorten werden von Filamentherstellern angeboten. Nicht immer lassen sich diese dann problemlos verarbeiten. Bei der Verarbeitung von ABS-Material ist eine beheizte Druckplatte mittlerweile Standard und fast alle Druckerhersteller rüsten ihre Drucker damit aus. Kleinere ABS-Bauteile können damit relativ verzugsfrei hergestellt werden, allerdings reicht das beheizte Druckbett bei größeren und vor allem flächigen Objekten meist nicht mehr aus. Trotz geringer Layerhöhe und optimalen Parametern stellt sich oft schon während des Druckes ein deutlicher Verzug ein.

Aber was ist eigentlich Verzug?
Verzug beim Drucken nach dem FDM-Verfahren entsteht durch unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten der einzelnen Schichten während des Druckes. Hierbei spielt die Schrumpfung des Kunststoffs während des Abkühlvorgangs eine zentrale Rolle. Schrumpfung wiederum bedeutet bei Kunststoffen die Bewegung orientierter Makromoleküle in einen energetisch günstigeren Zustand, wobei das Volumen konstant bleibt. Die Bauteilabmessungen und die Gestalt ändern sich dabei. Als Faustregel kann gesagt werden: Je größer die Temperaturdifferenz der einzelnen Schichten, desto größer der Verzug. Das Ganze ist zudem sehr materialabhängig, weshalb dieser Effekt je nach Material unterschiedlich stark ausgeprägt sein kann. Ein PLA-Bauteil lässt sich auch bei größeren Abmessungen mit einer beheizten Druckplatte in der Regel problemlos drucken. Im Vergleich dazu stellt sich bereits bei einem kleinen Druckobjekt aus Polycarbonat schnell Verzug ein.

Was sind generelle Einflussfaktoren auf den Verzug beim 3D-Drucken?
Die Firma F&B rapid production (www.rapidproduction.org) hat hierzu mit dem fib Forschungsinstitut der bbw Hochschule in Berlin (www.bbw-hochschule.de) umfangreiche Untersuchungen durchgeführt.

Zunächst muss eine optimale Haftung zwischen dem Bauteil und dem Druckbett vorhanden sein. In Foren sind hierzu immer wieder unterschiedliche Ansätze zu lesen und diese erstrecken sich von Klassikern wie Kapton Tape, Blue Tape usw. bis hin zu Zuckerwasser oder Haarspray. Hier muss der Anwender selbst entscheiden, ob und welche Variante für ihn am besten ist.

Eine merkliche Verringerung des Verzugs lässt sich über einen geringen Infill (Füllung) erreichen. Dies kann allerdings schnell im Widerspruch zu den mechanischen Anforderungen an das Teil stehen. Weiterhin können konstruktive Änderungen der Gestalt den Verzug verringern, wie z. B. das Abrunden von Ecken oder auch das gezielte Verstärkern von Bereichen. Die Optimierung der Parameter „extrusion width“, „extrusion multiplier“, „raft layers“ kann sich ebenfalls positiv auf das Druckergebnis auswirken.

Den größten Einfluss auf den Verzug, so Prof. Dr.-Ing. Rene Brunotte (Leiter des fib Forschungsinstitutes), hat allerdings die Temperierung des Bauraums. Die eingangs erwähnten Temperaturunterschiede können hier drastisch minimiert werden. Der in den Tests von F&B rapid production genutzte Drucker kann Temperaturen im Bauraum von bis zu 130°C erzeugen. Selbst schwer zu verarbeitendes Material wie PC ließ sich nahezu problemlos drucken. Allerdings kann nicht jeder Drucker auf einen beheizten Bauraum umgerüstet werden. So gibt es ein viel zitiertes Patent von der Firma Stratasys zum beheizten Bauraum. Der Drucker MetalBro von F&B rapid production bietet allerdings durch seine Grundkonstruktion – wie z. B. dass nur Metallbauteile verbaut wurden und wassergekühlte Hot-Ends sowie wassergekühlte Schrittmotoren eingesetzt werden – beste Voraussetzungen für den Anwender, den Bauraum zu beheizen. Das Kühlen der Schrittmotoren ist dabei ein zentraler Punkt, da die Schrittmotoren meist nur auf Umgebungstemperaturen von weniger als 50°C ausgelegt sind. Eine passende Heizquelle kann bereits für unter 100€ erworben werden und ist optimal für den Druckraum des MetalBro ausgelegt. Die Qualität der gedruckten Teile und vor allem die höhere Präzision sind klare Argumente für den Einsatz eines beheizten Bauraumes. Derzeit laufen bei der Firma F&B rapid production vielversprechende Untersuchungen zur Verarbeitung von PEEK, was neue Möglichkeiten in der Verarbeitung von Hochleistungskunststoffen bietet. Die Filamenthersteller legen mit den angebotenen Materialien vor und es liegt an den Druckerherstellern mit ihren Innovationen auch die bestmögliche Verarbeitung zu gestatten.