3D-Druck: Probleme mit der Schichthaftung – Ursachen und Lösungen

Wenn Ihre Teile entlang einer flachen horizontalen Naht brechen, haben Sie ein Problem mit der Schichthaftung – oft auch Layerhaftung genannt –, also ein Schweißproblem und kein Druckproblem. Jede Schichtgrenze ist eine Schweißnaht zwischen dem Kunststoff, den Sie vor einer Minute aufgetragen haben, und dem Kunststoff, der bereits abgekühlt war. Alles, was verhindert, dass diese beiden Perlen miteinander verschmelzen, zeigt sich später als sauberer Riss unter Belastung. Die fünf Dinge, die das verhindern, in der Reihenfolge, in der sie in einer Produktionswerkstatt tatsächlich zu Ausfällen führen: Feuchtigkeit im Filament, zu niedrig eingestellte Düsentemperatur, zu hohe Teilekühlung, Unterextrusion und Teileausrichtung.

Arbeiten Sie sie in dieser Reihenfolge ab. Die meisten Bediener erhöhen die Düse sofort um 10 °C, erzielen eine kleine Verbesserung und hören dort auf, während eine nasse Spule sie bei jedem Auftrag weiterhin still und heimlich ein paar Prozent Z-Festigkeit kostet. Zuerst trocknen, dann Temperatur, dann Lüfter, dann Fluss, dann das Modell selbst. Diese Reihenfolge kostet die geringste Druckzeit und findet die Ursache am schnellsten.

Der Rest ist die Diagnose-Routine, plus die Dinge, die Werkstätten, die bereits alles wissen, immer wieder überrumpeln.

Was tatsächlich an einer Schichtlinie passiert

Eine thermoplastische Perle bindet an die darunter liegende durch Polymerketten, die die Grenze überqueren und sich miteinander verhaken. Das erfordert Hitze und Zeit. Die Schnittstelle muss lange genug über dem Glasübergang des Materials liegen, damit sich die Ketten bewegen können, und es muss genügend geschmolzenes Material in Kontakt sein, damit die Schweißnaht eine Fläche hat.

Eine Schichtverbindung ist also per Definition schwächer als der Bulk-Kunststoff. Bei Zugversuchen über einen weiten Bereich veröffentlichter Arbeiten liegt die Z-Festigkeit eines gut abgestimmten FFF-Teils in der Regel bei etwa 60 bis 90 Prozent der Festigkeit entlang der Druckebene, abhängig von Material und Einstellungen. Diese Lücke ist normal. Was nicht normal ist, ist ein Teil, das bei einem Bruchteil davon bricht, mit einer Bruchfläche, die so flach ist, dass man die einzelnen Perlenumrisse sehen kann. Das ist ein Prozessfehler, und jede der unten genannten Ursachen ist eine Möglichkeit, der Schweißnaht Wärme, Kontaktfläche oder Zeit zu entziehen.

Feuchtigkeit, zuerst, immer

Nasses Filament ist die Ursache, die die Leute überspringen, weil es nicht wie ein Haftungsproblem aussieht. Wasser im Granulat verdampft in der Schmelzzone. Der Dampf bläst winzige Hohlräume in die Perle und gelangt zwischen die neue Perle und die darunter liegende Schicht, so dass man anstelle einer durchgehenden Schweißnaht eine Schweißnaht mit Löchern erhält. Das Teil ist korrekt vermessen, sieht akzeptabel aus und versagt bei vielleicht der Hälfte der Z-Festigkeit, die es haben sollte.

Wissenswerte Symptome: Knistern oder Knistern aus dem Hotend, eine matte oder schaumige Oberfläche, wo das Teil früher glänzend war, Stringing, das sich ohne Änderung der Einstellungen verschlechterte, und inkonsistente Extrusionsbreite an einer Wand, die früher sauber gedruckt wurde. Wenn Sie Braten hören, stoppen Sie den Auftrag.

Typische Trocknungszeiten liegen grob bei 45 bis 55 °C für PLA, 60 bis 70 °C für PETG und ABS oder ASA, und 70 bis 80 °C für Nylons, im Allgemeinen vier bis acht Stunden und länger für eine Spule, die wochenlang offen auf einem Regal stand. Überprüfen Sie den angegebenen Zeitplan Ihres Lieferanten für die von Ihnen verwendete Qualität, anstatt Annahmen zu treffen, da Additive und Spulenmaterialien variieren. Treiben Sie eine Kunststoffspule nicht viel über 70 °C. Die Spule verformt sich, bevor das Filament trocknet, und eine verformte Spule blockiert die Zufuhr auf halbem Weg durch den nächsten langen Druck.

