Warping

Das Phänomen des "Warping" ist eines der häufigsten Probleme beim 3D-Druck, insbesondere bei der Arbeit mit Thermoplasten, die während der Abkühlphase des Materials zum Schrumpfen neigen. Der Begriff "Verziehen" bezieht sich auf die Verformung oder das Abheben der Kanten des Modells von der Druckebene, was zu einem Verlust der Haftung und manchmal zu einer völligen Beeinträchtigung des Teils führt. Zu verstehen, was Verziehen ist, warum es auftritt und wie man es verhindern kann, ist wichtig, um qualitativ hochwertige Drucke zu erzielen und Zeit- und Materialverschwendung zu vermeiden. Im folgenden Text werden wir all diese Aspekte im Detail betrachten und theoretische und praktische Erklärungen geben, wie dieses Problem am besten zu lösen ist.

Was ist Warping?

Der Begriff "Warping" bezieht sich auf eine physikalische Verformung des Teils während des Drucks. Insbesondere die äußersten Schichten des Modells (vor allem diejenigen, die mit dem Drucktisch in Berührung kommen) neigen dazu, sich nach oben zu heben. In einigen Fällen kann sich dieses Anheben durch minimale, kaum sichtbare Krümmungen bemerkbar machen; in anderen Fällen, insbesondere wenn keine vorbeugenden Maßnahmen ergriffen werden, kann die Verformung so stark werden, dass sich die gesamte Ecke oder Seite des Teils von der Druckebene löst, was zu ästhetischen Mängeln führt und im schlimmsten Fall die Funktionalität des gedruckten Modells beeinträchtigt, mit der Möglichkeit, auch die Düse durch mögliche Kollisionen mit dem Bauteil zu beschädigen.

Die Verformung ist ein Phänomen, das vor allem von den Temperaturschwankungen und der Abkühlgeschwindigkeit des extrudierten Materials abhängt. Beim 3D-Druckverfahren FDM (Fused Deposition Modeling) wird das Filament erhitzt, bis es flüssig wird, und dann Schicht für Schicht aufgetragen. Wenn das Material abkühlt, neigt es dazu, zu schrumpfen und sich zusammenzuziehen. Wenn diese Schrumpfung nicht gleichmäßig erfolgt, treten im verfestigten Teil innere Spannungen auf, die dazu führen können, dass sich die Kanten anheben.

Wann kommt es zum Verzug?

Verzug kann in verschiedenen Stadien des Druckvorgangs auftreten, am häufigsten tritt er jedoch in den ersten Schichten auf, wenn das Material zu erstarren beginnt und die Basis des Modells bildet. Die ersten Schichten sind kritisch: Wenn die Haftung auf der Ebene nicht optimal ist oder die Betttemperatur (oder die Umgebungskühlung) nicht ausreichend kontrolliert wird, entstehen erhebliche Temperaturunterschiede zwischen dem der Ebene am nächsten liegenden Teil und den oberen Schichten. Dies führt zu ungleichmäßiger Abkühlung und folglich zu Verzug.

Verzug kann aber auch in den nachfolgenden Schichten auftreten, insbesondere bei Objekten mit großen Grundflächen oder großen Dicken. In diesem Fall kann das Wärmegefälle zwischen den neu abgeschiedenen heißen Schichten und den "älteren" Schichten zu inneren Spannungen im Werkstück führen, die den Verzug begünstigen. Im Allgemeinen gilt: Je größer das Objekt ist, desto länger dauert die Abkühlung, und desto größer ist das Risiko, dass entlang der Oberfläche des Bauteils unterschiedliche Temperaturgradienten entstehen, die zu unterschiedlichen Abkühlungsraten führen.

