Wie man wasserdichte 3D-Drucke erzielt

Was bedeutet wasserdicht?

Ein 3D-Druck gilt als wasserdicht, wenn er Wasser halten kann, ohne dass es durch seine Wände, Nähte oder Mikrospalten dringt . Im technischen Sinne verhindert ein wasserdichtes Bauteil, dass Flüssigkeit durch Schichtgrenzen, umlaufende Spalten, mikroskopische Poren, die Materialmikrostruktur und Montagefugen dringt.

• Wasserdichtigkeit ist nicht dasselbe wie Wasserbeständigkeit.

• Wasserbeständige Teile sind spritzwassergeschützt und überstehen kurzzeitigen Wasserkontakt.

• Wasserdichte Teile können Wasser zurückhalten oder Druck standhalten, ohne dass Wasser austritt.

Bildquelle: PRUSA RESEARCH

Was ist Porosität?

Porosität bezeichnet das Vorhandensein mikroskopischer Hohlräume oder Lücken in einem gedruckten Bauteil. Diese Hohlräume können folgende Ursachen haben:

• Zwischen den Schichten (schlechte Haftung)

• Zwischen den Umfängen (Unterextrusion oder unzureichende Wände)

• Innenausfüllung (absichtlich oder unabsichtlich)

• Im Material selbst (Filamentfeuchtigkeit, Harzschrumpfung)

Porosität ist der Hauptgrund für Undichtigkeiten bei 3D-Drucken.

Arten der Porosität im 3D-Druck

1. Strukturelle Porosität

Verursacht durch Einstellungen des Schneideprogramms oder eine fehlerhafte Maschinenkalibrierung. Beispiele:

• Niedrige Durchflussrate

• Zu wenige Umfänge

• Dünne Füllung

• Niedrige Drucktemperatur

2. Materialporosität

• Verursacht durch die inhärenten Eigenschaften des Filaments oder des Harzes.

• Hygroskopische Materialien (z. B. Nylon) absorbieren Feuchtigkeit

• Manche Harze schrumpfen während des Aushärtens und bilden dabei Mikrohohlräume .

3. Prozessporosität

• Verursacht durch Umwelteinflüsse oder mechanische Faktoren.

• Die Luft kühlt die Schichten zu schnell ab

• Düsenverstopfungen

• Ungleichmäßige Extrusion

Das Verständnis der Porosität ist von entscheidender Bedeutung, da es bei der Wasserdichtigkeit letztendlich darum geht, Wege für das Entweichen von Wasser zu eliminieren.

Konstruktionsprinzipien für wasserdichte Teile

Die Entwicklung wasserdichter Bauteile beginnt lange vor dem Schneiden oder Drucken. Geometrie, Wandstärke und Ausrichtung des Bauteils beeinflussen dessen Fähigkeit, Wasser zu halten.

1. Erhöhung der Wandstärke: Dickere Wände verringern die Wahrscheinlichkeit, dass Wasser einen Weg durch das Bauteil findet.

2. Abgerundete Innenecken verwenden: Scharfe Ecken konzentrieren Spannungen und können Schwachstellen an den Stellen erzeugen, an denen sich die Schichten trennen. Abgerundete Ecken verteilen die Spannung und verbessern die Abdichtung.

3. Vermeiden Sie dünne, ebene Oberflächen: Große, ebene Flächen neigen zu Verformungen und Schichtablösungen. Gebogene Oberflächen (wie Zylinder) widerstehen von Natur aus dem Druck und dichten besser ab.

4. Überhänge und Brücken minimieren: Nicht abgestützte Bereiche können durchhängen und Lücken bilden. Bei wasserdichten Bauteilen sollten selbsttragende Winkel, minimale Brückenbildung und sanfte Übergänge vorgesehen werden .

5. Druckausrichtung berücksichtigen: Die Ausrichtung beeinflusst die Druckbelastung der einzelnen Schichten; eine vertikale Ausrichtung ist für Behälter besser geeignet, da der Druck gegen durchgehende Wände wirkt; eine horizontale Ausrichtung birgt ein höheres Risiko für Undichtigkeiten, da der Druck zwischen den Schichten wirkt.

6. Dichtungen oder O - Ring-Nuten integrieren : Bei mehrteiligen Baugruppen sollten Konstruktionsmerkmale vorgesehen werden, die den Einsatz von Elastomerdichtungen ermöglichen. Selbst perfekt gedruckte Teile profitieren von einer mechanischen Abdichtung.

7. Vermeiden Sie komplexe Hohlräume: Versteckte Hohlräume können Luft oder Wasser einschließen und die Abdichtung erschweren. Vereinfachen Sie die innere Geometrie nach Möglichkeit.