In einer Werkstatt mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von über etwa 40 Prozent macht das einmalige Trocknen und Lagern der Spule seine Wirkung innerhalb von ein oder zwei Tagen zunichte. Drucken Sie aus einer versiegelten Box mit Trockenmittel oder akzeptieren Sie, dass Sie ständig nachrocknen müssen.

Düsentemperatur und die Falle der Oberflächengüte

Der größte Stellhebel für die Z-Festigkeit ist die Düsentemperatur, und die meisten Profile sind zu kalt eingestellt, weil sie durch Betrachten des Teils und nicht durch dessen Bruch eingestellt wurden.

Eine niedrigere Temperatur ergibt schärfere Ecken, weniger Fädenziehen, bessere Überhänge und schlechtere Schichthaftung. Dieser Kompromiss ist für ein Ausstellungsmodell korrekt. Für eine Halterung ist er falsch. Für alles, was tragend ist, nehmen Sie das obere Drittel des Arbeitsbereichs des Materials und geben Sie ein wenig Oberflächenqualität auf.

Dies sind gängige Startbereiche, keine Einstellungen. Jedes Hotend liest die Temperatur anders, und ein Thermistor, der 15 °C von seinem wahren Wert abweicht, ist nicht selten. Führen Sie daher einen Temperaturturm auf Ihrer eigenen Maschine mit Ihrer eigenen Spule durch und bestätigen Sie die Werte.

Material	Typischer Düsenbereich	Verhalten der Schichthaftung	Gehäuse
PLA	190–220 °C	Verbindet sich leicht, bricht spröde und flach	Nicht erforderlich
PETG	230–250 °C	Gut, wenn heiß und trocken, schlecht, wenn kalt oder nass	Hilft
ABS / ASA	240–260 °C	Sehr empfindlich gegenüber Zugluft und Kammertemperatur	Faktisch erforderlich
TPU	210–235 °C	Verbindet sich gut, Probleme sind eher zuführungsbedingt	Nicht erforderlich
Nylon	250–290 °C	Stark im trockenen Zustand, stark degradiert im nassen Zustand	Faktisch erforderlich

ABS und ASA verdienen eine gesonderte Anmerkung. Ihr Haftungsproblem ist selten die Düse. Es ist die Kammer. Ein Teil, das von 250 °C in einem 20 °C warmen Raum ungleichmäßig abkühlt, und die Spannung aus dieser Kontraktion zieht die Schichten von innen auseinander, normalerweise an einer Ecke, normalerweise zu zwei Dritteln der Höhe. Ein Gehäuse, das 40 bis 50 °C hält, behebt mehr ABS-Delamination als jede Düsenänderung. Das Schließen einer Tür an einer zugigen Werkbank ist mehr wert als ein Nachmittag der Profilabstimmung.

Teilekühlung ist nicht kostenlos

Lüftereinstellungen werden zwischen Profilen kopiert, ohne dass jemand fragt, wofür sie sind. Die Teilekühlung dient dazu, Überhänge und kleine Merkmale schnell genug zu fixieren, damit sie ihre Form behalten. Dies geschieht, indem Wärme genau aus dem Bereich entzogen wird, in dem die Schweißnaht entstehen soll.

Für Funktionsteile die Kühlung auf 20 bis 40 Prozent anstatt auf volle Leistung einstellen und prüfen, ob Ihr Slicer den Lüfter bei kleinen Schichten auf 100 Prozent hochfährt. Diese Funktion ist eine gute Standardeinstellung für Miniaturen und eine stille Katastrophe bei einem kleinen, tragenden Teil, da die Schichten, wo das Teil am schmalsten ist, in der Regel die Schichten sind, die die Belastung tragen.

Achten Sie auch auf die physikalischen Ursachen. Ein Hilfslüfter zur Teilekühlung, der auf die falsche Höhe gerichtet ist, ein Drucker neben einem Klimaanlagenlüftungsschacht oder ein offenes Fenster in einer kalten Nacht führen alle zu einer Reihe schwacher Teile, die keine Profiländerung erklärt. Wir haben gesehen, wie eine Farm eine Woche lang ein Delaminierungsproblem verfolgt hat, bevor sie bemerkt hat, dass die betroffenen Maschinen die vier nächsten am Rolltor waren.

Unterextrusion sieht genau wie schwache Verbindung aus

Wenn sich weniger Kunststoff in der Schicht befindet, als der Slicer geplant hat, schrumpft die Kontaktfläche an der Schichtgrenze, und das Teil wird in Z-Richtung schwächer, ohne dass an der Oberfläche etwas offensichtlich falsch ist. Ein aufgebrochenes, unterextrudiertes Teil zeigt Lücken zwischen den Schichten, die als schlechte Haftung interpretiert werden.

