Chemische Nachbehandlung

Eingangsinformationen

• Optimierte Druckparameter

Ausgangsinformationen

• Materialabhängige Empfehlung chemischer Nachbehandlungsmethoden
• Ergebnisse der Erprobung diverser Methoden

Der zweite Teil der Nachbearbeitungsmethoden behandelt mögliche chemische Verfahren, mittels welcher die Oberflächenbeschaffenheit von Bauteilen verbessert wird. Ziel dieses Arbeitspaketes ist das Identifizieren von geeigneten Stoffen und Methoden, deren Auswirkung auf die Optik unterschiedlicher Materialien zu bewerten und die daraus resultierende Maßhaltigkeit zu dokumentieren. Weiter ist der Gewinn eines fundierten Verständnisses, auf welche Weise sich die unterschiedlichen chemischen Nachbehandlungen auf die Qualität der gedruckten Teile auswirken, zu untersuchen. Der Beginn der Bearbeitung dieser Untersuchung besteht darin, eine umfassende Recherche möglicher Chemikalien durchzuführen, wie diese auf das Bauteil aufzutragen sind und welche Sicherheitsaspekte dabei zu beachten sind. Anschließend an die Recherche werden drei technisch mögliche Methoden im Praxistest erprobt. Ziel hierbei ist es, die ausgewählten Methoden an repräsentativen 3D-gedruckten Bauteilen unterschiedlichen Materialtyps anzuwenden. So können die Eignung und Effektivität in Bezug auf die Verbesserung der Optik der Oberfläche bewertet werden. Weiterhin ist auch die Maßhaltigkeit zu betrachten.

Chemische Nachbearbeitungsmethoden von FDM-3D-gedruckten Teilen - Recherche

Das chemische Glätten ist eine verbreitete Nachbearbeitungstechnik für 3D-gedruckte Teile, die mit dem Fused Deposition Modeling (FDM) Verfahren hergestellt wurden. Ziel dieses Prozesses ist es, die Oberflächenqualität der Teile zu verbessern, indem sichtbare Schichtlinien minimiert und die Haptik sowie die optische Erscheinung optimiert werden. Durch den Einsatz spezifischer Lösungsmittel können die äußeren Schichten des Materials gezielt angelöst werden, was vermutlich zu einer glatten, glänzenden Oberfläche führt. Dieser Ansatz eignet sich insbesondere für Anwendungen, bei denen Ästhetik und Funktionalität gefragt sind [171]. Die Methode wird in verschiedenen Branchen eingesetzt, von der Herstellung ästhetisch ansprechender Prototypen bis hin zu funktionalen Teilen, die eine verbesserte Leistung erfordern. Trotz der Vorteile birgt das chemische Glätten Risiken, darunter die potenzielle Schwächung der Materialstruktur oder die Freisetzung gesundheitsschädlicher Dämpfe, weshalb die Wahl der geeigneten Chemikalien und die genaue Analyse ihrer Wirkung auf unterschiedliche Materialien von entscheidender Bedeutung sind [172][173].

Wahl der Chemikalien

Für dieses Experiment wurden drei Chemikalien ausgewählt: Aceton, Dichlormethan (DCM) und Tetrahydrofuran (THF). Diese Stoffe wurden aufgrund ihrer unterschiedlichen chemischen Eigenschaften und ihrer potenziellen Wirkung auf die getesteten Materialien ausgewählt, nämlich PETG, PLA und GreenTEC Pro. Die Auswahl der Chemikalien basiert auf ihrer Verfügbarkeit, ihrem bekannten Einsatz in ähnlichen Prozessen und ihrer chemischen Interaktion mit polymeren Materialien [174][175].

