Seit mittlerweile über vier Jahre ist es dank den Ultimaker Dual Extrusion Druckern möglich, ein Haupt-Druckmaterial zusammen mit einem wasserlöslichen Stützmaterial zu drucken. Während in der Anfangszeit noch Ultimaker PVA (Polyvinylalkohol) als alleinige Option für die Kombination mit wenigen Hauptmaterialien mit nicht allzu hoher Drucktemperatur zur Verfügung stand haben sich die Kombinationsmöglichkeiten mit Aquasys®120 deutlich vermehrt.

Wasserlösliche Stützmaterialien stellen aber einige strenge Anforderungen an den Umgang mit den Materialien und an die Wartung des verwendeten Druckers. Nicht selten werden diese leider zumindest teilweise vernachlässigt. Daher sehen sich viele Benutzer immer wieder mit Problemen konfrontiert, die man im Prinzip einfach hätte verhindern können. Dieser Artikel soll deshalb als Leitfaden für das Drucken mit wasserlösslichen Stützstrukturen dienen.

 

Der Beginn allen Übels: Feuchtigkeit

Man braucht weder Kunststofftechnologe noch Wissenschaftler zu sein um zu ahnen, dass ein Material, das sich in Wasser auflöst auch Wasser in Form von Feuchtigkeit aufnehmen kann. PVA und Aquasys®120 sind beide hygroskopisch, d.h. sie können Feuchtigkeit aus ihrer Umgebung aufnehmen. Das werden sie auch so lange tun bis sich ein Gleichgewicht zwischen der Feuchtigkeit im Material und in der Umgebung eingestellt hat. Gleichzeitig funktioniert der Einbau der Wassermoleküle aber sehr ähnlich wie bei einem Schwamm: einmal aufgenommen, wird das Wasser nicht mehr einfach wieder an die Umwelt abgegeben, auch wenn diese inzwischen trockener als das Material ist.

Aufloesungsprozess von Aquasys 120 in vier Schritten
Auflösungsprozess von Aquasys®120, von links nach rechts.

 

Für die Aufbewarung von wasserlöslichen Filamenten bedeutet das nun, dass sie stets trocken gelagert werden müssen. Haben Sie mal Feuchtigkeit aufgenommen, so nützt aber alles trocken lagern nichts mehr; dann sind drastischere Massnahmen nötig.

Bevor wir aber dazu kommen, wollen wir die idealen Lagerbedingungen für PVA & Co. anschauen. Ein Blick auf das beigelegte Empfehlungsblatt von Ultimaker PVA zeigt, dass die Feuchtigkeit der Lagerumgebung keinesfalls über 50% sein sollte. In Wahrheit ist aber auch dieser Wert noch deutlich zu hoch. Nach unseren eigenen Erfahrungen bleibt PVA nur in 35% oder weniger relativer Feuchtigkeit über Tage druckbar. Alles was darüber ist, setzt dem Filament zu.

Daher kann man es nicht genug oft sagen: Halten Sie Ihr wasserlösliches Stützmaterial trocken!

Wer sich schon mit der professionellen Extrusion von Kunststoff-Halbzeugen (dazu gehören z.B. auch Filamente) befasst hat, weiss, dass vor der Extrusion der Halbzeuge das Ausgangsmaterial immer zuerst rigoros getrocknet wird. Aber muss man jetzt PVA oder Aquasys®120 immer zuerst vor dem Drucken aktiv trocknen? Die Antwort ist: bei korrekter Lagerung nicht.

Für Gelegenheits-Drucker empfiehlt sich, das wasserlösliche Stütz-Filament immer gleich wieder vom Drucker zu nehmen, wenn es nicht benutzt wird. Packen Sie es in einen luftdichten, verschliessbaren Kunststoffbeutel oder eine luftdicht verschliessbare Kunststoffbox. In diesen Beutel oder diese Box legen Sie ebenfalls genügend aufnahmefähiges Trockenmittel. Was bedeutet nun aber genügend und was bedeutet aufnahmefähig?

