Im 3D-Druck bieten sich immer mehr Einsatzmöglichkeiten, vor allem dank der wachsender Anzahl an Filamentsorten. Neben Standard-Filamenten wie PLA, PETG und ABS gibt es auch Materialien für industrielle Anwendungen wie TPE, Polycarbonat, PEEK und Ultem PEI. Einige Filamente beinhalten außerdem Metallpartikel oder Kohlefasern, die die Standard-Druckdüsen aus Messing stark beanspruchen. Das spiegelt sich auch im Druckbild wieder. Zwar gibt es für jeden Einsatzbereich unterschiedliche Druckdüsenmaterialien, aber das erfordert einen Mehraufwand, da die Druckdüse für die entsprechenden Materialien getauscht werden muss. Das ist aber nur ein Teil der Wahrheit, denn auch der Druckdüsendurchmesser spielt bei der Verarbeitung bestimmter Materialien eine wesentliche Rolle. Kunststoffe wie z.B. Carbon-basiertes Polycarbonat sollten deshalb nur mit einer Druckdüse verarbeitet werden, die größer als 0.4mm ist. Zudem sollte eine Schichthöhe von 60% des Düsendurchmessers nicht über- oder unterschritten werden. Bei einer 0.4mm Druckdüse entspricht das einer Schichthöhe von 0.25mm. Wer Kohlefaserbasierte Materialien mit einer Schichthöhe unter 0.25mm verarbeitet, der muss mit einem deutlichen Gegendruck am Hotend rechnen. Das führt zu einer unzureichenden Zufuhr des Materials. Die Folge kann eine eingefressene Kerbe im Filament durch das Antriebsrad sein.

Slice Engineering Vanadium Nozzle

Slice Engineering hat neben dem qualitativ hochwertigen Mosquito Hotend, den wir bereits ausführlich getestet haben, eine Vanadium Druckdüse im Programm, die für jeden nur erdenklichen Einsatz im 3D-Druck entwickelt worden ist. Mit einer Mindesthärte von 64 Rockwell C (Vickers HV 910) ist die Druckdüse praktisch unzerstörbar. Zusätzlich wirkt eine spezielle Beschichtung der Ansammlung von Filament auf der Düse entgegen. Die Druckdüse gibt es mit den Druckdüsendurchmessern 0.2, 0.4, 0.6 und 0.8mm.

Im 3D-Druckbereich wird üblicherweise die 0.4mm Druckdüse verwendet. Das Wechseln der Druckdüse ist je nach Hotend-Ausführung schnell erledigt und wirkt sich je nach Druckdüsendurchmesser sowohl auf die Qualität des Druckbilds als auch auf die Druckgeschwindigkeit aus. Ein kleiner Druckdüsendurchmesser eignet sich hervorragend für detaillierte 3D-Objekte, nimmt gleichzeitig aber auch mehr Druckzeit in Anspruch. Mit einem größeren Düsendurchmesser lässt sich wesentlich schneller drucken, auch wenn sich das auf die Qualität des 3D-Objekts auswirken kann.

Schichthöhe und Wandstärke

Beim FDM/FFF 3D-Druckverfahren werden die Objekte Schicht für Schicht aufgebaut. Die Auflösung ist dabei unter anderem von der Dicke jeder Schicht abhängig. Mit einer geringeren Schichthöhe können glattere Oberflächen und detailliertere Modell erzielt werden. Die steigende Anzahl an Schichten wirkt sich aber nicht nur auf die Druckzeit aus, sondern auch auf die Stabilität des Modells. Denn je geringer die Schichthöhe, desto mehr Schichten müssen gedruckt werden. Dadurch steigt aber die Fehlerquote.

Die eingestellte Schichthöhe sollte unabhängig von der verwendeten Drückdüse 80% des Düsendurchmesser nicht überschreiten. Bei einer Druckdüse mit 0.4mm im Durchmesser beträgt die maximale Schichthöhe 0.32mm. Üblicherweise wird hier eine Schichthöhe von 0.25mm gewählt. Bei einer Druckdüse mit 0.6mm verkürzt sich die Druckzeit bereits um 1/3 bei einer Schichthöhe von 0.4mm.

Ein Druckdüsenwechsel ist mit einem Mosquito-Hotend in wenigen Sekunden erledigt. Dennoch sollte sich jeder Anwender darüber im Klaren sein, dass sich der Druckdüsendurchmesser auf viele Parameter auswirkt und der 3D-Druck unter Umständen nicht gelingt. Nehmen wir an, dass für weniger stark beanspruchte Objekte eine 0.4mm Druckdüse mit einer Schichthöhe von 0.25mm verwendet wird. Die Wandstärke beträgt bei 2 Perimetern 0.8mm. Mit einer 0.8mm Druckdüse kann ebenfalls eine Schichthöhe von 0.25mm gewählt werden. Aufgrund des Durchmessers ergibt sich jedoch für 2 Perimeter eine Wandstärke von 1,6mm. Demnach würde für eine 0.8mm Düse auch 1 Perimeter völlig ausreichen, um eine Wandstärke von 0.8mm zu erhalten. 

