Probleme mit feuchtem Filament?! FDM Druck

Oft hat man das Problem, dass nichts im 3D Druck funktioniert und dies liegt oft an feuchtem Filament (zumindest bei mir war dies öfters der Fall speziell in den Anfängen des Druckens 2015). Das Filament wird feucht, da die meisten Kunststoffe die Feuchtigkeit aus der Luft aufnehmen sprich hygroskopisch sind (dazu zählen z.B. PA, ABS), aber alle Filamente nehmen über ihre mikroskopisch poröse Oberfläche zumindest an der Oberfläche Feuchtigkeit auf (vor allem PETg). Dieser Effekt ist bei Luftfeuchtigkeit über 40% sehr gut zu beobachten und nimmt ab 50% stark zu und über 60% ist dann ein sinnvolles Drucken kleiner und feiner Details meist nicht mehr möglich. Um ein schnelleres Erkennen von feuchtem Filament zu ermöglichen habe ich diesen  kleinen Guide zusammengestellt.

Hinweis

Vorweg möchte ich noch anmerken, dass leicht feuchtes Filament bei vielen Modellen und Düsendurchmessern keine großen Probleme verursachen und daher es nicht unbedingt relevant ist, wie trocken das Filament ist, speziell bei PLA gibt es hier eher wenig Probleme.  Mittlerweile sind viele Filamente am Markt, die mit Additiven versetzt sind damit diese auch bei schlecht Lagerung gut druckbar sind. Will man jedoch Funktionsteile drucken, dann ist es sehr wichtig gut getrocknetes Filament zu verwenden damit die Teile stabil sind und dies ist ausschließlich mit trockenem Filament gewehrleistet, speziell bei ABS, ASA, PC, Nylon, PVA und ähnlichen. Meiner Erfahrung nach kommt es nur zu Problemen, wenn die Luftfeuchtigkeit über einen längeren Zeitraum über 50% ist! Daher haben Klimaanlagenbesitzer definitiv einen Vorteil.

Bei einer Luftfeuchtigkeit  um 30-40% kann PLA und PETg bei Düsendurchmessern über 0,4mm meist problemlos verarbeitet werden, es führt jedoch zu vermehrtem Stringing und für feine Details ist ein starker Bauteillüfter notwendig.

Wer mit seinem Drucker sehr schnell drucken möchte sollte darauf achten die Filamente so trocken wie möglich zu halten und keine "easy to print" Filamente zu verwenden, denn diese sind dafür gemacht, dass sie auch mit einem gewissen Feuchtigkeitsanteil problemlos druckbar sind, was jedoch die Fließeigenschaften beeinträchtigt.

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So erkennt man feuchtes Filament

Klogging / Verstopfung:

Feuchtes Filament leitet wärme besser und dies kann dazu führen, dass das Filament oberhalb der Schmelzzone aufweicht und durch langsames Drucken der Cold-End-Lüfter den Bereich wieder abkühlt und dann bleibt das Filament in der Heat-Brake kleben. Diese Verstopfung wird als "Klogging" bezeichnet, und dies kann auch passieren, wenn die Cold-End-Kühlung nicht ausreichend funktioniert, denn durch den aufsteigenden Wasserdampf wird der Kühlkörper des Cold-Ends deutlich wärmer und benötigt so deutlich mehr Kühlleistung, die von einer unzureichenden Kühlung verhindert werden kann. In den meist Fällen verschiebt sich die Hot-Zone was auch durch eine schlechte Heat-Brake zurückzuführen ist, mehr dazu habe ich in diesem Artikel zusammengeschrieben Alles über Heat-Brakes {Artikel}.
Heutzutage sind die Heat-Brakes deutlich hochwertiger und auch die Kühlung des Cold-Ends ist meist sehr gut und daher gibt es das Problem eher sollten, aber es kann dennoch passieren, wenn der Kühler verstaubt, oder der Lüfter langsam an Leistung verliert, oder man einen Drucker mit geschlossenen Bauraum hat.

Warping &  Curling

Feuchtes Filament hat eine deutlich geringere Haftung auf der Druckplatte und so kann es selbst bei PLA zu Warping kommen. Bei ABS und PC kann dabei so stark zu Warping kommen, dass man den Druck nach wenigen Layern abbrechen muss.