Wie kommt es zu diesen Problemen? Die Hauptursachen sind

1. Thermische Kontraktion: Thermoplaste schrumpfen, wenn sie vom geschmolzenen in den festen Zustand übergehen. Wenn das geschmolzene Filament auf die bereits teilweise abgekühlten Schichten trifft, entsteht ein Temperaturunterschied, der, wenn er nicht ausgeglichen wird, innere Spannungen erzeugt. Dieses Phänomen tritt vor allem bei Filamenten mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, wie z. B. ABS.

2. Falsche Temperatur des Druckbetts: Wenn das Druckbett nicht heiß genug ist, kühlen die Schichten, die mit der Oberfläche in Kontakt sind, im Vergleich zu den später aufgetragenen Schichten zu schnell ab. Gleichzeitig kann ein zu heißes Druckbett zwar die anfängliche Haftung fördern, aber bei unzureichender Kontrolle zu einem starken Temperaturgefälle mit zunehmender Höhe führen.

3. Ungleichmäßige Abkühlung: Eine zu schnelle Abkühlung, z. B. in sehr kalten oder zugigen Umgebungen, verstärkt den Aufbau von Spannungen zwischen den Schichten. Aus diesem Grund arbeiten viele professionelle 3D-Drucker in geschlossenen Räumen oder beheizten Kammern, um eine gleichmäßige und konstante Temperatur zu gewährleisten.

4. Unzureichende Haftung auf der Ebene: Wenn die erste Schicht nicht gut auf der Druckebene haftet, kann jede kleinste Kontraktion dazu führen, dass sich die Ecken oder Kanten des Teils anheben.

5. Komplexe Geometrien oder große Flächen: Modelle mit großen Grundflächen, scharfen Kanten oder besonders "dünnen" Bereichen sind anfälliger für Verformungen, da die Spannungen nicht gleichmäßig verteilt sind.

6. Druckgeschwindigkeit und Kühleinstellungen: Eine zu hohe Druckgeschwindigkeit in Verbindung mit unzureichenden oder zu hohen Kühleinstellungen kann das thermische Gleichgewicht stören, das zur Vermeidung von Verformungen erforderlich ist.

Materialien, die zum Verziehen neigen

Alle thermoplastischen Filamente können sich in unterschiedlichem Maße verziehen. ABS ist bekanntlich eines der problematischsten Materialien in dieser Hinsicht, da es einen recht hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat. Das bedeutet, dass der Volumenunterschied zwischen dem geschmolzenen und dem festen Zustand größer ist und daher die Spannungen größer sind.

Obwohl PLA "einfacher" zu drucken ist als ABS, ist es nicht frei von Verformungserscheinungen, vor allem, wenn es in sehr kalten Umgebungen gedruckt wird oder wenn es keinen angemessenen Luftstrom gibt. PETG liegt irgendwo dazwischen: Es hat eine geringere thermische Schrumpfung als ABS, erfordert aber dennoch ein gutes Management des Druckbetts und der Kühlung, um Verformungen zu vermeiden.

Spezielle Materialien wie Nylon oder Polycarbonat können sogar noch größere Schwierigkeiten bereiten, weshalb oft beheizte Kammern und Betten mit hohen Temperaturen empfohlen werden, um die Dimensionsstabilität während des Drucks zu erhalten.

Wie man Verformungen verhindert

Die Vermeidung von Verformungen beruht auf einer Reihe von bewährten Verfahren, die die richtige Konfiguration des Druckers, die Wahl geeigneter Materialien und Haftflächen sowie die Kontrolle der Druckparameter umfassen. Im Folgenden werden einige grundlegende Strategien vorgestellt.

1. Einstellen der Temperatur des Druckbetts

   • Richtige Temperatur: Lesen Sie die Spezifikationen des Filaments. ABS erfordert oft Betttemperaturen zwischen 90°C und 110°C, während für PLA Temperaturen zwischen 50°C und 70°C erforderlich sein können. Die richtige Temperatur des Druckbetts verringert den Wärmegradienten zwischen der ersten Schicht und den nachfolgenden Schichten.