Aceton	Aceton ist dafür bekannt, mit bestimmten Polymeren wie ABS zu reagieren, jedoch ist seine Wirkung auf die untersuchten Materialien begrenzt. Für die Versuchsreihe wurde Aceton aufgrund seiner guten Verfügbarkeit und seines vergleichsweise geringen Gefahrenpotentials ausgewählt. Es wird angenommen, dass Aceton PLA in geringem Umfang angreift, während PETG und GreenTEC Pro weitgehend beständig bleiben. Aus Sicherheitsgründen ist zu beachten: Aceton weist eine moderate Toxizität auf, ist entzündlich und kann bei Einatmen oder Hautkontakt Irritationen sowie Schwindel verursachen. Zur Sicherheit sollte in gut belüfteten Räumen oder unter einer Abzugshaube gearbeitet werden, während chemikalienbeständige Handschuhe und eine Schutzbrille getragen werden. Offene Flammen sollten vermieden werden [172][177].	Sicherheitsdatenblatt
Dichlormethan (DCM)	DCM ist ein leistungsfähiges Lösungsmittel, das die Oberflächen von PETG und PLA wirksam anlösen kann. Aufgrund seiner chemischen Beständigkeit wird jedoch erwartet, dass GreenTEC Pro nur geringfügig auf DCM reagiert. Für die Versuchsreihe wurde DCM gewählt, da es frei erhältlich ist und vom Filamenthersteller "Extrudr" als geeignetes Lösungsmittel für PETG empfohlen wird. Aus Sicherheitsgründen ist zu beachten: Die Toxizität von DCM ist moderat bis hoch, da es krebserregend und stark toxisch ist. Es kann bei Inhalation Schwindel, Kopfschmerzen und Atemwegsreizungen verursachen. Arbeiten mit DCM sollten nur unter einer Abzugshaube durchgeführt werden, und es sind vollständige persönliche Schutzausrüstungen (PSA) erforderlich, einschließlich chemikalienbeständiger Handschuhe, Schutzbrille und Atemschutzmaske (Filter für organische Dämpfe) [171][173].	Sicherheitsdatenblatt
Tetrahydrofuran (THF)	THF ist ein effektives Lösungsmittel, das PETG, PLA und GreenTEC Pro deutlich anlösen kann. Es wird eine ausgeprägte Oberflächenreaktion erwartet. Für die Versuchsreihe wurde THF aufgrund seiner freien Verfügbarkeit sowie der Empfehlung des Filamentherstellers "Extrudr" als geeignetes Lösungsmittel für GreenTEC Pro ausgewählt. Aus Sicherheitsgründen ist zu beachten: THF ist hoch toxisch, entzündlich und kann das zentrale Nervensystem (ZNS) schädigen. Längere Exposition kann zu neurologischen Symptomen führen. Arbeiten mit THF erfordern eine Abzugshaube sowie vollständige persönliche Schutzausrüstung (PSA), einschließlich chemikalienbeständiger Handschuhe, Schutzbrille und Atemschutzmaske für organische Dämpfe [174][175].	Sicherheitsdatenblatt

Industriestandard Vapor-Smoothing

In der industriellen Fertigung wird das Verfahren des Vapor-Smoothings angewendet, um die Oberflächenqualität von 3D-gedruckten Kunststoffbauteilen zu optimieren. Dieses Nachbearbeitungsverfahren dient insbesondere dazu, die für das Fused Deposition Modeling (FDM) charakteristischen Schichtlinien (Layerlines) zu reduzieren, um eine glattere, optisch ansprechendere Oberfläche zu erzielen.
Das Verfahren erfolgt in einem hermetisch abgeschlossenen Behälter, dessen Volumen im Vergleich zum Bauteil signifikant größer ist. Innerhalb dieses Behälters wird ein geeignetes Lösungsmittel verdampft, dessen Dampf das Kunststoffbauteil einen gewissen Zeitraum ausgesetzt ist. Die Expositionsdauer hängt von mehreren Parametern ab, darunter das verwendete Material, die geometrische Größe des Bauteils sowie die spezifischen Eigenschaften des Lösungsmittels. Ein entscheidender Aspekt des Prozesses ist, dass das Bauteil ausschließlich mit dem verdampften Lösungsmittel in Kontakt kommt und nicht mit der flüssigen Phase. Ein direkter Kontakt mit der Flüssigkeit könnte zu unkontrollierten Materialverformungen oder ungleichmäßigen Oberflächenstrukturen führen. Der Lösungsmitteldampf bewirkt eine leichte Auflösung der obersten Kunststoffschichten, wodurch sich Oberflächenunregelmäßigkeiten verringern. Nach dem Entfernen des Bauteils aus der Dampfkammer verdampfen die Lösungsmittelreste, sodass eine homogene, glatte und oftmals glänzende Oberfläche zurückbleibt.
Eine genaue Kontrolle der Prozessparameter wie Temperatur, Druck und Expositionsdauer ist essenziell, um eine gleichmäßige Oberflächenbehandlung sicherzustellen. Zudem können unterschiedliche Kunststoffe variierende Wechselwirkungen mit spezifischen Lösungsmitteln aufweisen, was bei der Wahl der chemischen Substanz zu berücksichtigen ist.

Vorgehensweise der Versuchsdurchführung

Da im Rahmen dieser Untersuchung eine experimentelle Umsetzung des Vapor-Smoothings aufgrund zeitlicher Einschränkungen sowie fehlender technischer Ausrüstung nicht möglich ist, wird der Effekt alternativer Benetzungsmethoden analysiert. Ziel ist es, Verfahren zu identifizieren, die mit vergleichsweise einfachen Mitteln eine Verbesserung der Oberflächenqualität bewirken können.

Es wurden drei alternative Methoden getestet:

• Aufbringen eines feinen Sprühnebels mittels einer Pumpflasche
• Auftragen des Lösungsmittels mit einem Pinsel
• Direktes Eintauchen des Bauteils in das Lösungsmittel

Als Testobjekt ist ein Würfel mit den Abmessungen 20 x 20 x 20 mm definiert. Die Druckparameter sind auf eine Schichthöhe von 0,2 mm und einer Infill-Dichte von 25 % festgelegt. Jeder Würfel wird in fünffacher Ausführung hergestellt. Vor Beginn der Versuchsreihe wird jedes Bauteil mit einer individuellen Kennung versehen, indem eine Nummer mithilfe eines Stempeleisens in die Unterseite geprägt wird. Anschließend werden die geometrischen Grundmaße der Würfel vermessen und in eine eigens dafür erstellte Excel-Tabelle eingetragen.

