3D-Drucker – Professionelles Gehäuse mit Filtersystem bauen

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Filtersystem Hepa + Aktivkohle von Alveo3D

Wer seinen 3D-Drucker in kleinen oder schlecht belüfteten Räumen betreibt, wird bei der Verarbeitung von Materialien wie ABS oder PC einen unangenehmen Geruch, Augenreizungen oder Halskratzen wahrgenommen haben. Mit einem 3D-Drucker-Gehäuse ohne Filtersystem tritt dieser Effekt schlagartig beim Öffnen der Gehäusetür auf. Deshalb haben wir zu dem Thema Filtersysteme für 3D-Drucker-Einhausungen über mehrere Monate recherchiert und uns mit einigen Universitäten, die sich mit der Thematik beschäftigen, in Verbindung gesetzt. Zwar machen sich nur die wenigsten Maker über den Ausstoß von Partikeln und Giftstoffen Gedanken, trivial ist es deshalb aber noch lange nicht. Zunächst einmal muss man sich darüber im Klaren sein, das ein solches System nur dann wirklich effektiv arbeitet, wenn das Gehäuse nahezu 100% dicht ist und die Filter eine entsprechende Klassifizierung aufweisen. 

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Filtergehäuse basierend auf dem Design von Alveo3D

Es gibt bereits einige fertige Filtersysteme wie das ZOTRAX Hepa Cover.  Das System baut jedoch auf einen kleinen 24V-Axiallüfter von FXDS auf und dürfte damit eine zu niedrige Luftförderleistung bieten. Zudem sind der HEPA- und Kohlefilter aufgrund der geringen Klassifizierung nur bedingt dafür geeignet. Wünschenswert wäre hier auch ein Datenblatt mit entsprechenden Vergleichswerten.

Wesentlich besser schneidet das 3D PrintPRO 2 System von BOFA ab. Das System ist darauf ausgelegt, die giftigen Stoffe und Partikel direkt an ihrem Entstehungsort abzusaugen, nämlich an der Druckdüse. Bei einem Luftfluss von 45m³/h dürfte die Leistung aber auch hier sehr gering sein. Zum Vergleich: Der Wert bei einem Menschen (12-15mal pro Minute; 500-700ml) beträgt ca. 28m³/h. Wenn dann noch der Filterwiderstand überwunden werden soll, sind ~50m³/h suboptimal. Das entscheidende bei einem Filtersystem ist vor allem die Effizienz. Der Luftfluss und der Luftdruck sollten dabei passend auf das entsprechende Filtersystem zugeschnitten sein. Die meisten Filtermatten sind für einen höheren Luftstrom nicht ausgelegt bzw. geeignet. Mit einer Filtereffizienz von F7 für den Vorfilter und einer Effizienz von 99,997% @ 0.3 microns dürfte das System hinsichtlich der Absorption aber immerhin zuverlässig arbeiten. 

Eine weitere Alternative ist das Bauen eines eigenen Filters. Der Lüfter sollte dabei 120-150m³/h an Luft fördern können. Zudem sollte der Filter mindestens der Klassifizierung H13 (optimal U15) oder höher entsprechen. Ein guter Einstieg sind die Mundschutzfilter der Firma 3M mit der Klassifizierung ABEK1 P2R (auch A1B1E1K1 P2R, Teilenummer 6092), die in manchen Filtersystemen Verwendung finden. Immer dann, wenn Unklarheit über die Art der emittierten Partikel herrscht, sollte ein Kombi-Filter verwendet werden. Natürlich sollte auch auf Seiten der Gehäusekühlung ein Filter dazwischengeschaltet sein, damit Partikel und giftige Stoffe dort nicht entweichen können.

