Alles was Sie über das lösliche Filament PVA im 3D-Druck wissen müssen

Polyvinylalkohol (PVA) ist aufgrund seiner Wasserlöslichkeit ein viel eingesetztes Material für das Drucken von Stützstrukturen. Es bietet Anwendern eine größere Designfreiheit für Teile mit komplexen Geometrien, ohne die Druckqualität zu beeinträchtigen. Je mehr Details und verschnörkelte Teile der Entwurf hat, desto mehr Stützen werden für die Herstellung des Objekts benötigt. Dieser Leitfaden vermittelt Ihnen ein besseres Verständnis der Eigenschaften von PVA sowie seiner Rolle in der additiven Fertigung, damit Sie bei jedem Herstellungsverfahren die besten Ergebnisse erzielen.

Eigenschaften von PVA im 3D-Druck

PVA ist ein thermoplastischer Kunststoff und gehört technisch gesehen zur Familie der synthetischen Polymere, ist allerdings biologisch abbaubar. PVA als weißliches, bis gelbliches und geruchloses Pulver entsteht durch die alkalische Verseifung (Hydrolyse) von Polyvinylacetat (PVAC). Bei der Hydrolyse geschieht eine Spaltung einer chemischen Verbindung durch die Reaktion mit Wasser. PVA ist  schichtbildend, haftend, umweltfreundlich und wasserlöslich. Man kennt es im Alltag vor allem als das Plastik rund um Spülmaschinentabs, das sich im Wasser zusammen mit dem Pulver auflöst. Es verfügt über eine Zugdehnung von 360% und eine Zugfestigkeit von 22MPa. Abhängig von der Luftfeuchtigkeit kann PVA auch sehr flexibel und elastisch werden, denn Wasser ist wie ein Weichmacher für PVA. Das eigentlich spröde, brüchige und zugfeste PVA wird durch Feuchtigkeit aus der Luft oder durch das Zugeben von Wasser immer elastischer und löst sich in Wasser gänzlich auf. Ansonsten hat es ein transparentes bis cremefarbenes Aussehen und ist sehr widerstandsfähig gegen Öle und Fette. Im 3D-Druck ist es leicht zu verarbeiten, da es unter anderem nicht toxisch und eigentlich geruchlos ist, allerdings kann beim Druck ein leichter Geruch entstehen. Wichtig für den Einsatz in der additiven Fertigung ist allerdings, den Schmelzpunkt von 230°C zu beachten und vor allem die Degenerationstemperatur von 200°C. Bei dieser Temperatur beginnt PVA nämlich zu verkohlen, was dann zu schwarzen Flecken am gedruckten Objekt führen kann.

3D-Druck mit PVA

Einer der Hauptvorteile von PVA ist, wie bereits angeführt, seine Fähigkeit, sich aufzulösen. Es ist hervorzuheben, dass zur Entfernung dieses Trägermaterials nur Wasser benötigt wird, d. h. es werden keine Lösungsmittel mit komplexeren Bestandteilen benötigt. In der Folge wird PVA als Filament besonders gerne für den Druck von Supportmaterial eingesetzt und man erzielt damit gute Ergebnisse bei komplizierten Formen, bei denen man die Stützstrukturen nicht manuell erreichen kann (Innenräume, Hohlräume etc). Für ein zufriedenstellendes Resultat gilt es allerdings, einige Parameter zu beachten. Zunächst sollte PVA-Filament immer kühl, lichtgeschützt und staubgeschützt gelagert werden. Die optimale Lagertemperatur liegt bei 15-25°C, fern von Sonnenlicht. Sollte das Material bereits Feuchtigkeit aufgenommen haben, ist es nötig, es für ca. 8-12 Stunden bei 50-80°C zu trocknen bevor damit gedruckt wird.

