
Jeder, der sich mit praktischem 3D-Druck beschäftigt, hat wahrscheinlich den Bedarf bemerkt, seine 3D-Drucke zu optimieren und ihre mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Dies kann durch das Experimentieren mit industrielleren Materialien oder durch Anpassung der Druckeinstellungen erreicht werden. Diese Optionen können jedoch kostspielig sein oder nicht das gewünschte Ergebnis liefern. Nun fragen Sie sich vielleicht, ob es eine Möglichkeit gibt, einen 3D-Druck zu verbessern, ohne für Materialien in Industriequalität zu zahlen oder Stunden mit der Anpassung der Einstellungen zu verbringen. Und wir sagen Ihnen – es gibt sie und sie heißt Glühen.
Verständnis des Glühens
Definition des Glühens im Kontext des 3D-Drucks
Das Konzept des Glühens stammt aus der Metallurgie, wo es eine nützliche Praxis wurde, um die Duktilität und Festigkeit von Stahl zu verbessern. Beim Glühen werden Temperatur und Abkühlrate präzise gesteuert, um die Gesamtleistung des Objekts zu optimieren. Ähnlich kann das Glühen im 3D-Druck die mechanischen Eigenschaften erheblich verbessern. Es ist ein Prozess, der darin besteht, das Objekt zu erhitzen und dann in einer kontrollierten Umgebung abzukühlen. Dieser Ansatz reduziert innere Spannungen im Material und sorgt für ein stärkeres und temperaturbeständigeres Produkt.
Auswirkungen auf die Materialeigenschaften
Glühen funktioniert durch einen Kristallmechanismus, der gegensätzliche Effekte auf Metalle und Polymere hat. Am Beispiel von PLA-Filament beinhaltet das Glühen das Erhitzen des Materials auf Temperaturen über seiner Glasübergangstemperatur, wodurch sich die Polymerketten in positiv geladene Formen, sogenannte Kristallregionen, umordnen. Diese Bereiche erhöhen die mechanische Festigkeit, die thermische Beständigkeit und die chemische Stabilität der Polymeroberfläche.
Quelle: Prusa Research
Im Gegensatz zu Metallen, bei denen das Glühen die Duktilität verbessert, sorgen die in Polymeren gebildeten kristallinen Bereiche für Härte und Flexibilität. Diese Kristallstrukturen entstehen durch Keimbildungs- und Wachstumsprozesse, bei denen die Temperatur das Gleichgewicht der beiden Komponenten beeinflusst.
Vorteile des Glühens Ihrer 3D-Drucke
Verbesserte mechanische Festigkeit und Haltbarkeit
Richtig geglühte 3D-gedruckte Teile weisen minimale Schrumpfung oder Verzug auf und erreichen signifikante Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften. Glühprozesse können die Biegefestigkeit und Steifigkeit erhöhen, wodurch die Teile hoch widerstandsfähig gegen mechanische Belastungen und Stöße werden. Zum Beispiel glühte die Universität Groningen Carbon Fiber PET-Filament bei 120°C, was zu einer Erhöhung der Biegefestigkeit um 18,5% führte. Darüber hinaus verbessert das Glühen die Hitzebeständigkeit von Materialien über ihre Glasübergangstemperatur (TG) hinaus, wodurch sie stärker und haltbarer werden.
Erhöhte Hitzebeständigkeit und Stabilität
Akademiker der Zeitschrift Polymers testeten reine ABS-Proben durch Glühen bei Temperaturen von 105°C bis 175°C, um die differentielle Zugfestigkeit bis zu 4 Stunden bei optimalen Glühbedingungen von 105°C mit einer Zugfestigkeit von etwa 6,31% im Vergleich zu unbehandelten Proben zu verbessern. Darüber hinaus hilft das Glühen, die Formänderung gedruckter Teile zu reduzieren, was zu einer größeren Formstabilität im Laufe der Zeit führt.
Reduzierung von inneren Spannungen und Verzug
Der Hauptvorteil des Glühens besteht darin, dass es gleichzeitig innere Spannungen, Porosität und Verzug in 3D-gedruckten Teilen reduzieren kann, wodurch die Schichtbindung und die gesamte strukturelle Integrität verbessert werden. Diese Nachbearbeitungsmethode reduziert Schrumpfung und Verzug und beseitigt Restspannungen im Material. Beim Glühen ist zu beachten, dass hohe Heiztemperaturen zu einer Verschlechterung der Druckeigenschaften und Oberflächenoxidation führen können, insbesondere bei Materialien wie PET-CF. Eine sorgfältige Auswahl der Glühtemperatur basierend auf den gewünschten Eigenschaften des Endprodukts kann zu reduziertem Verzug und verbesserten mechanischen Eigenschaften führen.
Glühen verschiedener Materialien
Obwohl das Glühen bei Materialien wie PLA und PETG effizienter ist, sind die Vorteile bei ASA und ABS aufgrund der Verformung und Verzerrung geringer. Trotz potenzieller Herausforderungen in Bezug auf Größen- und Formänderungen überwiegen die Vorteile der verbesserten Ausrüstung diese Nachteile.