Material in luftdichten Beutel packen
Beutel mit Trockenmittel ausstatten und verschliessen
Wasserlösliches Stützmaterial sollte immer trocken aufbewahrt werden; z.B. in einem luftdichten Beutel mit Trockenmittel.

 

Trockenmittel sättigt sich mit der Zeit genau gleich wie ein wasserlösliches Filament und kann irgendwann die Umgebungsluft nicht mehr trocken halten. Dann muss das Trockenmittel ausgetauscht oder falls möglich regenieriert werden. Doch wie merken Sie, wenn es soweit ist? Da gibt es zwei Möglichkeiten:

  • Variante 1: Sie verwenden Trockenmittel, das die Feuchtigkeitsaufnahme mittels Farbveränderung anzeigt. Silica Gel Orange ist ein solches Trockenmittel; es ist im trockenen Zustand orange und wird blau-grau wenn es mit Feuchtigkeit gesättigt ist.
  • Variante 2: Sie legen ein kleines Hygrometer mit in den genügend transparenten Beutel oder die genügend durchsichtige Box mit hinein. Solche kleine Digital-Hygrometer gibt es z.B. für wenige Franken beim Grossverteiler.

Aber was ist mit Druckjobs, die über mehrere Tage gehen und das eventuell noch im Sommer, wenn Gewitter z.T. für hohe Feuchtigkeit sorgen? Hier kann eine sogenannte Drybox wie die Polybox für Abhilfe sorgen. In der Polybox können zwei 1kg-Spulen nebeneinander auch während des Drucks gelagert werden. Schläuche verbinden die Ausgänge der Polybox mit dem Eingang der Feeder am Drucker. Die Polybox hat bereits ein integriertes Hygrometer, so dass die Aufnahmefähigkeit des auch hier verwendeten Trockenmittels immer überwacht werden kann. Der Nachteil einer solchen Drybox ist, dass Ultimaker PVA nicht mehr direkt auf dem Spulenhalter liegt und damit nicht mehr automatisch erkannt wird. Hier muss nun manuell PVA am Drucker ausgewählt und dementsprechend das generische PVA-Profil in Cura verwendet werden.

Für Benutzer des Ultimaker S5, welche ohnehin viel drucken und bei denen der Drucker praktisch 24 Stunden pro Tag läuft, empfehlen wir die S5 Material Station, welche bereits über eine integrierte Trocknungsvorrichtung verfügt. Diese basiert ebenfalls auf Trockenmittel, welches automatisch von Zeit zur Zeit wieder regeneriert wird.

Polybox von Vorne mit zwei Filamentspulen
Befuellte Ultimaker S5 Material Station
Feuchteschutz für wasserlösliches Support-Filament während des Drucks: Polybox Edition II von Polymaker (links) und S5 Material Station von Ultimaker (rechts).

 

Der zentrale Punkt bei allen oben genannten Varianten ist, das Filament trocken zu halten, da wasserlösliche Filamente, die einmal Feuchtigkeit aufgenommen haben, mit diesen Varianten nicht wieder von alleine trocknen können.

Doch wie merkt man, ob das Filament Feuchtigkeit aufgenommen hat? Dazu kann man eine fein abgestufte Skala definieren:

  • Der Idealzustand: Das Material wird glatt und ohne Artefakte gedruckt. Diesen Zustand erreicht man entweder mit ganz frischem Material, gerade regeneriertem Material (siehe unten) oder konsequent trocken gehaltenem Material.
  • Immer noch gut: Erste Krummen liegen auf der Druckplatte; das gedruckte Material wirkt etwas ausgefranst. Eine erste Aufnahme von Feuchtigkeit hat hier stattgefunden. Die Wahrscheinlichkeit einer Düsenverstopfung nimmt zu. PVA zeigt in diesem Stadium bereits einen Gelbstich.
  • Sehr grenzwertig: Es zeigen sich erste Löcher in der gedruckten Stützstruktur. Nun ist genügend Feuchtigkeit im Filament um jederzeit eine Verstopfung verursachen zu können. Ab hier muss gehandelt werden.
  • Zuviel Feuchtigkeit: Beim Laden des Filaments extrudiert das Material unter Blasenbildung und knistert sobald es extrudiert wird. Auf keinen Fall sollte jetzt noch damit gedruckt werden.
  • Unbrauchbar feucht: Das Filament ist weich bis schlabrig geworden. Es ist fraglich, ob dieses Material noch zu retten ist.