   • Gleichmäßige Wärmeverteilung: Es ist wichtig, dass das Druckbett über ein gleichmäßiges Heizsystem verfügt. Wenn einige Bereiche des Bettes kühler sind als andere, entstehen Schwachstellen, von denen aus das Abheben beginnen kann.

2. Verbesserung der Haftung auf dem Bett

   • Reinigung der Druckplatte: Reinigen Sie die Druckoberfläche vor dem Druck gründlich, um Staub, Öle und Rückstände von früheren Drucken zu entfernen. Die Verwendung von Isopropylalkohol oder speziellen Reinigungsmitteln verbessert die Haftung.

   • Spezielle Oberflächen: Es ist wichtig, je nach dem zu bedruckenden Material die richtige Druckplatte zu wählen. Für jedes Material kann eine beschichtete Druckplatte gefunden werden, um die Haftung auf bestimmten Materialien zu verbessern.

   • Verwendung von Klebstoff oder Lack: Das Auftragen einer dünnen Schicht Klebestift, Haarspray (speziell für hohe Temperaturen) oder speziell für den 3D-Druck hergestellter Klebstoffe auf die Druckplatte kann die Haftung verbessern, insbesondere bei notorisch problematischen Materialien wie ABS.

3. Luftstrom und Raumtemperatur regeln

   • GeschlosseneUmgebung: Verwenden Sie, wenn möglich, einen Drucker mit einem Gehäuse oder bauen Sie ein solches um den Drucker herum, um die Innentemperatur konstant zu halten. Dadurch werden plötzliche Temperaturabfälle und Zugluft vermieden.

   • Kühlgebläse: Passen Sie die Lüftergeschwindigkeit an. Bei PLA kann ein aktiveres Gebläse dazu beitragen, die Schichten zu verfestigen, aber achten Sie darauf, keinen übermäßigen Wärmeschock zu verursachen. Bei ABS sollten Sie den Lüfter oft auf ein Minimum reduzieren, um eine zu schnelle Abkühlung zu vermeiden.

4. Spezifische Druckeinstellungen

   • Brim, Raft oder Skirt: Das Drucken eines "Skirt" (Umriss), eines "Brim" (eine zusätzliche Kante, die die Kontaktfläche mit der Ebene vergrößert) oder eines "Raft" (eine Basis aus mehreren Schichten unter dem Modell) kann die Stabilität des Teils erhöhen und die Kantenhaftung fördern.

   • Höhe der ersten Schicht: Eine gut abgeflachte erste Schicht auf der Ebene (aber nicht übermäßig) verbessert die Adhäsion. Viele Slicer bieten spezifische Einstellungen zur Anpassung der Höhe der ersten Schicht und der Druckgeschwindigkeit, um einen optimalen Kontakt zu gewährleisten.

   • Druckgeschwindigkeit: Das Drucken mit zu hoher Geschwindigkeit kann zu Vibrationen und Unregelmäßigkeiten führen, die die Haftung der ersten Schicht beeinträchtigen. Eine niedrigere Geschwindigkeit in den ersten Schichten trägt zu einer besseren Verankerung des Teils bei.

5. Verwendung einer "Wärmekammer" oder beheizten Kammer
   Bei sehr empfindlichen Materialien wie ABS oder Polycarbonat besteht eine der wirksamsten Lösungen darin, in einer beheizten Kammer zu drucken, d. h. in einer geschlossenen Umgebung, in der die Temperatur konstant und angemessen hoch ist (oft 40-50 °C oder mehr). Dadurch wird das Wärmegefälle zwischen den Schichten verringert und das Risiko einer ungleichmäßigen Schrumpfung minimiert.

6. Auswahl des Filaments
   Wenn die Verformung trotz der getroffenen Maßnahmen anhält, kann es sinnvoll sein, die Art des Filaments zu ändern. Einige Hersteller bieten modifizierte Versionen von ABS oder PLA an, die mit Fasern oder Zusatzstoffen angereichert sind, die die Wärmeausdehnung verringern und die Stabilität verbessern. Es gibt auch "Blend"-Filamente, die speziell entwickelt wurden, um die Verformung beim Drucken zu minimieren.

