Was ist thermisches Kriechen bei 3D-Druckern?

Hitzekriechen ist ein im 3D-Druck gebräuchlicher Begriff, der sich auf das Phänomen der allmählichen Verformung von Filamenten bezieht, die durch längere Belastung bei hohen Temperaturen verursacht wird. Während des 3D-Druckprozesses unterliegen Filamente unterschiedlichen Heiz- und Kühltemperaturbedingungen, und Wärmekriechen kann zu Problemen wie Dimensionsänderungen und verringerter Festigkeit des fertigen Drucks führen, was sich auf die Genauigkeit und Gesamtleistung des fertigen Produkts auswirken kann. Daher ist das Verständnis und die Kontrolle des Wärmekriechens von entscheidender Bedeutung für die Gewährleistung der Qualität und Zuverlässigkeit gedruckter Teile.

Hauptursachen

Das Auftreten von thermischem Kriechen hängt hauptsächlich mit der Temperatur und den Eigenschaften des Filaments zusammen.

Temperatur

Raumtemperatur

• Kammertemperatur : 3D-Drucker verwenden ein Heizsystem, um die Kammertemperatur aufrechtzuerhalten und so ein schnelles Abkühlen und Verziehen der Filamente während des Druckens zu vermeiden. Die richtige Kammertemperatur gewährleistet die Stabilität der Filamente während des Druckens. Wenn die Kammertemperatur jedoch zu hoch ist, kann dies dazu führen, dass die Filamente während des Druckens weicher werden, was das Risiko eines thermischen Kriechens erhöht.
• Heizbetttemperatur : Beim 3D-Druck wird das Heizbett normalerweise auf eine bestimmte Temperatur erhitzt, um die Haftung der Filamente während des Drucks zu erhöhen und die durch Abkühlung verursachte Schrumpfung zu verringern. Wenn die Temperatur des Heizbetts jedoch zu hoch ist, kann es beim Abkühlen zu thermischem Kriechen am Boden kommen.

Außentemperatur

• Jahreszeiten : Selbst wenn das interne Temperaturkontrollsystem des Druckers im heißen Sommer ordnungsgemäß funktioniert, kann die hohe Außentemperatur dazu führen, dass die Filamente im beheizten Bereich noch weicher werden, was zu thermischem Kriechen führt. Dadurch werden die Filamente weicher und verformbarer und fließen nicht gut im Extruder, wodurch die Gefahr einer Verstopfung des Extruders steigt. Gleichzeitig können zu niedrige Temperaturen im Winter zu einem großen Unterschied zwischen der Raumtemperatur und der Außentemperatur führen, was sich auf die Abkühlgeschwindigkeit der Ausdrucke auswirkt. Filamente können während des Druckens zu schnell abkühlen, was zu einer ungleichmäßigen Schrumpfung der Filamente führen kann, was zu Spannungskonzentrationen führt und das Risiko eines thermischen Kriechens erhöht.
• Temperaturkontrolle im Nachpressprozess : Der Nachpressprozess (z. B. Wärmebehandlung und Glühen) wird normalerweise in extern beheizten Geräten (z. B. Öfen, Brennöfen oder Wärmebehandlungsgeräten) durchgeführt und dient der Verbesserung der Leistung der Filamente. Bei diesem Vorgang wird der Druck relativ hohen Temperaturen ausgesetzt. Infolgedessen kann das Fehlen eines angemessenen Kühl- oder Stabilisierungsschritts im Nachdruckprozess das thermische Kriechen in Filamenten weiter verschlimmern.

Eigenschaften des Filaments

Die Erweichungstemperatur ( oder thermische Verformungstemperatur ) ist die Temperatur, bei der ein Filament zu erweichen beginnt und seine ursprüngliche Form verliert, wenn es auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wird. Es beeinflusst direkt das Gleitverhalten von Filamenten in einer Umgebung mit hohen Temperaturen.