Doch nicht nur die Feuchtigkeit ist der Feind des wasserlöslichen Stützmaterials.

Druck mit PVA
Druck nach Entfernen des PVA
So regelmässig und weiss wie im linken Bild sollte PVA gedruckt werden - Beispiel für den Druck einer komplexen Geometrie mit wasserlöslichem Stützmaterial: "Gyro by Dodo" von Virtox via Ultimaker.

 

PVA, einmal gut durchkarbonisiert

PVA hat neben der Feuchtigkeitsempfindlichkeit eine weitere, sehr unangenehme Eigenschaft. Wie jedes Material hat auch PVA eine sogenannte Degenerationstemperatur. Das ist die Temperatur, ab der mit einer Verkohlung des Filaments zu rechnen ist, wenn das Material über eine gewisse Zeit dieser Temperatur ausgesetzt ist. Das Unangenehme im Fall von PVA ist nun, dass diese Degenerationstemperatur sehr nahe an der Drucktemperatur liegt. Mit anderen Worten bedeutet das, dass es nicht viel braucht damit das PVA verkohlt. Konkret reichen schon wenige Minuten Stillstand bei über 200°C um die Verkohlung in Gang zu setzen. Das kann man leicht anhand der schwarzen Kruste sehen, die sich nach einigen Ausdrucken auf der Aussenseite der Düse bildet.

Was sich viele Benutzer nicht bewusst sind: Der gleiche Effekt findet auch auf der Innenseite des Printcores statt. Daher hat der BB-Printcore eine andere Innengeometrie als der AA-Printcore. Die Geometrie des BB-Printcores ist sanft zum Düsenausgang hin verengend während die Düse des AA-Printcores eine Stufe hat, welche das Nachtropfen bei Nichtgebraucht reduziert. Diese Stufe produziert aber auch eine Staustelle in der konkaven Kante welche im Fall von PVA unweigerlich zur Verkohlung des Materials und zur Verstopfung des Printcores führen würde. Daher verweigern sowohl Cura wie auch der Drucker selbst ein Drucken von PVA in einem AA-Printcore.

Interne Geometrie von AA und BB Printcores
Interne Geometrie von AA und BB Printcores; Quelle: Ultimaker Forum.

 

Doch mit der Temperatur-Empfindlichkeit von trockenem PVA ist der Worst-Case noch nicht erreicht. Nimmt PVA Feuchtigkeit auf, so senkt sich die Degenerationstemperatur weiter ab und kommt im Bereich der Drucktemperatur oder sogar darunter zu liegen. Die Folge ist eine rasche Verstopfung des Printcores der übelsten Sorte; Verkohlungen sind mittels nicht-aggressiver Reinigungstechniken (siehe dazu auch unten) nicht immer einfach zu entfernen.

Das Perfide an schon kleinen Verkohlungen im Printcore ist, dass sie sich von der Wand, wo sie zumeist entstehen, lösen können und sich dann im Düsenbereich lange frei bewegen bevor sie sich entweder durch die Düsenöffnung aus der Düse entfernen oder aber, wenn sie gross genug sind, diese verstopfen. Das ist gut sichtbar, wenn man Filament von Hand durch einen teilverstopften Printcore durchstösst, z.B. während der Durchführung einer Printcore-Reinigung: Zuerst kommen ein paar braune bis schwarze, verkrustete Partikel raus, dann fliesst das Filament scheinbar wieder problemlos durch die Düse. Wer dann sicherheitshalber weiter Filament durchstösst, erlebt nicht selten eine Überraschung in Form einer erneuten Verstopfung oder eines wiederholten Extrudierens von verkohltem Filament.