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Eine fertige und bereits erprobte Filterlösung für den 3D-Druck bietet das junge französische Unternehmen Alveo3D an, das 2018 gegründet worden ist. Ziel ist es, die toxischen Emissionen von 3D-Druckern zu minimieren und das vor allem in schlecht belüfteten Umgebungen. Denn beim 3D-Druck treten können sowohl toxische Gase in Verbindung mit flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) als auch Nanopartikel während dem Schmelzprozess emittiert werden. Welche langfristigen Risiken dabei auftreten können, ist noch nicht ganz bekannt, da es dazu noch viel zu wenig Studien gibt. Man geht jedoch davon aus, dass einige Gase, die von Thermoplasten ausgehen, krebserregend sind. Auch Materialien wie PLA, das unter anderem Maisstärke enthält und aus biologischer Sicht als unbedenklich eingestuft wird, ist aufgrund der Zugabe von Additiven giftig. Eine mindestens genauso große Gefahr geht von Nanopartikeln aus, die je nach Filterklassifizierung mehr oder weniger vom jeweiligen Medium absorbiert werden. Das Risiko, dass durch die Schadstoffemissionen ausgeht, sollte deshalb nicht unterschätzt werden und durch entsprechende Filter zumindest auf ein Minimum reduziert werden.

Obwohl sogar das CNRS die Verwendung von HEPA und Kohlefilter empfiehlt, gibt es nur sehr wenige Anbieter für fertige und bezahlbare Filterlösungen für Privatanwender. Alveo3D gehört zu den wenigen Anbietern, die diverse Filterlösungen mit europäischen und chinesischen Herstellern erprobt hat und sowohl Filter als auch die passenden Gehäuse zum selberdrucken offeriert. Das Unternehmen ist auf dem deutschen Markt bereits vertreten und bietet die Filterboxen sowohl als Bausatz an als auch gebrauchsfertig. Die Filterbox kann mit dem eigenen Gerät gedruckt werden und ist in wenigen Schritten einsatzbereit. Das Unternehmen hat auch hinsichtlich des Lüfters ganze Arbeit geleistet und einen leistungsstarken Hochdrucklüfter auf den Markt gebracht, der für das Filtersystem von Alveo3D ausgelegt ist. Je nach Druckzeit, Drucktemperatur und Filamenttyp kann das Filtersystem bis zu 600 Stunden betrieben werden. Der Grund liegt in der Aktivkohle, die irgendwann die Sättigungsphase erreicht und alle VOCs passieren lässt. Die Filter gibt es als Standalone Variante als mit aufbereiteter Luft und als Befestigungsvariante. Für die Befestigung an Makrolon- oder Plexiglasplatten gibt es vom Hersteller ein sehr schönes Montagevideo. Die Schablone dafür sollte vorher mit einem 3D-Drucker gedruckt werden.

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Die Verarbeitung von anspruchsvollen Kunststoffen setzt eine konstante Temperatur im 3D-Drucker-Gehäuse voraus. Deshalb ist neben der Filterlösung eine Kühlung des Gehäuses unerlässlich. Zudem kommt es bei ungekühlten Gehäusen zu Hitzestau, wodurch die Schrittmotoren Temperaturen von bis zu 80°C erreichen können. Die Hitze wird dann an das Getrieberad weitergeleitet, wodurch Materialien wie PLA, die eine sehr niedrige Glasübergangstemperatur besitzen, weich und können demnach nicht mehr gefördert werden. Das Ergebnis ist ein verstopfter Extruder, der nicht mehr fördert. Für dieses Projekt verwenden wir die NF-F12 industrialPPC-24V-3000 Q100 IP67 PWM von Noctua, die sich sowohl für die Kühl- als auch für die Filtereinheit sehr gut eignen. Hervorzuheben ist hier insbesondere die hervorragende Kühlleistung. Und mit den angegebenen 150000h sind die Lüfter absolute Dauerläufer und somit für den industriellen Einsatz im Bereich des 3D-Drucks mehr als geeignet.

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7 Gedanken zu „3D-Drucker – Professionelles Gehäuse mit Filtersystem bauen“

  1. Respekt!Ein sehr umfangreicher Bericht,der endlich mal alles beinhaltet. Normalerweise muss man sich zu vielen Themen wie Elektronik alles im Internet zusammensuchen. Das Gehäuse fantastisch.Misumi kannte ich bisher nicht. Schade, dass es nur für gewerbliche Kunden ist.Die Haben richtig klasse Komponenten.

    Weiter so!