Das Besprühen mit Lösungsmittelnebel durch eine Pumpflasche wird als Hauptmethode für die Untersuchung gewählt, da es dem Prinzip des Vapor-Smoothings am ähnlichsten ist. Hierbei wird jeweils ein Würfel aus jedem Material mit jedem der gewählten Lösungsmittel besprüht, um die chemischen Wechselwirkungen zu evaluieren. Jedes Material wird somit einmal mit jedem getesteten Lösungsmittel behandelt. Ziel war es, mögliche unerwünschte Effekte wie Rissbildung, übermäßige Materialauflösung oder Verfärbungen frühzeitig zu identifizieren. Darüber hinaus wird für Vergleichszwecke jeweils ein Würfel pro Material sowohl mit einem Pinsel bestrichen als auch vollständig in das Lösungsmittel eingetaucht. Wichtig ist hierbei, dass für jedes Material das jeweilige empfohlene Lösungsmittel verwendet wird, um bestmögliche Ergebnisse zu erzielen. Nach der Behandlung werden die Bauteile in einer kontrollierten Umgebung gelagert, bis das Lösungsmittel vollständig verdunstet ist.

Sicherheitsvorkehrungen

Zur Sicherstellung der körperlichen Unversehrtheit während der Versuchsreihe ist eine Einsichtnahme in die Sicherheitsdatenblätter der verwendeten Chemikalien obligatorisch. Bereits bei der Auswahl der Lösungsmittel wurde darauf geachtet, ausschließlich frei erhältliche Substanzen mit mäßigem Gefahrenpotenzial zu verwenden. Dennoch müssen grundlegende Schutzmaßnahmen beachtet werden. Alle Versuche, bei denen Lösungsmittel verwendet werden, sind unter einer geeigneten Abzugsanlage durchzuführen, um eine Exposition gegenüber Dämpfen zu vermeiden. Während der Handhabung der Chemikalien sind das Tragen von Schutzbrillen sowie Einweghandschuhen erforderlich, um Haut- und Augenkontakt zu vermeiden.

Vor Beginn der Versuchsreihe ist eine umfassende Einweisung in die im Labor vorhandenen Sicherheitseinrichtungen durchzuführen. Dies beinhaltet insbesondere die Lokalisierung und korrekte Anwendung der Augendusche, um im Falle eines Unfalls eine schnelle Reaktion gewährleisten zu können.

Ergebnis

Bereits zu Beginn der Versuchsdurchführung wurde deutlich, dass die optischen Resultate des Besprühens der Würfel nicht den Erwartungen entsprachen. Insbesondere das violette PLA und GreenTEC Pro, beide PLA-basierte Kunststoffe, zeigten eine starke Reaktion auf die dünne Acetonschicht, was zu einer sichtbaren weißlichen Verfärbung führte. Im Gegensatz dazu hinterließen die Sprühnebel von THF und DCM kaum sichtbare Spuren, da diese Lösungsmittel aufgrund ihres niedrigen Siedepunkts sehr schnell verdunsteten. Dies erschwerte eine längere Exposition der Würfel gegenüber den Lösungsmitteln. Das beste Ergebnis in dieser Testreihe zeigte der blaue PETG-Würfel, welcher mit THF besprüht wurde.

Das Bepinseln der Würfel führte zu einer dickeren Lösungsmittelschicht, wodurch die Reaktionszeit verlängert wurde. Dies zeigte sich insbesondere beim PLA-Würfel, der mit Aceton behandelt wurde. Der mit THF bepinselte PETG-Würfel wies eine leichte Glättung auf, jedoch verschmolzen mehrere Würfel an der Kontaktstelle mit der Unterlage, wodurch ihre Unterseite optisch unbrauchbar wurde.

Das Eintauchen der Würfel in Lösungsmittel führte zu den drastischsten Veränderungen der Oberflächenstruktur. Alle drei getesteten Materialien zeigten signifikante Veränderungen, jedoch waren die Ergebnisse in sämtlichen Fällen optisch unzureichend oder wiesen starke Schäden durch das Lösungsmittel auf.

Das optische Ergebnis jedes Würfels ist hier zu finden: (download)

Fazit

Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen ist festzustellen, dass die getesteten alternativen Benetzungsmethoden keine effektive Alternative zum Vapor-Smoothing darstellen. Sie erwiesen sich als ineffizient, inkonsistent und optisch unbefriedigend. Folglich bleibt der Einsatz des etablierten Vapor-Smoothing-Verfahrens erforderlich, um eine hochwertige chemische Oberflächenveredelung zu erzielen.

Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, entweder in die erforderliche Ausrüstung für das Vapor-Smoothing zu investieren oder einen externen Dienstleister mit der Durchführung dieses Verfahrens zu beauftragen. Angesichts der technischen Komplexität des Prozesses erscheint Letzteres als empfehlenswerte Option, da hierbei sämtliche Risiken und Herausforderungen durch einen spezialisierten Anbieter getragen werden.