Dinge, die den Fluss behindern:

• Eine teilweise verstopfte Düse oder eine verschlissene Messingdüse, die eine abrasive Sorte verarbeitet
• Zu lose Extruderspannung oder ein verschlissenes Antriebszahnrad voller gemahlenen Kunststoffstaubs
• Schnelleres Drucken, als das Hotend schmelzen kann, was die häufigste Ursache bei einer Maschine ist, die letztes Jahr noch einwandfrei funktionierte und dieses Jahr ein Geschwindigkeitsprofil erhalten hat
• Flussrate, die für ein anderes Material kalibriert und nie neu überprüft wurde
• Eine Spule, die am Halter klemmt, oder Filament, das sich auf der Spule überschnitten hat

Kalibrieren Sie den Fluss für das Material, das Sie tatsächlich verarbeiten. Ein Würfel mit einer einzelnen Wand, an sechs Stellen mit einem Messschieber gemessen, dauert zehn Minuten und schließt eine ganze Kategorie von Fehlern aus.

Manchmal liegt die Lösung im Modell

Kein Profil macht eine Schichtverbindung so stark wie massiver Kunststoff. Wenn die Last quer zu den Schichten verläuft, bitten Sie die schwächste Achse, die Aufgabe zu übernehmen.

Drehen Sie das Teil so, dass die Hauptlast entlang der Schichten und nicht quer dazu verläuft. Dies ist mehr wert als jede der oben genannten Einstellungen zusammen. Wo die Ausrichtung nicht geändert werden kann, verdicken Sie den Querschnitt, fügen Sie Hohlkehlen an inneren Ecken hinzu und teilen Sie das Modell in zwei Teile, die in verschiedenen Ausrichtungen gedruckt und miteinander verklebt oder verschraubt werden. Ein gedrucktes Teil mit einer geklebten Naht an der richtigen Stelle ist besser als ein einzelnes Teil mit einem Spannungskonzentrator an der falschen Stelle.

Zwei kleinere Geometriehebel sind wissenswert. Dickere Schichten verbinden sich bei gleicher Temperatur besser als dünne, da in jeder Perle mehr Wärme steckt, so dass ein Teil mit 0,28 mm Schichten in Z-Richtung oft stärker ist als das gleiche Teil mit 0,12 mm. Und eine größere Extrusionsbreite erhöht die Kontaktfläche an jeder Grenze. Wenn ein Teil grenzwertig ist, ist ein gröberer Druck eine legitime Lösung und kein Kompromiss.

Lesen Sie den Bruch, bevor Sie etwas ändern

Brechen Sie ein fehlerhaftes Teil ganz auf und betrachten Sie die Bruchfläche. Sie sagt Ihnen, welche der oben genannten Ursachen Sie vor sich haben.

• Flach, glänzend, einzelne Perlen deutlich sichtbar: kalte Schweißnaht. Temperatur oder Kühlung.
• Flach, aber stumpf und leicht schaumig, mit sichtbaren Nadellöchern: Feuchtigkeit.
• Flach mit sichtbaren Lücken zwischen den Perlen: Unterextrusion.
• Gestuft oder ausgefranst, durch die Perlen reißend statt zwischen ihnen: die Verbindung hielt. Das Teil benötigt mehr Material, eine andere Ausrichtung oder ein anderes Polymer.
• An einer Ecke auf halbem Weg gerissen, bei ABS oder ASA: thermische Spannung. Den Drucker einschließen.

Drucken Sie zwei zusätzliche Exemplare von allem, was wichtig ist, und führen Sie eines davon absichtlich zum Bruch, einmal pro Profiländerung und einmal pro neuer Filamentscharge. Eine Stunde, die man damit verbringt, Teile auf der Werkbank zu zerbrechen, ist billiger, als es von einem Kunden zu erfahren.

Hier kommt das Filament selbst ins Spiel

Das ist der Teil, der übersehen wird. Ein auf Haftung abgestimmtes Profil ist ein Profil, das nahe am Rand des Fließbereichs des Hotends arbeitet, heiß und schnell, mit heruntergedrehtem Lüfter. Genau hier hört eine kleine Änderung des Eingangsdurchmessers auf, kosmetisch zu sein.