Materialwahl und ihre Auswirkungen

Die Materialwahl spielt eine wichtige Rolle für die Wasserdichtigkeit. Manche Materialien dichten von Natur aus besser ab, während andere porös sind oder Feuchtigkeit aufnehmen.

FDM-Materialien

Harzmaterialien

Harzdrucke sind naturgemäß wasserdichter, da sie als feste Massen und nicht als extrudierte Linien aushärten.

• Standardharz: Gute Wasserdichtigkeit, aber spröde

• Robustes Harz: Besser geeignet für Funktionsteile

• Flexibles Harz: Hervorragende Abdichtung, aber geringe Steifigkeit

• Technische Kunststoffe: Am besten geeignet für drucktragende Anwendungen

Nylon

Nylon-Drucke sind zwar robust, aber aufgrund ihrer Beschaffenheit als Sinterpulver von Natur aus porös. Sie benötigen daher eine Versiegelung, um wasserdicht zu sein.

Nachbearbeitungsoptionen

Selbst bei perfekter Konstruktion und Materialwahl ist eine Nachbearbeitung oft notwendig, um echte Wasserdichtigkeit zu erreichen.

1. Wärmebehandlung / Glühen

• Durch Tempern kann die Schichthaftung verbessert und Mikrospalte reduziert werden .

• PLA und PETG reagieren gut

• Nylon und ABS erfordern kontrollierte Umgebungen

2. Epoxidbeschichtung

Eine der zuverlässigsten Dichtungsmethoden.

Vorteile:

• Bildet eine glatte, undurchlässige Barriere

• Arbeitet mit FDM, SLA und SLS

• Lebensmittelechte Epoxidharze erhältlich

3. Harzbürsten (für FDM)

Durch das Auftragen von UV-Harz auf die Oberfläche und dessen Aushärtung entsteht eine harte, wasserdichte Hülle, die sich besonders gut für Vasen und dekorative Behälter eignet.

4. Dampfglättung

Durch die Glättung mit Acetondampf schmilzt die äußere Schicht des ABS, versiegelt Mikrospalten und erzeugt eine glänzende Oberfläche.

5. Dichtstoffe und Sprays

Zu den Optionen gehören:

• Polyurethanspray

• Acryl-Klarlack

• Silikondichtstoff (für Fugen)

• Diese sind weniger haltbar als Epoxidharze, eignen sich aber für Anwendungen mit niedrigem Druck .

6. Schweißnähte

Bei mehrteiligen Baugruppen können durch Kunststoffschweißen oder Lösungsmittelschweißen wasserdichte Verbindungen hergestellt werden.

Wie man die Wasserdichtigkeit testet

1. Fülltest (Grundlagen)

Die einfachste Methode besteht darin, das Teil mit Wasser zu füllen und es auf einer trockenen Oberfläche stehen zu lassen. Bildet sich nach kurzer Zeit keine Feuchtigkeit, ist der Drucktest bestanden. Dieser Test ist schnell und effektiv für Anwendungen mit geringem Druck , wie beispielsweise Vasen oder dekorative Behälter.

2. Farbstoffpenetrationstest

Durch die Zugabe von Lebensmittelfarbe zum Wasser lassen sich Lecks leichter erkennen, insbesondere auf durchscheinenden Drucken oder komplexen Formen. Farbige Streifen oder feuchte Stellen weisen auf kleinste Spalten hin , die mit klarem Wasser möglicherweise nicht sichtbar wären.

3. Druckprüfung

Bei Funktionsteilen, die Innendruck standhalten müssen, wird das gedruckte Teil versiegelt, mit Luft unter Druck gesetzt und in Wasser getaucht. Austretende Luft bildet Blasen, die Lecks sichtbar machen. Diese Methode simuliert die Belastung in der Praxis sehr genau .

4. Vakuumtest

Durch das Einbringen des Bauteils in eine Vakuumkammer werden Poren sichtbar, indem eingeschlossene Luft durch Schwachstellen abgesaugt wird. Dies ist besonders nützlich für SLA- oder SLS-Drucke, bei denen innere Hohlräume mit anderen Prüfmethoden möglicherweise nicht erkennbar sind.

5. Langzeit - Einweichtest

Durch das Eintauchen des Bauteils für 24–72 Stunden lässt sich dessen Verhalten bei längerer Einwirkung von Wasser beobachten. Materialien wie PLA oder Nylon können mit der Zeit aufquellen oder undicht werden, selbst wenn sie anfänglich wasserdicht erscheinen.

6. Temperaturwechseltest

Der Wechsel zwischen heißem und kaltem Wasser deckt Schwachstellen auf, die durch Ausdehnung und Zusammenziehung entstehen. Bleibt das Bauteil nach mehreren Zyklen dicht , eignet es sich besser für Umgebungen mit Temperaturschwankungen.