Mit einer 0.8mm Druckdüse kann die Druckgeschwindigkeit im Vergleich zu einer 0.4mm Düse verdoppelt werden. Für Anwendungen, bei denen Toleranzabweichungen ein Problem darstellen, eignet sich eine größere Düse aber nur bedingt. Viele 3D-Modelle besitzen Durchgangsbohrungen. Nehmen wir an, dass die Wandstärke zwischen Außenkante und Durchgangsbohrung exakt 0,4mm beträgt. Dann kann die Zwischenwand mit einer 0.6mm Düse zwar immer noch gedruckt werden, die Durchgangsbohrung würde sich jedoch hinsichtlich des Durchmessers verkleinern, da die Konturen aufgrund des Druckdüsendurchmessers breiter sind als die Wand selbst. Zwar haben viele Hersteller dafür einen Slicer-Parameter für dünne Wände vorgesehen, dieser funktioniert jedoch nicht immer. In den meisten Fällen werden die Wände dann lückenhaft gedruckt. Für große 3D-Objekte, bei denen es nicht auf Toleranzabweichungen ankommt, ist der Einsatz von größeren Druckdüsen unproblematisch.

Untenstehendes Bild zeigt eine Aufbewahrungsbox, die mit eine Profil für 0.8-mm-Druckdüsen gesliced wurde. Die Wandstärke beträgt weniger als 0.6mm. Obwohl die Funktion „Dünne Wände erkennen“ aktiviert ist, kommt es bei den Schubladenhaltern zu Unterbrechungen, da die Wand hier einfach zu dünn ist, um mit 0.8mm gedruckt werden zu können.

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Die Anwendungsmöglichkeiten von 3D-Druck könnten unterschiedlicher nicht sein. Von kleinen Alltagsgegeständen bis hin zu technisch anspruchsvollen Anwendungen ist alles möglich. Mit dem Polymerblend PC+PBT und dem TPS hat die Herz GmbH zwei Filamente im Programm, mit denen sich völlig neue Einsatzmöglichkeiten ergeben. Während sich das PC+PBT insbesondere für schlagfeste Bauteile und Gehäuse eignet, können mit dem TPS Dichtungsringe für Maschinen oder Griffgummis verarbeitet werden. Aber auch das Standard-Filament ABS hat einiges zu bieten und deckt ein breites Anwendungsspektrum ab.

PC+PBT Filament

Überblick

Polycarbonat als Blend (PC+PBT) wird auch als Polymerblend bezeichnet. Es vereint die Vorzüge des amorphen Polycarbonat (PC) und des teilkristallinen Polybuthylenterephthalat (PBT). Das Filament aus dem Hause Herz GmbH besitzt eine sehr hohe Schlagfestigkeit und zwar sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Temperaturen. Beachtlich ist aber auch die Chemikalienbeständigkeit gegenüber Lösemittel, Schmierstoffen und Reinigungsmitteln. Zudem lässt es sich ausgezeichnet lackieren und nimmt dabei nur geringe Mengen an Feuchtigkeit auf. Ein weiterer Vorteil des Polycarbonat als Blend ist, dass es weniger anfällig gegenüber Spannungsrissen ist, was bei PC-Filament oftmals nicht einfach zu handhaben ist. Je nach Materialzusammensetzung bietet es außerdem eine ausgezeichnete Steifigkeit mit einem hohen Zugmodul.

Verpackung

Das PC+PBT-Filament wird in einer sehr schlichten Verpackung aus Karton ausgeliefert. Die Filamentrolle selbst befindet sich in einer dünnen nicht widerverschließbaren Folie ohne Silica-Gel. Das ist aber auch nicht weiter tragisch, solange keine Feuchtigkeit durch die Verpackung in das Material gelangt. Die Spule ist akkurat gewickelt und das Material weist sehr geringe Durchmesserabweichungen auf.

Vorbereitung

Polycarbonat ist hygroskopisch und nimmt daher relativ viel Feuchtigkeit aus der Luft auf. Eine Lagerung des Materials an einem kühlen und trockenen Ort ist daher unerlässlich. Als Blend ist es jedoch weniger anfällig gegenüber Feuchtigkeit und darüber hinaus auch noch einfacher zu verarbeiten. Durch den Polycarbonat-Anteil neigt das Filament zu Warping, weshalb Druckgeschwindigkeiten größer 60mm/s nicht zu empfehlen sind. Darüber hinaus sollte eine flexible Druckbettauflage wie die von BuildTak verwendet werden oder bei einer PEI-Beschichtung zusätzlich ein Klebestift. Bei Verwendung eines 3D-Drucker-Gehäuses sollte das fertig gedruckte Objekt für mindestens 1 Stunde nicht aus der Einhausung entfernt werden, um dem Material genügend Zeit zum Abkühlen zu geben. Das PC-PBT kann aber auch durch einen Nachbearbeitungsprozess in einem Ofen tempern. Durch diesen Vorgang können die mechanischen Eigenschaften verbessert werden. Gleichzeitig werden durch den Prozess Spannungsrisse im Bauteil vermieden. Mit einer konstanten Ofentemperatur von 90-100°C werden die besten Ergebnisse erzielt.