• Filamente mit niedrigen Erweichungstemperaturen sind anfälliger für Wärmekriechen. Da solche Filamente bei relativ niedrigen Temperaturen weich werden oder beginnen, ihre ursprüngliche Form zu verlieren, neigen sie bei hohen Temperaturen eher dazu, sich plastisch zu verformen, was zu einem erhöhten Risiko von Wärmekriechen führt. Beispielsweise liegen die Erweichungstemperaturen von PLA, PVA und TPU unter 60°C und können sich bei hohen Temperaturen verziehen, verbiegen oder biegen.
• Im Gegensatz dazu sind Filamente mit höheren Erweichungstemperaturen weniger anfällig für Wärmekriechen und behalten bei hohen Temperaturen eine gute Steifigkeit und Formstabilität bei, was zu einem geringeren Risiko von Wärmekriechen bei relativ hohen Temperaturen führt. Beispielsweise behalten PA und PC bei Erweichungstemperaturen über 150 °C eine gute Steifigkeit und Formstabilität bei hohen Temperaturen bei und weisen ein sehr geringes Risiko von Wärmekriechen auf.

Häufige Probleme

Extruder- und Hotend-Registrierung

Durch thermisches Kriechen werden die Filamente bei höheren Temperaturen weicher und flüssiger, was zur Bildung oder Ablagerung innerhalb der Düse und des erhitzten Bereichs führt, was zu einem gröberen oder vollständig verstopften Innendurchmesser der Düse führt. Gleichzeitig können durch thermisches Kriechen verursachte Ablagerungen auch zu einer Verstopfung der Hotend-Kanäle führen. Diese Ablagerungen und Ablagerungen verhindern den normalen Filamentfluss, was zu Problemen mit der Verstopfung des Extruders und des Hotends führen kann.

Reduzierte Druckqualität

Aufgrund des thermischen Kriechens werden Filamente bei hohen Temperaturen weicher und flüssiger. Erweichte Filamente härten beim Drucken nicht effektiv aus, was zu einer schwächeren Haftung zwischen den Schichten und zur Bildung von Hohlräumen oder Löchern führt. Gleichzeitig führt die durch thermisches Kriechen verursachte Ausdehnung und Verformung zu einer unregelmäßigen inneren Struktur des gedruckten Teils, was seine Integrität und Festigkeit beeinträchtigt und die Druckqualität insgesamt verringert.

Wie vermeide ich Hitzekriechen?

Wie vermeidet man ein Verstopfen des Extruders/der Düse aufgrund einer Erweichung der Filamente durch thermisches Kriechen?

• Öffnen Sie die Tür und entfernen Sie die Abdeckung : Wenn Sie Filamente mit niedrigen Erweichungstemperaturen (wie PLA, PVA und TPU) drucken, öffnen Sie die Vordertür oder entfernen Sie die obere Abdeckung mäßig, um die Kammertemperatur zu senken und die Filamente abzukühlen. Insbesondere das vorübergehende Öffnen der Tür oder des Deckels kann eine kurzfristige Lösung sein, wenn Sie beim Drucken eine übermäßige Erweichung der Filamente oder andere Probleme beobachten.
• Stellen Sie sicher, dass die Temperatur der Druckumgebung stabil bleibt : Starke Temperaturschwankungen können zu einer ungleichmäßigen Abkühlung der Drucke während des Druckens führen, was das Risiko von Wärmeausbreitung erhöht. Im Allgemeinen sollte die Druckumgebungstemperatur zwischen 20 °C und 25 °C liegen. Zu diesem Zweck können Klimaanlagen, Heizungen oder Raumtemperatursensoren eingesetzt werden, um die Innentemperatur zu überwachen und zu regulieren, um sicherzustellen, dass sie im richtigen Bereich bleibt.

Wie kann thermisches Kriechen (z. B. zu schnelle Abkühlung aufgrund großer Unterschiede in der Umgebungstemperatur, ungleichmäßige Abkühlung usw.) vermieden werden, das zu einer Modellverformung führt?