Stückweise verkohltes PVA
Extrudiertes PVA mit stückweise verkohltem Material; Bild-Quelle: Ultimaker Forum.

 

Aquasys®120 hat keine solche starke Neigung zur Verkohlung da es für deutlich höhere Drucktemperaturen konzipiert ist. Es kann daher auch gut als unproblematischeres wasserlösliches Stützmaterial zusammen mit z.B. PLA verwendet werden.

 

Immer sauber halten: Printcore Cleaning

PVA, das verkohlt und eine Verstopfung im Printcore verursacht ist ein akutes Problem, das nach einer Reinigung des entsprechenden Printcores schreit. Weniger akut, aber trotzdem vorhanden sind kontinuierlich wachsende Ablagerungen von degeneriertem Material auf den Innenflächen des BB-Printcores. Auch diese können in einem fortgeschrittenen Stadium zum gleichen Effekt wie akut verkohltes PVA führen.

BB-Printcores sollten daher regelmässig mittels Printcore-Cleaning gereinigt werden (AA Printcores übrigens auch, aber hier ev. etwas weniger häufig). Als Richtgrösse sei eine Reinigung alle 200-400 Druckstunden empfohlen, je nachdem, ob zwischen zwei PVA-Drucken auch mal Active-Levelling-Vorgänge ohne Druck liegen. Dann wird nämlich die Restmenge an PVA, welche in der Düse des Printcores auch beim Entfernen des PVAs zurückbleibt, bei jedem Druckstart aufgeheizt, was die Verkohlung dieser Restmenge beschleunigt. Daher sollte ein BB-Printcore, wenn er für eine gewisse Zeit (eine Woche oder mehr) nicht aktiv benutzt wird, entweder aus dem Druckkopf entfernt und durch einen AA-Printcore ersetzt werden oder aber die Restmenge an PVA entfernt, was wiederum durch Extrusion eines anderen, nicht temperaturempfindlichen Materials oder durch ein geeignetes Printcore-Cleaning passieren kann.

Wie ist also im Fall eines regelmässig oder wegen akuter Verstopfung durchgeführten Printcore-Cleanings vorzugehen? Alle Dual-Extrusions Drucker von Ultimaker verfügen in der aktuellsten Firmware über einen Assistenten für das Printcore-Cleaning. Nebst dem zu reinigenden Printcore kann hier auch ausgewählt werden, ob die Reinigung mit PLA oder mit dem Ultimaker Cleaning Filament stattfinden soll. Grundsätzlich reinigen beide Filamente gut, beim Cleaning Filament muss der Reinigungsprozess aber weniger oft wiederholt werden, weil dieses Material effizienter ist. Wird PLA verwendet, so sollte transparentes oder helles Filament verwendet werden damit man die braunen bis schwarzen Ablagerungen darauf gut sieht und beurteilen kann, ob die Reinigung noch fortgesetzt werden muss oder nicht.

Stückweise verkohltes PVA
Printcore Cleaning mit Ultimaker Cleaning Filament.

 

Zunächst bietet der Assistent die Möglichkeit von sogenannten Hot Pulls, d.h. man führt das Filament ins heisse Hotend ein und zieht es gleich wieder raus. Dieser Vorgang nützt wenig bis gar nichts und diese Stufe des Assistenten sollte einzig dazu verwendet werden, den Printcore mit aufgeschmolzenem Filament zu füllen. Dazu sollte grosszügig Filament durchgestossen werden, so dass möglichst losgelöste Ablagerungen gleich hier schon das Hotend verlassen. Kommt es dabei zu einer Verstopfung (oder ist der Printcore generell verstopft), kann mit einer feinen Spitze wie einer Akupunkturnadel von unten her in die Verstopfung hineingestochen werden um so einen Kanal zu schaffen, in den anschliessend gleich von oben neu aufgeschmolzenes Filament eingefüllt wird (Filament von oben stossen und Spitze nach unten langsam rausziehen). Vorsicht! Dabei kann es passieren, dass plötzlich sehr flüssiges und heisses Filament die Düse verlässt - es besteht die Möglichkeit einer Verbrennung an den Händen. Beim CC 0.6 Printcore mit der Rubindüse sollte nach Möglichkeit keine spitze Nadel o.ä. verwendet werden, da dies den Rubin beschädigen kann.

