Feuchtes 3D-Druck Filament im Handumdrehen erkennen
3D-Druck ist und bleibt ein Megatrend. Eines der beliebtesten Filamente ist PLA, da es sehr einfach zu verarbeiten ist. Doch dieses Filament ist sehr hydrophil, d.h. es nimmt leicht Feuchtigkeit auf, wird es nicht trocken gelagert. Ähnliches gilt für die Alternativen ABS und PA. In allen Fällen kann es dadurch zu unerwünschten Effekten im 3D-Druck führen.
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3D-Druck ist massiv im Kommen. Die Gestaltungsmöglichkeiten scheinen unendlich, auch durch eine große Vielzahl an verschiedenen Materialien, die zum Einsatz kommen. ABS und allen voran PLA sind dabei die am meisten verwendeten Kunststofffilamente.
In diesem Beitrag lernen Sie:
- Die Unterschiede von PLA und ABS und wie sie sich im 3D-Druck bemerkbar machen
- Welche Methode für die schnelle Überprüfung von Filament auf Feuchtigkeit geeignet ist und welche Einschränkungen sie mit sich bringt
- Sie lernen, wie gut sich diese Methode für PLA und für ABS eignet
- Wir beantworten die Frage, warum sich bei schwarzem PA Filament die Feuchtigkeit nicht messen lässt … und bei weißem PA Filament sehr wohl
- Sie erhalten weiterführende Leseempfehlungen rund um das Thema PLA, PA & ABS Filamente und wie sie Filamente trocken lagern können
- Und einige Tipps zum praktischen Umgang beim Messen von Filamenten
PLA vs. ABS – Die Unterschiede
Bei Polylactid, kurz PLA (vom englischen Wort „polylactic acid“), handelt es sich um einen biologisch abbaubaren Kunststoff (Biopolymer), welcher aus nachwachsenden Rohstoffen – wie Maisstärke oder Zuckerrohr – hergestellt wird. Chemisch gesehen gehört PLA der Gruppe der Polyester.
Bei Acrylnitril-Butadien-Styrol, kurz ABS genannt, handelt es sich um einen amorphen Thermoplast, das sich durch hohe Festigkeitswerte, gute Medienbeständigkeit, hohe Härte und gute Kratzfestigkeit auszeichnet.
Dieser Übersichtsartikel vergleicht diese beiden am meisten genutzten Filamente. Was jedoch fehlt ist der Vergleich der Wasseraufnahme. Durch die starke Hydrophilie („wasserliebend“) von PLA sehen sich jedoch viele Nutzer mit einem sehr ärgerlichen Phänomen konfrontiert. Wird das PLA Filament nicht ordnungsgemäß trocken gelagert zieht es Wasser. Beim Druck ergeben sich dadurch Bläschen, die das ganze Bauteil unbrauchbar machen können.
PA Filament für den 3D Druck: Fest, steif und schlagzäh
Für den anspruchsvolleren Anwender reichen die Fähigkeiten von PLA und ABS schnell nicht mehr aus. Ein anderes Filament muss her: PA ist hier oftmals die richtige Wahl, zeichnet sich PA doch aus durch
- Sehr hohe Festigkeit, Steifheit und Schlagzähigkeit
- Hohe Abrieb- und Verschleißfestigkeit aufgrund guter Gleiteigenschaft
- Beständig gegen Kohlenwasserstoffe, aber auch gegen Alkohole, Fette, Ester und Ketone.
- Sehr kältestabil, d.h. einen Einsatzbereich: -70 °C bis über 100 °C
Darum eignet sich PA für den Einsatz bei hoch belasteten Bauteilen wie z.B. Zahnräder, Scharniere, Laufrollen oder Lagerbuchsen.
Wie Filamente schnell auf Feuchtigkeit prüfen?
PA ist jedoch genau so heikel wie PLA und ABS, wenn es nicht richtig gelagert wird. Die offene Lagerung lässt PA so viel Feuchtigkeit ziehen, dass es für die weitere Verarbeitung im 3D Druck ungeeignet sein kann.
In allen 3 Fällen stellt sich damit die gleiche Frage:
PA, PLA & ABS: Wie kann bereits vor dem Druck das Filament auf Feuchtigkeit geprüft werden?
Nahinfrarotspektroskopie (NIR) bietet die Möglichkeit binnen Sekunden „feuchte“ von „trockenen“ Proben zu unterscheiden. Dazu verwendet man passende Datenbanken mit den entsprechenden Referenzen.
NIR ist ein optisches und vor allem sehr schnelles Verfahren. Bisher ist die Technik vor allem in großen, teuren und komplexen Laborgeräten verbaut – und damit definitiv nicht für den Schnelltest in der Produktion direkt am 3D Drucker geeignet.
Der Solid Scanner ist ein miniaturisierter NIR Scanner mit einer Ein-Knopf-Bedienung und einer Benutzeroberfläche, die sich aufs Wesentliche konzentriert. Der Scanner misst dabei die Reflexion des ausgesandten Lichtes, wobei bei ca. 1.400 nm Wasser angezeigt wird. „Trockene“ und „feuchte“ Proben desselben Filaments unterscheiden sich damit nur an dieser Wellenlänge. Der Solid Scanner stellt dafür die Differenzdarstellung bereit, in der relativen Unterschiede zwischen den Proben dargestellt werden. Neue Proben sind damit schnell zuzuordnen.
Für die nachfolgenden Messreihen gilt jeweils:
- Feuchtes Filament = über mehrere Tage offen gelagert
- Trockenes Filament = 3h bei 80°C im Ofen getrocknet
Wie mit NIR feuchtes Filament erkennen, am Beispiel PLA und ABS?