• Schaffen Sie eine geschlossene Druckumgebung : Beim Drucken von Filamenten mit hohen Erweichungstemperaturen (z. B. PA und PC) wird empfohlen, eine geschlossene Umgebung aufrechtzuerhalten , um die Temperatur stabil zu halten und Kriechen und Verziehen aufgrund ungleichmäßiger Temperaturen zu vermeiden. Es wird empfohlen, die Kammertemperatur immer mindestens 10 °C niedriger einzustellen als die Erweichungstemperaturen der Filamente.
• Wählen Sie die geeignete Heizbetttemperatur : Stellen Sie die Temperatur basierend auf dem empfohlenen Heizbetttemperaturbereich für die verwendeten Filamente ein. Die Einstellung der richtigen Heizbetttemperatur verbessert die Haftung zwischen den Filamenten und dem Heizbett und reduziert Verformungen und Schrumpfungen, die durch ungleichmäßige Abkühlung während des Druckens verursacht werden. Insbesondere beim Drucken von Filamenten mit niedrigen Erweichungstemperaturen können zu hohe Heizbetttemperaturen zu thermischem Kriechen führen und müssen daher im empfohlenen Bereich gehalten werden.
• Abkühlgeschwindigkeit verlangsamen : In Wärmebehandlungsanlagen (z. B. Öfen, Brennöfen oder Wärmeverarbeitungsgeräten) die Heiztemperatur schrittweise reduzieren (z. B. um 5°C pro Stunde). Diese allmähliche Reduzierung hilft den Filamenten, sich an wechselnde Temperaturen anzupassen, und verringert die Möglichkeit eines thermischen Kriechens. Um eine ausreichende Abkühlzeit zu gewährleisten, vermeiden Sie außerdem, die Drucke unmittelbar nach der Wärmebehandlung zu entfernen , damit sich die Filamente bei einer niedrigeren Temperatur stabilisieren können.
• Angemessene Trocknungstemperatur : Stellen Sie während des Trocknungsprozesses sicher, dass die Temperatur im geeigneten Bereich für die Filamente eingestellt ist . Zu hohe Temperaturen können zu einer übermäßigen Erweichung der Filamente führen und somit das Risiko eines thermischen Kriechens erhöhen. Befolgen Sie die empfohlenen Trocknungstemperaturen für jeden Filamenttyp.

Andere Überlegungen

• Um Ihnen bei der Auswahl der richtigen Filamente und der Optimierung Ihrer Druckumgebung weiter zu helfen, lesen Sie den Filament-Leitfaden auf unserem Blog. Dort finden Sie weitere Informationen zu Filamenten, die Ihnen dabei helfen, Hitzeschlupf effektiver zu vermeiden.
• Wenn beim Drucken von Filamenten mit niedrigen Erweichungstemperaturen die Umgebungstemperatur extrem niedrig ist (z. B. 5–10 °C), können Sie die Vordertür schließen und die obere Abdeckung anbringen, um die Temperatur der Kammer zu erhöhen, was möglich ist verhindern auch Verformungen. Wenn der Extruder oder das Hotend nach diesem Verfahren immer noch verstopft ist, können Sie durch leichtes Öffnen der Vordertür die heiße Innenluft mit der kühleren Außenluft zirkulieren lassen, was dazu beiträgt, die Kammertemperatur zu senken und die Temperaturverteilung zu stabilisieren und so Verstopfungen durch Überhitzung oder Ungleichmäßigkeiten zu reduzieren Hitze.
• Wir empfehlen Ihnen, die Heizelemente und das Kühlsystem Ihres Druckers regelmäßig zu überprüfen, um sicherzustellen, dass sie ordnungsgemäß funktionieren. Dies trägt dazu bei, durch Geräteausfälle verursachtes thermisches Kriechen zu verhindern und stellt die Qualität und Konsistenz Ihrer Drucke sicher.

Quelle: Bambu Lab Wiki