Erweiterte Ansätze und praktische Tipps

• Prüfen Sie die Feuchtigkeit des Filaments: Ein Filament, das zu viel Feuchtigkeit aufgenommen hat (insbesondere Nylon und PETG), kann Extrusions- und Haftungsprobleme verursachen, die wiederum das Verziehen fördern. Lagern Sie das Filament immer in luftdichten Beuteln mit Trockenmittel, trocknen Sie das Filament vor der Verwendung gemäß den Angaben des Herstellers und verwenden Sie während des Drucks Trockenmittel.

• Prüfen Sie die Ebenheit des Druckbetts: Ein nicht perfekt ebenes Druckbett erschwert eine gleichmäßige Verklebung. Wenn einige Bereiche höher oder tiefer liegen, kann die aufgetragene Schicht zu dünn sein (was zu Unterextrusion und schlechter Haftung führt) oder zu dick (mit überschüssigem Material und möglichen Klumpen). Es ist wichtig, die Druckplatte regelmäßig zu nivellieren und, sofern der Drucker dies zulässt, selbstnivellierende Systeme (ABL) zu verwenden.

• Optimieren Sie das Design des Teils: Wenn möglich, arbeiten Sie an der Geometrie des Objekts, um das Risiko des Verziehens zu verringern. Vermeiden Sie zu dünne Kanten oder große Grundflächen; wenn dies nicht möglich ist, sollten Sie Löcher oder Verstärkungsstrukturen einbringen. Manchmal kann das Abrunden von Kanten oder die Aufteilung des Modells in mehrere Teile für den Zusammenbau die inneren Spannungen verringern.

• Experimentieren Sie mit der Rückzugs- und Kühlgeschwindigkeit: Kleine Änderungen der Einstellungen für den Rückzug (Retraktion) und die Gebläsegeschwindigkeit können die Filamentabscheidung optimieren und Klumpen und übermäßiges Abkühlen vermeiden.

• Überwachen der ersten Schichten: Es ist eine gute Praxis, insbesondere bei großen oder lang anhaltenden Drucken, die Haftung der ersten Schichten sorgfältig zu überprüfen. Wenn Sie Anzeichen für ein Abheben bemerken, kann es notwendig sein, den Druck zu stoppen und die Parameter anzupassen, um einen nicht behebbaren Defekt zu vermeiden.

• Verwenden Sie fortschrittliche Slicing-Software: Einige Programme bieten spezielle Einstellungen zur Vermeidung von Verwerfungen, einschließlich einstellbarer Tiegeltemperaturen für verschiedene Schichten, variabler Druckgeschwindigkeiten, individueller Anpassung von Rand und Floß und vieles mehr.

Schlussfolgerungen

Verziehen ist ein Phänomen, das 3D-Druck-Anfänger und Profis gleichermaßen betrifft. Es mag manchmal wie eine unausweichliche Verurteilung erscheinen, aber in Wirklichkeit ist es das Ergebnis sehr spezifischer physikalischer Faktoren: von der thermoplastischen Beschaffenheit der Filamente über die Umgebungsbedingungen beim Druck bis hin zu den Einstellungen für Haftung und Slicer. Glücklicherweise können wirksame Gegenmaßnahmen ergriffen werden, sobald die Ursachen bekannt sind.

Erfahrung und Experimentieren spielen dabei eine wichtige Rolle: Jeder Drucker, jedes Filament und jede Arbeitsumgebung kann unterschiedliche Anpassungen erfordern. Mit der Zeit und der sorgfältigen Beobachtung der Drucke wird es einfacher, Anzeichen für eine mögliche Verformung zu erkennen und vorbeugende Maßnahmen zu ergreifen.

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