Was ist Tempern (Annealing): Verbessern Sie Ihre 3D-Drucke
Jeder, der sich praktisch mit dem 3D-Druck beschäftigt, hat wahrscheinlich schon den Bedarf bemerkt, seine 3D-Drucke zu optimieren und ihre mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Das kann durch Experimente mit eher industriellen Materialien oder durch Anpassen der Druckeinstellungen geschehen. Diese Möglichkeiten 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 Industriematerialien zu bezahlen oder stundenlang Einstellungen anzupassen. Und wir sagen Ihnen: Die gibt es, und sie heißt Tempern (Annealing).
Verständnis des Glühens
Definition des Glühens im Kontext des 3D-Drucks
Das Konzept des Temperns stammt aus der Metallurgie, wo es sich als nützliche Methode zur Verbesserung von Duktilität und Festigkeit von Stahl etabliert hat. Beim Tempern werden Temperatur und Abkühlrate präzise gesteuert, um die Gesamtleistung des Objekts zu optimieren.
Ähnlich kann das Tempern im 3D-Druck die mechanischen Eigenschaften erheblich verbessern. Es ist ein Verfahren, bei dem das Objekt erhitzt und anschließend in einer kontrollierten Umgebung abgekühlt wird. Dieser Ansatz reduziert innere Spannungen im Material und sorgt für ein stabileres, 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
Bei richtigem Tempern zeigen 3D-gedruckte Teile minimalen Schrumpf oder Warping und erreichen deutlich verbesserte mechanische Eigenschaften. Temperprozesse können Biegefestigkeit und Steifigkeit erhöhen und die Teile dadurch sehr widerstandsfähig gegen mechanische Belastung und Stöße machen. So hat beispielsweise die Universität Groningen Carbon-Fiber-PET-Filament bei 120°C getempert, was zu einer Steigerung der Biegefestigkeit um 18,5% führte. Außerdem verbessert das Tempern die Beständigkeit der Materialien gegenüber Hitze oberhalb ihrer Glasübergangstemperatur (TG), wodurch sie stärker und langlebiger werden.
Erhöhte Hitzebeständigkeit und Stabilität
Wissenschaftler der Fachzeitschrift Polymers testeten reine ABS-Proben durch Tempern bei Temperaturen von 105°C bis 175°C, um die Zugfestigkeit zu verbessern: Bei den optimalen Temperbedingungen von 105°C über bis zu 4 Stunden lag die Zugfestigkeit etwa 6,31% über der unbehandelter Proben. Zusätzlich hilft das Tempern, die Formveränderung gedruckter Teile zu verringern, was zu größerer 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 Wahl der richtigen Tempertemperatur ist entscheidend für optimale Ergebnisse. Ziel ist es, die Glasübergangstemperatur zu erreichen, bei der sich die Molekularstruktur des Kunststoffs neu anordnet, ohne den Schmelzpunkt zu erreichen. Verschiedene Materialien haben unterschiedliche Glasübergangstemperaturen, und die richtige Balance zu finden ist unerlässlich. Höhere Temperaturen fördern eine größere Festigkeit, können bei Überschreitung jedoch zu Warping und Verformung führen. Es ist wichtig, Experimente durchzuführen, um den idealen Temperaturbereich für jedes Material zu ermitteln und die Temperzeit entsprechend anzupassen.
Laut Prusa Research haben amorphe Polymere wie PLA einen großen Temperaturbereich (PLA 65 bis 170 °C) zwischen dem Beginn des Glasübergangs und dem Schmelzpunkt. Je höher die Temperatur, desto stärker verschmelzen die Schichten, wodurch das Material fester wird. Noch höhere Temperaturen führen jedoch dazu, dass das Material schrumpft, sich verdreht und schließlich weich wird, sodass es auseinanderfällt. Um die besten Ergebnisse zu erzielen, finden Sie also die richtige Balance zwischen möglichst hoher Steifigkeit des Objekts und dem Erhalt der richtigen Größe und Form. Die geeignete Temperzeit hängt von Größe und Form des Materials ab. In dem erwähnten Artikel sehen Sie, dass die Testproben 30 Minuten lang in einem Elektroofen erhitzt wurden.