Ist ein Kanal geschaffen bzw. lässt sich das aufgeschmolzene Filament durchstossen, so sollte nun die nächste Stufe des Assistenten angewählt werden: der Cold Pull. Dieser wird auf dem Ultimaker Forum in einigen Posts auch Atomic Pull oder Atomic method bezeichnet. Dazu lässt man nun das aufgeschmolzene Filament in Hotend erkalten und zieht es dann, mit Hilfe einer Zange, bei der richtigen Temperatur, d.h. wenn es gerade noch etwas weniger als die Konsistenz von Kaugummi hat, mit einem raschen Ruck nach oben heraus. Der Drucker sagt dem Benutzer bei diesem Prozedere, wie lange er noch Druck auf das Filament von oben geben und wann er ziehen muss.

Anschliessend wird die herausgezogene Filament-Spitze, die nun exakt die Innengeometrie der Düse und des Heizblocks abbilden muss - hat sie nicht diese Form, ist der Cold Pull fehlgeschlagen - auf sichtbare Ablagerungen untersucht. Sind solche vorhanden, so hatte der Cold Pull eine reinigende Wirkung, sollte aber wiederholt werden. Erst wenn keine braunen oder schwarzen Ablagerungen auf dem herausgezogenen Filament mehr sichtbar sind, sollte der Assistent beendet werden.

Cold Pull Spitze mit verkohltem Material
Saubere Filamentspitze nach Cold Pull
So sollte das herausgezogene Filament nach einem Cold Pull aussehen: bei weiter zu reinigendem Printcore (links; von einem BB Printcore) und nach perfekter Reinigung (rechts; von einem AA Printcore).

 

Sollte die Reinigung wegen eines verstopften Printcores stattfinden, so sollte unbedingt auch das Feeder-Gehäuse geöffnet und allfälliger Filamentabrieb (passiert v.a. beim Ultimaker 3, viel weniger bei der S-Line wegen des Filament-Sensors) mit einem PInsel aus dem ganzen Feeder-Gehäuse, insbesondere aber von der gerändelten Vortriebswelle, entfernt werden. Beim Wieder-Zusammenbau des Feeder-Gehäuses sollte genau auf den korrekten Zusammenbau geachtet werden, speziell darauf, dass sich der Schraubenkopf der Einstellschraube innerhalb des Gehäuses befindet, da sonst das Filament nicht transportiert wird.

 

Knack - die Brüchigkeit

Spröde, spröder, wasserlösliches Stützmaterial - so etwa könnte man die Flexibilität von wasserlöslichem Stützmaterial zusammenfassen. Sowohl Aquasys®120 wie auch Ultimaker PVA sind sehr brüchige Materialien. Sind sie es nicht mehr, so haben Sie Feuchtigkeit aufgenommen (siehe oben).

Diese Brüchigkeit macht den Umgang mit wasserlöslichen Stützmaterialien zeitweise sehr mühsam. Filamentenden sauber zuschneiden, z.B. bei Verwendung in der Ultimaker S5 Material Station, ist manchmal eher ein kontrolliertes zurechtbrechen und das Geradebiegen für den Durchgang durch einen S-Line Feeder wird zur Geduldsprobe. Hier hilft nur, das Filament ganz langsam und sachte zu biegen, ja nicht zu schnell. Doch manchmal hilft auch das nicht und der Feeder bricht das Filament noch während des Ladevorgangs. Bei einem Standalone S5 oder einem S3 kommt das v.a. gegen Ende einer Spule vor, wenn das Filament eine hohe Krümmung hat und nun auf wenigen Millimetern in eine gerade Bahn gezwungen wird. Hier kann ein Stück Bowdenschlauch, so etwa 5 cm lang, das unten an den Feedereingang montiert wird, Abhilfe schaffen. Den Feedereingang kann man nämlich mit den gleichen Clips ausrüsten wie sie oben den Bowden-Schlauch festhalten. Durch dieses Stück Schlauch wird das Filament sanfter an die Vortriebswelle herangeführt und es kommt weniger zum Bruch.