Druckbarkeit

Das PC+PBT lässt sich mit den entsprechenden Druckparametern im Grunde sehr einfach verarbeiten. Die erste Schicht ist dabei essentiell für ein sehr gutes Druckergebnis. Deshalb sollte die Druckdüse so nah wie möglich am Druckbett gefahren werden und eine Druckgeschwindigkeit unter 40mm/s gewählt werden. Mit einem ausgeschalteten Lüfter werden außerdem Warping und Spannungsrisse infolge zu hoher Temperaturunterschiede zwischen Druckdüse, Druckbett und dem Material vermieden. Unter bestimmten Umständen kann der Lüfter aber auch mit einer Geschwindigkeit von 7-9% ab der 3 Schicht hinzugeschaltet werden, um beispielsweise Überhänge besser drucken zu können. Mit Polycarbonat gedruckte Support-Strukturen sollten vermieden werden, da sich diese insbesondere nach dem Abkühlvorgang nur sehr schwer lösen lassen. Der Abstand zwischen Objekt und Supportmaterial kann jedoch auf 0.2-0.3mm angehoben werden, um das Material anschließend leichter entfernen zu können.

Die optimale Druckbetttemperatur für PC-Filament liegt je nach Größe des 3D-Objekts bei 110 ± 10°C. Die Druckdüsentemperatur beträgt üblicherweise 250 ± 10°C, wobei diese auf bis zu 280°C angehoben werden kann, abhängig von den Druckereigenschaften und den Umgebungsgegebenheiten. Da es sich hierbei um kein abrasives Material handelt, kann es mit einer Standard-Messing-Druckdüse verarbeitet werden. Die besten Ergebnisse konnten wir in einer Einhausung mit einer Drucktemperatur von 250°C/115°C und ausgeschaltetem Bauteillüfter erzielen. Der Druck erfolgte zunächst auf einem PEI Sheet mit Dimafix als Haftmittel und anschließend auf einer Borosilikat-Glasplatte mit dem VisionMiner Nano Polymer Adhesive. Die Haftung auf dem PEI-Material ist zwar ausgezeichnet, infolge des Warpings kann es sich aber auch von der Flexplatte lösen. Auch auf Pulverbeschichteten Flexplatten kann PC-Filament verarbeitet werden. Zusätzliches Haftmittel sollte in diesem Fall aber nur für PC-Filament verwendet werden. Für alle anderen Materialien auf Pulverbeschichteten Flexplatten gilt: Kein zusätzliches Haftmittel verwenden.

Um das PC-Filament erfolgreich drucken zu können, sollte für kleine Objekte zusätzlich ein Rand (Brim) von 5-15mm verwendet werden. Für größere Objekte wird eine Umrandung (Skirt) empfohlen, um es vor möglichen Luftzirkulationen zu schützen. Grundsätzlich ist PC-Filament jedoch nicht für größere Objekte geeignet, die sich über das gesamte Heizbett erstrecken. Das ist natürlich auch von der Form des Objekts abhängig. Kreisförmige Objekte sind einfacher zu drucken als Objekte mit scharfen Kanten und Winkeln. Für Objekte wie Gehäuseformen mit Ecken können sogenannte Mäuseohren verwendet werden, die es unter anderem auf Thingiverse.com gibt. Das Warping wird aber auch von der Füllung (Infill) und den Konturen (Perimeters) beeinflusst. Weniger ist manchmal mehr und muss sich keinesfalls auf die Stabilität des Objekts auswirken.

Drucktipps-Zusammenfassung für PC-PBT

• Objekt möglichst mittig auf der Druckbett verarbeiten
• scharfe Ecken und Kanten vermeiden; Ansonsten Mäuseohren verwenden
• Umgebungstemperatur konstant halten; Luftzug vermeiden
• Konturen und Füllung möglichst gering halen
• Einhausung verwenden
• Umrandung (Skirt) verwenden, die genauso hoch ist wie das Objekt selbst
• Rand (Brim) verwenden (mindestens 5mm)
• große Objekte vermeiden
• Druckbetttemperatur erhöhen (110 ± 10°C)
• Überhänge ohne Hinzuschalten des Bauteillüfters bei entsprechender Düsentemperatur möglich

Typische Anwendungen

Das Material eignet sich aufgrund seiner Eigenschaften hervorragend, um beispielsweise Komponenten im Bereich der Automobilindustrie zu drucken wie Stecker und Gehäuse, die unter anderem auch mit Chemikalien in Berührung kommen können. Aber auch Türgriffe sind aufgrund der hohen Zähigkeit und guten Lackierbarkeit möglich. Das Material eignet sich außerdem für 3D-Druckerbauteile, die hohen Temperaturen und/oder hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind wie Lüfterhaube, Netzteilgehäuse, Linearlager, Scharniere und vieles mehr.

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