Curling bezeichnet man die Ecken die sich anfangen aufzustellen. Dieses Problem kann bei PLA meist sehr stark mit extremer Bauteilkühlung vermieden werden, aber bei ABS zum Beispiel würde das zum verziehen des Bauteils führen und das Modell dadurch risse bekommen.

Ozzen / Tropfendes Filament & Rauch:

Da sich Wasser beim erwärmen ausdehnt drückt der Wasserdampf mehr Filament aus dem Hotend, was als Ozzen bezeichnet wird. Dies ist gut zu beobachten, wenn das Hotend warm ist, aber der Extruder gerade kein Filament fördert, so sieht man wie langsam immer mehr Filament aus der Düse quillt. Dies kann im Druck auch für vermehrtes Stringing verantwortlich sein. (Achtung, hat man zu wenig Retract kann dies auch eine Ursache von Stringing sein, mehr dazu im Artikel FDM Drucker richtig Kalibrieren {artikel}).

Wenn man nun langsam druckt, oder mit einem kleinen Düsendurchmesser, so kann es auch vorkommen, dass das Filament durch das Wasser im Hotend zähflüssig wird und kein Filament mehr weitergeführt werden kann. Dazu kann man mit einem dünnen Inbusschlüssel, oder metallstab im Durchmesser unter 2mm einfach anstelle des Filaments in das Hotend hineindrücken, um das zähflüssige Filament über die Düse wieder herauszubekommen. Anschließend kann man das Filament trocknen und normal weiterdrucken.

Am besten konnte ich diesen Effekt bisher mit Nylon (PA) beobachten, da dieser Kunststoff sehr hygroskopisch ist nimmt er selbst bei guter Lagerung sehr schnell Feuchtigkeit auf und man kann beim Extrudieren Rauchschwaden und poppende Geräusche beobachten, während das Filament sehr unregelmäßig aus der Düse kommt.

Bauraumtemperatur:

Durch den entweichenden Wasserdampf wird sehr viel Wärme in den Bauraum eines Druckers mit geschlossenem Bauraum gebracht, dass zu einer zu hohen Innentemperatur führt und das Cold-End oft nicht mehr richtig gekühlt werden kann, und es zu Klogging kommt, oder dass die Schrittmotoren überhitzen und Schritte verlieren.
Es ist auch zu anzumerken, dass höhere Temperaturen benötigt werden um den selben Filament-Flow zu gewährleisten.

Geruch:

Wer mit nassem Filament druckt, der kann dies an der deutlich stärkeren Geruchsentwicklung, vor allem bei ABS, HIPS, PC,.. erkennen, denn die meisten Filament-Sorten lassen sich trocken mit den richtigen Einstellungen (nicht zu heiß) fast geruchlos verarbeiten.

Optik:

Am Filament selbst kann man nicht erkennen, ob es trocken oder feucht ist, aber wenn man es durch die Düse drückt, so kann man bei sehr feuchtem Filament (vor allem bei PA oder Woodfill) den Wasserdampf aufsteigen sehen und in Extremfällen kommt das Filament sprudelnd heraus und sieht im abgekühlten zustand schwammartig aus.
Die Aufgenommene Feuchtigkeit wirkt sich auf den Durchmesser und das Gewicht des Filaments aus, sprich  es wird dicker und schwerer, durch schlechte Lagerung ist es meist ungleichmäßig feucht und daher variiert der Durchmesser stark.

Druckteil:

Beim Drucken wird das Filament nur schlecht auf der Druckplatte haften, vor allem bei ABS ist dieser Effekt sehr stark, wenn es feucht ist. Wenn man ganz langsam druckt oder div. Haftsprays verwendet kann es funktionieren, jedoch bleibt der Kunststoff sehr lange warm und Ecken stellen sich auf, wodurch überhänge fast nicht druckbar sind und bei ABS, PA, PC, HIPS kann es zu Warping & Curling (die Ecken stellen sich auf) kommen. Bei einem feuchten Filament wird das Wasser im Inneren des Filaments erhitzt und im Druckteil eingeschlossen, wodurch das Werkstück nur sehr langsam abkühlt, da das Wasser die Wärme speichert und so das Druckteil sehr lange gummiartig elastisch bleibt.

