Feuchtigkeit: Die stille Gefahr für 3D-Druck-Filamente

Feuchtigkeit ist das in einen Körper eingedrungene Wasser oder der in der Atmosphäre vorhandene Wasserdampf. Für Lebewesen ist Wasser überlebenswichtiger als Nahrung, aber für leblose Materialien ist Feuchtigkeit meist eine Problemquelle, da sie Oxidation und Degradation vieler Materialien verursacht. Beim 3D-Druck – speziell bei Filamenten – kann übermäßige Feuchtigkeitskonzentration eine lange Liste von Problemen auslösen, alle mit demselben Ergebnis: ein gescheiterter 3D-Druck.

Die Auswirkungen der Wasseraufnahme führen zu: erhöhter Sprödigkeit, vergrößertem Durchmesser (Probleme bei Bowden-Extrudern), Filamentdegradation, Filamentbruch etc. Auch zu beachten: Feuchtigkeitsbeladene Filamente benötigen höhere Extrusionstemperaturen. Vermeiden Sie, Filamente im Drucker zu lassen, wenn nicht gedruckt wird – sie können im Extruder steckenbleiben, da sie durch Wasseraufnahme anschwellen und im Durchmesser zunehmen.

Die folgende Karte zeigt die durchschnittliche jährliche relative Luftfeuchtigkeit (Prozentuales Verhältnis zwischen tatsächlicher Wasserdampfmenge in der Luft und der für Sättigung bei gleicher Temperatur nötigen Menge), gemittelt über die zwölf Monate. Die relative Feuchtigkeit variiert stark je nach europäischer Region – im Norden des Kontinents am stärksten.

Bild 1: Karte der relativen Luftfeuchtigkeit in Europa. Quelle: NeoGAF

Die HauptFolgen von Feuchtigkeit im Filament sind:

• Filamentdegradation: Hygroskopische Filamente nehmen Wasser stark auf, da Wassermoleküle an die Polymermoleküle binden und starke intermolekulare Bindungen bilden. Diese Bindungen können innere Mikrorisse verursachen, die die Filamentstruktur schwächen.
• Extruder-/Hotend-Verstopfung: Die im Filament konzentrierte Feuchtigkeit verdampft beim Erhitzen im Hotend, erzeugt Hohlräume im Filament und verwandelt es in eine Paste, die den Barrel (Heat Break) oder die Düse verstopft. Sehr häufig bei Nylon-Filamenten mit hoher Feuchtigkeit (> 20 %).
• Minderwertige 3D-Drucke (Festigkeit & Oberfläche): Die Kombination der oben genannten Effekte führt zu Drucken mit Problemen – mechanisch und oberflächlich. Lücken zwischen Schichten (nicht immer mit bloßem Auge sichtbar) durch Wasserverdampfung sind kritische Punkte, an denen Risse bei geringer Krafteinwirkung entstehen. Bei starker Feuchtigkeit verursachen die Hohlräume eine raue, weißliche Oberfläche.

Bild 2: Durch Feuchtigkeit verursachte Probleme. Quelle: PrintDry

Als Folge der 3D-Druck-Evolution gibt es Filamente mit hoher Feuchtigkeitsbeständigkeit, wie PETG oder CPE HG100 – Copolyester, die langen Wasserkontakt ohne Probleme überstehen. Andere Filamente zeigen moderate Beständigkeit (PLA, ABS), wieder andere – besonders Nylone und PVA – sind hochgradig feuchtigkeitsanfällig und erreichen kritische Werte in weniger als einem Tag.

Trockner
PrintDry Vakuum
Behälter Feuchtigkeits
Monitor CPE HG100
Filament

Manche Anwender nutzen herkömmliche Methoden zur Filamenttrocknung und -lagerung, z. B. Trocknen im Haushaltsofen und Lagern in Boxen mit nicht ganz dichtem Verschluss. Diese Maßnahmen sind neben der Gefahr beim Haushaltsofen nicht vollständig wirksam – besonders bei technischen und fortgeschrittenen Materialien. Hier professionelle Empfehlungen zur Feuchtigkeitsbeseitigung und Filamentlagerung:

Filamenttrockner

Die effektivste Methode, Feuchtigkeit aus einem Material zu entfernen, ist ein Filamenttrockner wie der PrintDry Filamenttrockner – ein Gerät, das die intermolekularen Bindungen zwischen Wasser und Polymer durch seine Trocknungstemperatur (35–70 °C) und den natürlichen Luftstrom im Inneren löst, der Feuchtigkeit von der Filamentoberfläche in die Umgebungsluft abführt. Der ideale Feuchtigkeitswert im Filament liegt bei 10–13 %.

Lagerung

Sowohl bei neuer Spule als auch nach dem Trocknen ist richtige Lagerung essenziell, um den minimalen Feuchtigkeitsgehalt zu halten. Bei konventionellen Materialien (PLA, ABS) und kurzen Lagerzeiten (< 2 Monate) reicht der Originalbeutel mit Zip-Verschluss. Bei längeren Lagerzeiten oder technischen/fortgeschrittenen Materialien genügt das nicht. Die ideale Lösung: PrintDry Vakuum-Filamentbehälter mit Vakuumversiegelung. Hochfeste Kunststoffbehälter, in denen jedes Filament sicher vor Feuchtigkeit gelagert wird. Der Clou liegt im Deckel: Ein Vakuumventil ermöglicht mit der mitgelieferten Handpumpe das Absaugen der Luft aus dem Behälter – staub- und feuchtigkeitsfreie Lagerung. So bleibt der Filamentzustand auch nach Monaten seit Öffnung der Originalversiegelung erhalten. Wichtig: Die relative Luftfeuchtigkeit des Lagerorts wirkt sich stark aus – sie sollte so gering wie möglich sein, ohne die Gesundheit zu gefährden (ein guter Wert: über 40 %).

Filament-Lebensdauer

Die Lebensdauer eines Qualitätsfilaments ab Herstellung beträgt 2–3 Jahre, solange es im Originalsiegel und Vakuum bleibt. Nach Öffnung hängt der Erhalt mechanischer und farblicher Eigenschaften von Material und Lagerung ab. PLA oder ABS, richtig gelagert, behalten Eigenschaften über 1 Jahr – bei falscher Lagerung nur ein Zehntel der Zeit. Bei empfindlichen Materialien (Nylone, PVA) kann der vollständige Verlust wenige Tage betragen.

Es ist evident, dass Filamente mit niedrigen Feuchtigkeitswerten (10–13 %) zu halten ein Schlüsselfaktor ist, um Probleme vor, während und nach dem 3D-Druck zu vermeiden.

Für maximale Druckzuverlässigkeit ist es vital, so viele Variablen wie möglich zu kontrollieren – Feuchtigkeit ist eine davon, um maximale Robustheit im Druckprozess zu gewährleisten.