Das NIR Signal zeigt in den Rohspektren der beiden PLA-Proben einen klaren Unterschied im Bereich 1.400 nm.
Durch die hydrophilen Materialeigenschaften unterscheidet sich trockenes und feuchtes PLA Filament in den NIR Spektren sehr klar.
ABS ist deutlich weniger hydrophil. Daraus resultiert ein kleinerer Unterschied im NIR Signal. Der kleinere Effekt bei ABS führt dazu, dass bei PLA wesentlich geringere Feuchtigkeitsunterschiede sicher bestimmt werden können. NIR eignet sich damit weniger bei ABS, um auf diese Weise feuchtes von trockenem Filament zu unterscheiden.
Wie mit NIR feuchtes Filament erkennen, am Beispiel von schwarzem PA und PA natur?
NIR ist bekannt dafür, dass es schwarze Kunststoffe nicht erkennen/messen kann. Vereinfacht gesagt wird das ganze NIR Signal im Bereich von 900 nm bis 1.700 nm absorbiert; am Spektrometer kommt nicht mehr als ein Signalrauschen an.
Dennoch wurden wir immer wieder mit der Frage konfrontiert, ob man in schwarzem PA nicht zumindest Unterschiede in der Feuchtigkeit sehen könnte, schließlich sieht man am Beispiel PLA, dass das „Feuchtesignal“ sehr dominant ist. Die NIR Spektren von schwarzem PLA und weißem PLA sehen wie folgt aus:
Ein typisches NIR Signal bei schwarzen Kunststoffen (unten): sehr hohe Absorption und ein „verrauschtes“ Messignal ohne relevante Peaks. Im direkten Vergleich dazu die NIR Spektren von weißem PA.
Das verrauschte Signal bei schwarzem PA führt zu keinen wesentlichen Differenzen, auch nicht bei 1.400 nm trotz der vorhandenen Unterschiede in der Feuchtigkeit. Bei PA natur sieht das NIR Signal grundsätzlich anders aus:
Ein typisches, gutes NIR Signal: PA natur ist wesentlich besser für NIR geeignet.
Die obige Grafik zeigt die NIR Signale, nachdem das Filament die angegebenen Tage offen gelagert wurde. Zwischen Tag 3 und Tag 9 zeigt sich ein deutlicher Sprung. Es zeigt sich, dass das Filament offenbar einige Tage lang ohne Qualitätsverlust offen gelagert werden kann.
Unsere Softwaresuite bietet dafür Machine Learning Verfahren, um in diesen Daten nach Mustern zu suchen. Diese Spektren lassen sich gut trennen:
Mit Machine Learning Methoden lassen sie die Spektren klar in zwei Gruppen trennen.
Trockenes und feuchtes 3D Druck Filament aus PA natur lässt sich – wie erwartet – sehr gut mit NIR unterscheiden. Basierend auf diesen Daten lassen sich damit konkrete Anwendungen erzeugen:
Im linken Beispiel wurden alle Messungen als einzelne Gruppen eingelernt, im rechten Beispiel wurden Messungen sinnvoll zusammengefasst.
Im linken Beispiel daher wird die Übereinstimmung mit „(Feuchtigkeit an) Tag 20“ ausgegeben. Die neue Messung ist also der Referenzmessung von Tag 20 am ähnlichsten. Im rechten Beispiel wird den zusammengefassten Gruppen entsprechend nur noch die Info „Feucht“ oder „Trocken“ ausgegeben. Eine pragmatische Entscheidung für den täglichen operativen Betrieb.
Operativer Einsatz von NIR am 3D Drucker
Das Bestimmen der Feuchtigkeit eines Filaments mit dem Solid Scanner geht schnell und einfach von der Hand.
Tipps für den täglichen operativen Gebrauch
- Der Solid Scanner eignet sich aufgrund seiner kompakten Größe und einfachen Bedienung für den Einsatz direkt am 3D Drucker durch den Laien.
- Für die Bestimmung der Feuchtigkeit wird das Filament direkt auf den Scanner gelegt. Bei den gezeigten Beispielen handeltes es sich jeweils um ca. 1mm dickes Filament.
- Für Ihre eigene Anwendung empfiehlt sich das Einlernen Ihrer Proben. Das geht schnell und einfach von der Hand und ist somit passgenau für Ihre Fragestellung. Dabei sollten Sie grundsätzlich wissen, ab wann Ihr Filament für Ihren Anwendungsfall „zu feucht“ bzw. „trocken genug“ ist. Diese beiden Gruppen werden dann als Referenzen hinterlegt. Beim Prüfen eines neuen Filaments wird dann das Ergebnis mit diesen beiden Referenzen verglichen.
Empfehlungen
- NIR eignet sich für die Erkennung von Feuchtigkeit im Filament bei PLA besser als bei ABS
- NIR eignet sich nicht für rußgefärbte, d.h. schwarze, Filamente
Verwendete Hard- und Software
Weiterführende Links
- 3D Druck.com: ABS oder PLA? Das sind die Unterschiede
- TechStage: Überblick über die gängigsten Filamente und ihre Einsatzmöglichkeiten
- rewex GmbH: Anbieter diverser Filamente, unter anderem PA, ABS & PLA Filamente
- Fiberthree: Spezialisierter Anbieter von PA Filamenten und Trockenboxen
- Ähnlicher Artikel: Wasseraufnahme von PA Halbzeugen