Mechanisch:

Gedruckte Teile aus feuchtem Filament weisen eine deutlich geringere Belastbarkeit auf und sind durch die schwammartige Struktur deutlich elastischerl. Da der Kunststoff langsamer abkühlt ist die LSchichthaftung meist sehr gut.

Ich empfehle jedem der Funktionsteile herstellen möchte vor allem bei ABS, PETg, PC und PA darauf zu achten, dass das Filament trocken verarbeitet wird.

 

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So verhindert man das feuchtwerden des Filaments

Bei der Lieferung

Die meisten Hersteller verpacken eine neue Spule Filament mit einem Beutel Silicagel (mehr Information zu Silica Gel weiter unten) zusammen in einem Luftdichten und meist Vakuumierten Beutel. Viele dieser Beutel haben einen Verschluss und so kann das Filament nach Gebrauch wieder luftdicht versschlossen werden. Der Beutel schützt das Filament nicht nur vor Feuchtigkeit sondern auch Staub, welcher durch elektrostatische Aufladung am Filament haftet und sich dann im Hotend absetzten kann und so zu Klogging führen kann.

  

Silicagel:

Silicagel sollte für jeden FDM 3D Drucker ein Begriff sein, denn es sind die kleinen Päckchen, die mit jeder Rolle Filament kommen. Diese haben die Eigenschaft Luftfeuchtigkeit aufzunehmen, oder Feuchtigkeit abzugeben, je nachdem, wie das Verhältniss von Silicagel zur Luft ist. Daher eignen sich diese Pellets ideal um Filament zu trocknen. Um das Filament bestmöglich zu trocknen kann man das Silicagel bei bis zu 150°C (ich empfehle maximal 100°C) im Backofen, oder in der Microwelle auf der geringsten Stufe für etwa 5 Minuten zu erwärmen. Lässt man die Pellets nur im Backrohr / Microwelle ohne die Beutel zu wenden, so ist der Trocknungseffekt nicht so stark,  bzw. dauert es deutlich länger, speziell wenn man viel gleichzeitig trocknen möchte, denn hier gilt, weniger ist mehr, sprich nicht zu viele Pellets, oder Päckchen übereinander stapeln, denn es trocknen nur die äußeren. Mehr dazu wie ich es genau nutze unter Backofen Update 2.

Bei den Silicagel-Beutel ist unbedingt darauf zu achten keine Farbindikatoren zu verwenden, da diese 1. zu spät anzeigen, wenn das Silikagel feucht ist, um wirklich trockenes Filament zu haben und 2. gesundheitlich eher bedenklich sind und wir atmen eh schon genug ungesunde Dämpfe beim Drucken ein. (mehr dazu im Post Gesund bleiben beim Drucken (noch in Arbeit))

Bei der Lagerung

Luftdichte Behälter schützen das Filament vor Luftfeuchtigkeit, wenn diese gelagert oder transportiert werden. Filamente sollten nicht zu warm oder kalt bzw. Sonnenstrahlen ausgesetzt werden.

In Beuteln

Beutel sind eine sehr günstige und einfache Art das Filament zu lagern. Hierzu gibt es kleine Beutel, die genau auf die Größe der Rolle angepasst sind, oder große Beutel, die eigentlich für Decken und Kleidung gemacht sind. Der einzige Nachteil dieser Beutel ist der, dass man sehr vorsichtig sein muss, damit man die Beutel nicht durchsticht, indem man den gefüllten Beutel an einen spitzen Gegenstand stoßt, oder das Filament so unglücklich einpackt, dass das Filamentende sich durch den Beutel Bohrt. Leider musste ich auch die Erfahrung machen, das der Verschluss mit der Zeit verschleißt und so sich der Beutel langsam wieder mit Luft füllt. Wenn der Beutel verschmutzt kann es auch dazu führen, dass er nicht mehr so dicht, abgesehen, dass so auch das Filament wiederum verschmutzen würde und dies wie schon beschrieben zu Klogging führen kann.