Quelle: Prusa Research
Tipps zur Minimierung von Verzerrungen und Maßänderungen
Mehrere Techniken helfen, Verzug und Maßänderungen beim Tempern zu verringern. Stellen Sie zunächst sicher, dass der Druck gleichmäßig erhitzt wird, um eine ungleichmäßige Ausdehnung und Risse zu vermeiden. Für gleichbleibende Ergebnisse wird ein Heißluftofen mit präziser Temperaturregelung empfohlen. Außerdem kann die Wahl von Materialien mit einem großen Abstand zwischen Glasübergangstemperatur und Schmelzpunkt helfen, Verzugsprobleme zu verringern. Eine sorgfältige Überwachung des Temperprozesses und die bedarfsgerechte Anpassung der Parameter können die Ergebnisse deutlich verbessern. Schließlich kann das Durchführen von Kalibrierungen und Anpassungen nach dem Tempern, etwa das Hochskalieren von Drucken zum Ausgleich der Schrumpfung, helfen, die Maßhaltigkeit zu bewahren.
Wenn Sie diese Empfehlungen befolgen und bewährte Verfahren umsetzen, können Sie die Kraft des Temperns nutzen, um die Effizienz Ihrer Drucke zu steigern. Durch kontrollierte Heiz- und Kühlzyklen lassen sich Festigkeit, Haltbarkeit und Hitzebeständigkeit der gedruckten Materialien erhöhen. Ob Sie komplexe funktionale Teile erstellen oder die Leistung eines Prototyps verbessern möchten: Das Tempern ist als Nachbearbeitungsschritt nach Ihren 3D-Drucken in jedem Fall eine Überlegung wert.
PLA Prime tempern
Das Tempern von Drucken aus PLA Prime kann ihre Wärmebeständigkeit und strukturelle Integrität verbessern. Dabei müssen Sie jedoch darauf achten, Verzug und Verformungen zu vermeiden. Die folgenden allgemeinen Hinweise gelten für PLA-Materialien, insbesondere für Teile mit 100 % Infill:
Temperatur
Temperatureinstellung: Für PLA Prime wird eine Temperatur von etwa 120 °C empfohlen.
Dauer
Behandlungsdauer: Je nach Größe und Wandstärke des Objekts dauert das Tempern zwischen 30 Minuten und einer Stunde. Bei 100 % Infill kann mehr Zeit erforderlich sein, damit die Wärme vollständig in das Bauteil eindringt und sich das PLA im gesamten Objekt umordnen kann. Zudem gewährleisten Druckteile mit 100 % Infill eine minimale Schrumpfung.
Vorgehen
Ofen vorheizen: Stellen Sie sicher, dass der Ofen auf 120 °C vorgeheizt ist. Ein Ofenthermometer hilft, die tatsächliche Temperatur zu kontrollieren, da sie von der eingestellten Temperatur abweichen kann.
Wir empfehlen, zum Tempern von Materialien keinen Ofen zu verwenden, der weiterhin zur Zubereitung von Lebensmitteln genutzt wird.
Objekt vorbereiten: Legen Sie das PLA-Prime-Objekt auf ein mit Backpapier oder einer Silikonmatte ausgelegtes Blech, damit es nicht anhaftet. Manche Anwender legen das Objekt auf ein Sandbett oder stützen es mit Aluminiumfolie, um die Gefahr von Verzug zu verringern.
Zeit im Ofen: Stellen Sie das Objekt in den Ofen und beobachten Sie den Vorgang genau. Beginnen Sie mit einer kürzeren Dauer, beispielsweise 30 Minuten, insbesondere bei kleineren oder dünnwandigen Objekten.
Abkühlen: Lassen Sie das Objekt nach dem Tempern langsam abkühlen, um Temperaturschocks und Verzug zu vermeiden. Sie können den Ofen ausschalten und die Tür einen Spalt öffnen, damit das Bauteil zusammen mit dem Ofen allmählich abkühlt. Wenn Sie Zeit haben, erzielen Sie die besten Ergebnisse, indem Sie den Ofen beim Abkühlen vollständig geschlossen lassen.
Tipps
Testen: Testen Sie das Tempern nach Möglichkeit zunächst an einem weniger dichten Muster oder Teilstück. So können Sie geeignete Temperatur- und Zeiteinstellungen für Ihren Ofen und Ihr Objekt ermitteln, ohne ein größeres oder teureres Projekt zu gefährden.
Belüftung: Sorgen Sie für eine gute Belüftung des Arbeitsbereichs, da beim Erhitzen von PLA Dämpfe freigesetzt werden können.
Maßänderungen einplanen: Durch die Wärmebehandlung können PLA-Objekte etwas schrumpfen oder sich verziehen. Berücksichtigen Sie dies bei Präzisionsteilen oder überall dort, wo genaue Abmessungen entscheidend sind.
Die Ergebnisse des Temperns können je nach Bauteilgeometrie und Eigenschaften des Ofens stark variieren. Kontrollierte Versuche sind entscheidend, um das optimale Verfahren für Ihre Anwendung 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.