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  2. Wow, das ist ja mal ein Artikel. Werd mir wohl vor dem Lesen eine Pizza machen müssen.Finde es ebenfalls gut, das sich jemand die Arbeit macht und alle wichtigen Fakten zusammenträgt und zeigt, was mit Aluminium und ein paar gedruckten Teilen alles möglich ist.Ich kannte die Seite hier nicht,finde die Entwicklung in Richtung 3D-Druck super. Immerhin setzen Hersteller wie ASUS bei den ROG Mainboards ebenfalls auf Selfmade Komponenten.3D-Druck sollte daher viel öfters ein Thema sein.Bleibt alle gesund!

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  3. Ich habe fast einen ganzen Tage gebraucht, um den Artikel vollständig durchzulesen.

    Sieht nach einem ganzen Haufen voll Arbeit aus und hat mir bei einigen Ideen weitergeholfen. Leider verkauft Misumi nur an gewerbliche Kunden, schade. Der Elektronik-Teil ist ebenfalls gut gelungen. Weiter so!

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  4. Als Biologe bin ich ziemlich besorgt, wenn ich mir wissenschaftliche Studien zu Emissionen von FDM 3D Druckern anschaue. Unglaublich, dass dazu noch kein Qualitätsstandard eingehalten werden muss. Erinnert mich daran wie vor 100 Jahren die Leute fröhlich Röntgenfilme gedreht haben, weil ihnen die Gefahren nicht bewusst waren. Es sollte klar sein, dass diese Gehäuse kaum die bedenkliche UFP/Feinstaubbelastung reduzieren.

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    • Einen Hochleistungs-Schwebstofffilter, der für den industriellen Zweck ausgelegt sind, wird sich aber auch kaum jemand leisten können, zumindest nicht in Kombination mit einem geschlossenen Belüftungs- und Filtersystem. Es gibt zwar Hersteller, die solide Gehäuse anbieten, aber auch da sind die Filter das billigste Teil am Gerät. Zumal Endverbraucher für private Zwecke kaum an professionelle Filter herankommen.
      Auch ist es so, dass viele Materialien kaum noch Gerüche abgeben, wodurch die Wirksamkeit eines Filters zumindest über die Nase nicht einmal ansatzweise geprüft werden kann.

      Ich habe erst kürzlich eine sehr alte ABS Rolle gedruckt und musste nach 12 Stunden Druckzeit feststellen, dass trotz Filter das Zimmer nach dem Material roch. Die einzige Möglichkeit war nun, das Zimmer mal für 1-2 Stunden zu lüften. Dennoch werden diese giftigen Partikel in der Umgebung freigesetzt und mit der Zeit vom Körper dennoch aufgenommen. Ein Gehäuse mit einem einfachen HEPA Filter und und ausreichendem Lüften des Zimmers ist jedoch ein Anfangt. Ich persönlich merke das von beginn an, dass der Hals beim Drucken stets gereizt ist. Mit Gehäuse ist das aber deutlich besser geworden.

      Aber wir du schon erwähnt hattest, gibt es dafür keine Standards und man weiß nicht wirklich, was die Hersteller da zusammenmischen.

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  5. Guten Tag,

    ich interessiere mich total für das 3D-Drucker Gehäuse aus den Misumi Profilen. Meine Frage ist, ob es für dieses Projekt so wie es ist eine 3D-Konstruktion gibt?
    Wäre wirklich toll und falls ja, dürfte ich die haben?

    Vielen Dank schon mal 🙂

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  6. Hallo Dennis,

    zum Projekt gab es mal Handskizzen, die von mir erstellt worden sind. Diese habe ich aber leider nicht mehr, da das Projekt eher als Anregung gedacht war.

    Wenn man sich jedoch an die Einkaufsliste für die Profillängen hält, ist es anhand der Bilder absolut kein Problem, die Profile zusammenzuschrauben. In der Einkaufsliste sind auch Kommentare hinterlegt. An den Stellen, wo die Türen eingesetzt werden, kommen z.B. Innenliegende Winkelverbinder zum Einsatz, da durch den Einsatz der Eckverbinder die Türen nicht geschlossen werden können.

    Die STLs zu den Griffen, etc. kann ich aber gerne zum Download zur Verfügung stellen, wenn es soweit sein sollte.

    Weitere Fragen sind gerne willkommen.

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