In Boxen

Boxen haben den Vorteil, dass man sie sehr gut stapeln kann und dass sie sich nicht abnutzen, wenn man diese oft öffnet und schließt. Leider verbrauchen sie etwas mehr Platz, spezielle wenn man kleine Rollen nutzt, aber ich empfehle sie dennoch, wenn man Filament häufig wechselt. 
Von PrintDry gibt es Vakuumierbare Behälter, die sehr dicht halten und diese kann ich wärmstens empfehlen.

Beim Drucken

Filamente wie PVA und PA nehmen die Feuchtigkeit aus der Luft so schnell auf, dass es während des Druckens zu Problemen kommen kann. Hierfür eignen sich sogenannte Trocknungsboxen, die beheizt sind, damit die Feuchtigkeit verdampft. Die preiswerten Boxen funktionieren durch zu geringe Leistung und den Fehlenden Lüfter, der die Luft gut umwälzt um eine gleichmäßige Trocknung zu gewährleisten. Bitte nicht falsch verstehen, ich möchte diese Geräte nicht schlecht machen, denn mir wurde schon berichtet, dass in sehr feuchten Räumen dank der günstigen Boxen wieder vernünftig druckbar wurde, also kann ich diese Boxen auf jeden Fall empfehlen, wenn man Probleme mit feuchtem Filament hat, denn es wird mit diesen Boxen auf jeden Fall besser werden, aber für diejenigen, die keine Probleme mit hoher Luftfeuchtigkeit haben, die werden durch diese Produkte fast keinen Unterschied feststellen können.

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Trocknen von Filamenten

Backofen + Silicagel:

Wer sein Filament im Backrohr trocknen möchte muss sich bewusst sein, dass Filamente giftige Stoffe absondern und diese können sich im Backrohr ablagern, also sollte man das Filament nicht in einem Backrohr trocknen, in dem auch Essen zubereitet wird. Weiter ist zu beachten, dass die meisten Backrohre keine exakte Regelung haben und so die Temperatur kurzfristig deutlich höher als eingestellt sein kann, speziell, wenn man das Backrohr aufheizt. So kann es schnell passieren, dass die Rolle Filament zusammenschmilzt. Speziell bei sehr feuchtem Filament fiel mir auf, dass dieses deutlich schneller dazu tendierte auf der Rolle zu verkleben, als schon trockeneres. Da das Backrohr sehr dicht ist kann man das Filament nur zu einem gewissen Punkt trocknen, außer man öffnet alle paar Minuten die Türe und lässt die feuchte Luft heraus. So kam ich auf die Idee zuerst die Silikagelbeutel bei etwa 90°C zu trocknen, so lange, bis sich diese nicht mehr feucht anfühlten, wenn ich diese angriff. Dann schalte ich das Rohr auf 55°C und warte bis es abgekühlt ist und gebe dann eine feuchte Rolle hinzu und lass diese für mindestens eine Stunde im Backrohr. Danach heize ich das Backrohr ohne Rolle wieder 90°C auf um das Silikagel wieder zu trocknen. Dann kann ich den nächsten Durchgang starten.

 

Fruitdryer

Diese sind eigentlich dazu gedacht um Essen (Früchte, Fleisch) zu trocknen, funktioniert aber auch bei Filament. Das Gerät besteht jedoch aus einer Heizspule und einem Ventilator, also technisch nichts besonderes und auch nichts anderes als ein Backrohr mit Umluft, also ist es das gleiche wie ein Backrohr, nur dass oben die heiße Luft mit dem Wasserdampf raus kann und das gerät meist nur 200-500W hat, also deutlich schwächer als ein Backrohr. Leider haben auch die Meisten eine relativ schlechte Temperaturregelung und man muss sehr viel Arbeit investieren, damit man das Gerät auch während des Druckens seine Rollen trocknen kann, daher kann ich diese Geräte nicht empfehlen.

Filardy

Hierbei handelt es sich technisch um die selben Komponenten wie in einem Fruit Dehydrier, aber ist deutlich hochwertiger und schon ideal vorbereitet um mit 2x 1Kg Filament Rollen, oder 1x 3Kg Filamentrollen zu fassen. Die Temperatur kann in 10°C schritten von 35°C-75°C einstellen, was für alle Filamente bestens geeignet ist. Meiner Erfahrung nach gab es nie Probleme, dass der Innenraum zu heiß wurde und das Filament lässt sich einfach trocknen, auch während des Druckens.