Glühtechniken und -methoden
Verschiedene Glühtechniken können verwendet werden, um die Eigenschaften von 3D-Drucken zu verbessern. Diese Methoden umfassen Sand- oder Salzbadglühen, Ofenglühen und Unterwasser-Glühen. Beim Sand- oder Salzbadglühen wird das gedruckte Objekt in ein beheiztes Sand- oder Salzbad getaucht, um eine gleichmäßige Erwärmung und kontrollierte Abkühlung zu erreichen. Beim Ofenglühen wird das Objekt hingegen in einen Ofen gestellt und auf die gewünschte Temperatur für eine bestimmte Dauer erhitzt. Beim Unterwasser-Glühen wird das Objekt in erhitztes Wasser getaucht, um eine gleichmäßige Erwärmung und Abkühlung zu unterstützen. Jede Technik bietet einzigartige Vorteile und ist für verschiedene Materialtypen und gewünschte Ergebnisse geeignet.
Die richtige Methode wählen
Bei der Entscheidung, welche Glühmethode für Ihr ausgewähltes Material am besten geeignet ist, empfehlen wir, mehrere Faktoren zu berücksichtigen. Diese Faktoren umfassen:
- den verwendeten Materialtyp,
- die gewünschten Eigenschaften des Endobjekts,
- und praktische Überlegungen wie Verfügbarkeit und Sicherheit der Ausrüstung.
Das Ofen-Tempern ist die einfachste Methode und wird am häufigsten von Machern und Hobbyisten verwendet. Darüber hinaus funktionieren PETG und PLA am besten mit dem Ofen-Tempern, da der Prozess einfach und effektiv ist. Wenn Sie jedoch mit transparentem PETG arbeiten, sollten Sie eine sorgfältigere Temperaturkontrolle in Betracht ziehen. Außerdem sollten Sie die Größe und Form des Objekts sorgfältig berücksichtigen, wenn Sie die Temperzeit und -temperatur bestimmen.
Best Practices und Tipps
Während das Tempern ein bekannter Prozess für Metall- und Spritzgussteile ist, ist seine Anwendung im 3D-Druck weniger bekannt, aber dennoch effektiv. Das Verständnis der Prinzipien hinter dem Tempern und die Umsetzung von Best Practices können zu erheblichen Verbesserungen der Druckqualität führen.
Die richtige Temperatur und Dauer wählen
Die Auswahl der geeigneten Tempertemperatur ist entscheidend für optimale Ergebnisse. Das Ziel ist es, die Glasübergangstemperatur zu erreichen, bei der sich die molekulare Struktur des Kunststoffs neu anordnet, ohne den Schmelzpunkt zu erreichen. Verschiedene Materialien haben unterschiedliche Glasübergangstemperaturen, und es ist wichtig, das richtige Gleichgewicht zu finden. Höhere Temperaturen erleichtern eine größere Festigkeit, können jedoch zu Verformungen und Verzerrungen führen, wenn sie überschritten werden. Es ist wichtig, Experimente durchzuführen, um den idealen Temperaturbereich für jedes Material zu bestimmen und die Temperzeit entsprechend anzupassen. Laut Prusa Research haben amorphe Polymere wie PLA einen weiten Temperaturbereich (PLA 65 bis 170°C) zwischen dem Beginn des Glasübergangs und dem Schmelzpunkt. Je höher die Temperatur, desto mehr verschmelzen die Schichten, wodurch das Material stärker wird. Aber noch höhere Temperaturen führen dazu, dass das Material schrumpft, sich verdreht und letztendlich weich wird, wodurch das Material auseinanderfällt. Um die besten Ergebnisse zu erzielen, finden Sie das richtige Gleichgewicht zwischen der Steifigkeit des Objekts und der Beibehaltung der richtigen Größe und Form. Die geeignete Temperzeit hängt von der Größe und Form des Materials ab. In dem erwähnten Artikel sehen Sie, dass ihre Testproben 30 Minuten lang in einem elektrischen Ofen erhitzt wurden.
Quelle: Prusa Research
Tipps zur Minimierung von Verzerrungen und Maßänderungen
Es gibt mehrere Techniken, um Verzerrungen und Maßänderungen während des Temperns zu reduzieren. Stellen Sie zunächst sicher, dass der Druck gleichmäßig erhitzt wird, um eine gleichmäßige Ausdehnung und Schneiden zu verhindern. Ein Heißluftofen mit präziser Temperaturregelung wird für konsistente Ergebnisse empfohlen. Darüber hinaus kann die Wahl von Materialien mit einem großen Unterschied zwischen der Glasübergangstemperatur und dem Schmelzpunkt helfen, Verzerrungsprobleme zu reduzieren. Eine sorgfältige Überwachung des Temperprozesses und die Anpassung der Parameter nach Bedarf können die Ergebnisse erheblich verbessern. Schließlich können Nachkalibrierungen und Anpassungen nach dem Tempern, wie das Hochskalieren von Drucken zur Kompensation des Schrumpfens, helfen, die Maßgenauigkeit zu erhalten. Durch die Befolgung dieser Empfehlungen und die Umsetzung von Best Practices können Sie die Vorteile des Temperns nutzen, um die Effizienz Ihrer Drucke zu verbessern. Durch das Unterziehen der gedruckten Materialien kontrollierten Heiz- und Kühlzyklen können deren Festigkeit, Haltbarkeit und Wärmebeständigkeit erhöht werden. Ob Sie komplexe funktionale Teile erstellen oder die Leistung eines Prototyps verbessern möchten, es lohnt sich, das Tempern als Prozess nach Ihren 3D-Drucken in Betracht zu ziehen.