Die Ursache für ein extensives Brechen liegt an Spannungen, die sich in diesen harten Filamenten durch die Dehnung in eine andere Biegung aufbauen können. Im vordersten halben bis ganzen Meter sind diese nicht selten so gross, dass man am besten dieses Stück einfach abschneidet und wegwirft, wenn das Filament eine gewisse Zeit nicht mehr verwendet wurde. Beim S5 Pro Bundle werden deshalb sowohl Aquasys®120 wie auch PVA während 50 Stunden im Drucker geladen behalten, um ein Überfahren solcher Stellen mit hoher Spannung durch den Feeder zu vermeiden. Bricht ein solches Material trotzdem einmal in einem Pro Bundle, so gilt es, das Filament durch die Material Station nach hinten hinaus zu entfernen, da sich sonst Bruchstücke im schlimmsten Fall in der Material Station verkeilen könnten.

 

Entspannung pur: Annealing

Steht PVA unter Spannung oder hat deutlich Feuchtigkeit aufgenommen, so sollte es ein spezifisches Wellness-Programm durchlaufen. Konkret wird es mehrere Stunden bei idealerweise 55°C ausgeheizt. Empfohlen dabei ist, das Filament in einer Vorrichtung auszuheizen, welche weniger als ein Grad Temperaturschwankungen aufweist. Dazu gehören etwa Temperaturkammern, Industrie-Öfen, Dörrgeräte für Früchte aber auch der (indirekt) beheizte Bauraum eines 3D-Druckers.

Die 55°C sollten insbesondere beim Ultimaker PVA nicht überschritten werden da es sonst zur Verformung der Filament-Spule kommt, welche auch Polypropylen gefertigt ist. Dann passt diese nicht mehr auf den Spulenhalter bzw. ins Fach der Material Station. Daher kommt ein normaler Haushalt-Backofen nicht für das Annealing in Frage; diese Geräte haben die Tendenz, die eingestellte Temperatur um bis zu 20 Grad zu überschreiten.

Im Fall des Ausheizens auf dem Druckbett des 3D-Druckers sollte eine Kartonbox über die Spule gestülpt werden um ein abgeschlossenes Luftvolumen herzustellen. Keinesfalls sollte die Spule im Plastikbeutel sein; dieser ist ja dampfdicht und daher ungeeignet.

Die Länge des Ausheizens hängt stark vom Ziel ab. Ein einfaches Entspannen des Filaments nach dem Verbiegen passiert schon innert weniger Stunden Ausheizens. Für das komplette Entfeuchten eines Filaments mit leichter bis mittlerer Feuchtigkeitsaufnahme kann das Ausheizen bis zu 36 Stunden dauern; nach 6 Stunden ist aber schon ein erster Effekt spürbar.

 

Fazit

Das Drucken mit wasserlöslichem Stützmaterial ist sicher anspruchsvoller als mit anderen Druckmaterialien wie etwa PLA. Es gilt, konsequent den richtigen Umgang mit diesem Filament zu beachten damit die Druckergebnisse gut sind und bleiben. Wird dies aber eingehalten so ermöglichen PVA und Aquasys®120 den Druck beliebiger Formen bei exzellenter Druckqualität.

Ultimaker 3 druckt PLA und PVA
Mit den Tipps hier steht dem erfolgreichen Druck von PVA nichts mehr im Weg.

 

Haben Sie weitere Tipps oder Beobachtungen mit wasserlöslichen Stützmaterialien welche Sie hier teilen möchten? Dann hinterlassen Sie doch unten einen Kommentar.