 

Vakuumtrocknung + Silicagel:

Wer in Physik aufgepasst hat, der erinnert sich, dass mit sinken des Drucks auch der Siedepunkt von Wasser sinkt und diesen Effekt kann man zum Vakuumtrocknen nutzen. Ich selbst habe keine solche Pumpe und kann dazu nicht mehr sagen, aber wer eine starke Pumpe hat, kann dies gerne verwenden, jedoch extra eine teure Vakuumpumpe zu kaufen zahlt sich meines Erachtens nicht aus, jedoch finde ich es eine gute Idee das Filament in einem Behälter mit Silicagel unter Vakuum zu lagern, denn so bleibt es auf jeden Fall länger trocken. 

Update: Weitere Recherchen haben ergeben, dass Nylon Carbonfilamente, PEEK und ähnlichen Hochtemperatur Filamente unter Vakuum und Erwärmen getrocknet werden, denn nur so kann man den Kunststoff komplett trocken zu bekommen.

Alternativen

Wer keine Luftdichte Dosen hat kann auf mehrere möglichst dichte Behälter und Plastiksäcke zurückgreifen. Je mehr Dosen man ineinander einschließt, desto länger dauert es, bis die Feuchtigkeit zum Filament vordringt.

Wer keines der oben genannten Behältnisse hat, kann auf das Backrohr zurückgreifen, dass auch sehr dicht ist und auch sehr trocken, wenn man nach dem Backen die Restwärme nutzt, um das Filament zu trocknen.

Luftfeuchtigkeit messen

Um die Luftfeuchtigkeit zu messen kann man ein Hygrometer verwenden, ich würde es jedoch nutzen um die Luftfeuchtigkeit des Raumes zu messen, denn die meisten Hygrometer zeigen unter 10% Luftfeuchtigkeit noch nichts an und ab diesem Wert wäre es gut das Filament bereits wieder zu trocknen (bzw. die Silicagelbeutel), wenn man maximale Resultate erhalten möchte.:

 

 

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Fazit:

Filament immer von Feuchtigkeit und Sonnenstrahlen (da nicht UV beständig) schützen. Ideal gelagert wird das Filament in einer Luftdichten Box gefüllt mit Silikagel. Gut getrocknetes Silikagel kann so sehr feuchtes Filament über mehrere Tage trocknen, aber um es wirklich trocken zu bekommen müsste man das Silikagel regelmäßig stark trocknen, was in einer Mikrowelle durchaus möglich wäre. Wenn man nun das Filament schneller trocknen möchte, ist es am einfachsten dieses in einem Rohr zu erwärmen. Dazu das Rohr einschalten und unbedingt trockenes Silikagel damit das Filament schnell trocknet und ein zusätzliches Temperaturmessgerät damit das Filament erst dazu gegeben wird, wenn sich die Temperatur im Backrohr auf die Ideale Temperatur für das Filament eingependelt hat. Das Rohr auf Umluft stellen und regelmäßig nachschauen, und prüfen ob das Rohr nicht zu warm wird. Nach 1-2 Stunden das Warme Silikagel mit Filament in eine Luftdichte Box geben. Beim abkühlen wird das gesamte verdampfende Wasser im Silikagel gespeichert und durch das Abkühlen entsteht ein leichter Unterdruck der den Prozess etwas beschleunigt. Alles über Nacht abkühlen lassen und am nächsten Tag das Silikagel wieder trocknen, bzw. das Filament verwenden und anschließend das getrocknete Silikagel wieder mit dem Filament in die Box zum Lagern verstauen.

Wer schnell feuchtes Filament trocknen und verarbeiten möchte kann dies mit einem Food Dryer bewerkstelligen, der das Filament direkt in den Drucker spießt, aber dazu sollte das Filament nicht zu feucht sein. Dies ist auch eine gute Möglichkeit bei stark wasserziehenden Filamenten wie Nylon (Polyamid) oder PVA sicherzustellen, dass diese bei längeren Drucken nicht feucht werden.

 

Quellen die meine Erfahrungen teilen

In diesen Videos werden meine Beobachtungen bestätigt und ich finde die Umsetzung der Videos gut gelungen!