PLA Prime Tempern
Das Tempern von PLA Prime Drucken kann deren Wärmebeständigkeit und strukturelle Integrität verbessern. Es muss jedoch darauf geachtet werden, Verformungen oder Verzerrungen zu vermeiden. Hier ist eine allgemeine Richtlinie für das Tempern von PLA-Materialien, insbesondere solchen mit 100% Füllung:
Temperatur
Temperatureinstellung: Die empfohlene Temperatur für PLA Prime beträgt etwa 120°C
Zeit
Dauer: Je nach Größe und Dicke des Objekts kann der Temperprozess zwischen 30 Minuten und einer Stunde dauern. Bei 100% Füllung kann eine längere Zeit erforderlich sein, um eine vollständige Wärmeübertragung zu ermöglichen und das PLA im gesamten Produkt zu regenerieren. Darüber hinaus gewährleisten gedruckte Produkte mit 100% Füllung ein minimales Schrumpfen.
Prozess
Heizen Sie Ihren Ofen vor: Stellen Sie sicher, dass Ihr Ofen auf 120°C vorgeheizt wurde. Ein Ofenthermometer kann helfen sicherzustellen, dass die Temperatureinstellungen Ihres Ofens genau sind, da Ofentemperaturen variieren können.
Wir empfehlen nicht, einen Ofen, der noch zum Zubereiten von Lebensmitteln verwendet werden soll, zum Tempern von Materialien zu verwenden. Bereiten Sie das Objekt vor: Legen Sie das PLA Prime Objekt auf ein mit Backpapier oder einer Silikonmatte ausgelegtes Backblech, um ein Anhaften zu verhindern. Einige Leute legen das Objekt auf ein Bett aus Sand oder umwickeln es mit Aluminiumfolie, um Unterstützung zu bieten und die Wahrscheinlichkeit von Verformungen zu verringern. Backzeit: Legen Sie das Objekt in den Ofen und überwachen Sie den Prozess genau. Beginnen Sie mit einer kürzeren Dauer (z.B. 30 Minuten), insbesondere bei kleineren oder dünneren Objekten. Abkühlen: Nach dem Tempern ist es wichtig, das Objekt langsam abzukühlen, um thermischen Schock und Verformungen zu verhindern. Sie können den Ofen ausschalten und die Tür leicht öffnen, um das Produkt allmählich mit dem Ofen abkühlen zu lassen. Wenn Sie es nicht eilig haben, erzielen Sie die besten Ergebnisse, wenn Sie den Ofen vollständig geschlossen lassen, während er abkühlt.
Tipps
Testen: Wenn möglich, testen Sie zuerst den Glühprozess an einem weniger dichten Muster oder Abschnitt. Dies kann Ihnen helfen, die besten Temperatur- und Zeiteinstellungen für Ihren Ofen und Ihr Objekt zu bestimmen, ohne ein teureres oder größeres Projekt zu riskieren. Belüftung: Sorgen Sie für eine gute Belüftung in Ihrem Arbeitsbereich, da beim Erhitzen von PLA Dämpfe freigesetzt werden können. Erwarten Sie Maßänderungen: Das Glühen kann dazu führen, dass PLA-Objekte aufgrund der Wärmebehandlung leicht schrumpfen oder sich verziehen. Dies sollte bei Präzisionsteilen oder dort, wo die Abmessungen kritisch sind, berücksichtigt werden. Denken Sie daran, dass die Ergebnisse des Glühens stark von der Objektgeometrie und den spezifischen Ofeneigenschaften abhängen können. Experimentieren in kontrollierter Weise ist der Schlüssel, um den optimalen Prozess für Ihre spezifische Situation zu finden.
Häufig gestellte Fragen
Was ist der Zweck des Glühens?
Der Zweck des Glühens besteht darin, die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Materialien wie Festigkeit, Haltbarkeit und Temperaturbeständigkeit durch kontrollierte Heiz- und Kühlzyklen zu verbessern.
Was bewirkt das Glühen bei 3D-Drucken?
Das Glühen verbessert die mechanischen Eigenschaften des 3D-Drucks. Es verleiht dem Druck eine höhere Zugfestigkeit, größere Steifigkeit und höhere Hitzebeständigkeit.
Ist das Glühen notwendig?
Obwohl das Glühen die mechanischen Eigenschaften Ihrer Drucke verbessern kann, ist es nicht notwendig.
Was sind die 3 Phasen des Glühens?
Der Glühprozess besteht aus drei Phasen, während die Temperatur des Materials steigt: Erholung, Rekristallisation und Kornwachstum.