Die ideale Drucktemperatur liegt zwischen 180 und 225°C, wobei der untere Bereich zu bevorzugen ist, da die Drucktemperatur sehr nahe an der oben genannte Degenerationstemperatur liegt. Für gute Ergebnisse kombiniert man PVA am besten mit Materialien, die einen ähnlichen Schmelzpunkt aufweisen, zum Beispiel PLA oder auch PA. Besonders geeignet ist die Kombination von PLA und PVA in FDM-Doppelextrusionsmaschinen, da man für beide Filamente die gleichen Druckeinstellungen programmieren kann. Das Heizbett sollte beim Drucken eine Temperatur von 60 bis maximal 90°C haben, tendenziell sollte die Temperatur aber wieder im unteren Bereich angesiedelt sein. Ein wichtiger Punkt, der bei der Arbeit mit PVA zu beachten ist, ist die Konfiguration des Extruders. Das Abkühlen des PVA-Hottends im Leerlauf verhindert Nässen und Verstopfen. Außerdem wird empfohlen, den Abstand der oberen Auflage auf 0 Schichten einzustellen, um eine optimalere Oberfläche zu erzielen. Da sich die Stützen auflösen, spielt es keine Rolle, ob sie während des Herstellungsprozesses am fertigen Teil haften. Die erfreulichsten Resultate und glatte Objekte erzielt man, wenn das Material frisch ist und konsequent trocken gelagert wurde. Sobald das PVA zu viel Feuchtigkeit aufgenommen hat, zeigt sich das beim Druck bereits durch Zischgeräusche und am Endobjekt durch Krummen, Fadenziehung, Löcher, Bläschen und Unterextrusion.

Im Gegensatz zur Lagerung von PVA ist die Nachbearbeitung ausgesprochen einfach. Man gibt das gedruckte Objekt einfach ins Wasserbad und wartet 1-2 Stunden, bis sich das Stützmaterial aufgelöst hat. Das Wasser sollte Badetemperatur haben und kann anschließend in den Abfluss gekippt werde, da PVA wie erwähnt biologisch abbaubar ist.

Anwendungsbereiche des Materials

PVA ermöglicht den 3D-Druck aller Arten von Teilen, unabhängig von der Komplexität des Designs, und ist ein in der Kunstwelt weit verbreitetes Material zur Herstellung dekorativer Modelle. Allerdings ist es auch in anderen Sektoren sehr beliebt. Als lösliches Material eignet sich PVA ideal als Additiv für die Herstellung jeglicher Objekte mit komplexen Geometrien sowie von inneren Hohlräumen, Konzeptmodellen und Formen. 3D-gedruckte Halterungen bieten eine bessere Oberflächenqualität und ermöglichen außerdem die Ausrichtung des additiv hergestellten Teils, um seine mechanischen Eigenschaften zu optimieren. Daher setzen auch fortschrittlichere Industrien, die mit der FDM-Technologie zur Herstellung von Werkzeugen oder Prototypen arbeiten, auf lösliche Materialien zur Herstellung von Trägern.

Hersteller und Preis

Auf dem Markt ist PVA-Filament in den Standardstärken von 1,75 und 2,85 mm erhältlich. Beim Kauf ist darauf zu achten, welche Stärke dem jeweiligen Durchmesser des Hotends am eigenen Durcker entspricht. In der Regel erhält man Filament-Spulen von 500 Gramm Material zu einem Preis zwischen 20€ und 70€. Die Preise variieren allerdings je nach Hersteller. Zu den Unternehmen, die PVA-Filamente anbieten, gehören Ultimaker, eSun, Formfutura, XYZprinting, BCN3D, PrimaCreator, MatterHackers, Polymaker, Makerbot und viele weitere.

Da PVA mit Abstand teurer als PLA ist, kann man sich eines einfachen Drucktipps bedienen. Viele Slicer, wie zB. Slic3r Pursa Edition bieten die Einstellungs-Möglichkeit, dass der Teil direkt unter dem Druckobjekt („interface layer“) zwar in PVA gedruckt wird, der Rest der Stützstruktur allerdings mit dem günstigeren PLA. Auf diese Weise kann PVA und somit wiederum Kosten gespart werden.

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