Ihr Slicer steuert das Filament nach Länge und geht von einem festen Durchmesser aus. Führen Sie ein 0,05 mm dickes Filament zu, und die Schmelzzone muss bei gleicher Geschwindigkeit etwa 6 Prozent mehr Material aufnehmen, was die tatsächliche Schmelztemperatur an der Düse um einige Grad senkt, genau dann, wenn Sie keinen Spielraum mehr hatten. Führen Sie ein dünnes Filament zu, und die Perle verliert an der Schweißnaht Kontaktfläche. Keines davon zeigt sich als harter Fehler. Es zeigt sich als jeder achte Druck, der schwach herauskommt, mit einem Profil, das letzte Woche überprüft wurde, was die teuerste Art von Problem ist, weil es niemand auf Abruf reproduzieren kann.

Das ist das Argument dafür, nach einer veröffentlichten Zahl statt einer Beschreibung zu kaufen. Wir veröffentlichen eine Maßtoleranz von ±0,02 mm, weil sie überprüfbar ist: ein Messschieber, zehn Messungen an einer Spule, fünf Minuten. Überprüfen Sie es an unserem und an dem, was Sie heute verwenden, und behandeln Sie jeden Lieferanten, der keine Zahl angibt, als eine ungemessene Variable in Ihrem Prozess. Wir liefern auch ein Sicherheitsdatenblatt, eine RoHS-Erklärung und eine REACH-Erklärung pro Material für Geschäfte, die Dokumente archivieren.

Konsistenz erzeugt keine Haftung. Eine kalt und nass gedruckte Spule mit engen Toleranzen reißt immer noch. Was es tut, ist zu verhindern, dass sich das Filament unter einem von Ihnen bereits abgestimmten Profil bewegt.

Schichthaftung verbessern: die Kurzreferenz

• Trocknen Sie die Spule vor allem anderen gemäß dem Zeitplan für dieses Material
• Heben Sie die Düse in den oberen Bereich des Materialfensters und führen Sie einen Turm zur Bestätigung aus
• Reduzieren Sie die Teilekühlung für Funktionsteile auf 20 bis 40 Prozent und deaktivieren Sie die Lüfterverstärkung für kleine Schichten
• Kalibrieren Sie den Fluss für das verwendete Material und überprüfen Sie die Düse auf Verschleiß
• Schließen Sie den Drucker für ABS, ASA und Nylon ein und halten Sie ihn von Zugluft fern
• Dickere Schichten und eine größere Extrusionsbreite erhöhen beide die Z-Festigkeit
• Richten Sie das Teil so aus, dass die Last entlang der Schichten verläuft, und teilen Sie das Modell, wenn dies nicht möglich ist
• Brechen Sie absichtlich eines auf und lesen Sie die Bruchfläche ab

Häufig gestellte Fragen

Warum spalten sich meine 3D-Drucke entlang der Schichtlinien?

Die Schweißnaht zwischen den Schichten hat sich nie vollständig gebildet – die Layerhaftung ist also nie entstanden. In der Praxis ist das nasses Filament, eine zu niedrige Düsentemperatur für das Material, zu viel Teilekühlung oder zu wenig Kunststoff, der austritt. Überprüfen Sie diese in dieser Reihenfolge. Wenn die Bruchfläche matt und porös ist, ist es Feuchtigkeit. Wenn sie glänzend und flach ist mit sichtbaren Perlenkonturen, ist es Hitze.

Verbessert eine Erhöhung der Düsentemperatur die Schichthaftung?

Ja, und es ist in der Regel die zweitwirksamste Änderung nach dem Trocknen. Gehen Sie in 5 °C-Schritten innerhalb des Materialfensters nach oben und achten Sie auf Stringing, Auslaufen und weicher werdende Überhänge. Wenn ein Teil mehr Hitze benötigt, als das Material vertragen kann, bevor es sich zersetzt, ist die Antwort ein anderes Material und keine heißere Düse.

Wie viel schwächer sind 3D-gedruckte Teile entlang der Z-Achse?

Gängige veröffentlichte Zahlen geben für ein abgestimmtes FFF-Teil etwa 60 bis 90 Prozent seiner Festigkeit in der Ebene in Z-Richtung an, variierend je nach Material und Prozess. Testen Sie Ihr eigenes Teil, anstatt sich auf eine Zahl aus einem Artikel zu verlassen, auch aus diesem, da Ihre Geometrie und Ihr Profil diese Zahl stark beeinflussen.

Können Schichthaftungsprobleme allein im Slicer behoben werden?

Oft, aber nicht immer. Temperatur, Kühlung und Fluss sind Slicer-seitig. Feuchtigkeit, eine verschlissene Düse, ein zugiger Raum und ein quer zu den Schichten belastetes Teil sind es nicht. Wenn die Profiländerungen keine Wirkung zeigen, hören Sie mit der Abstimmung auf und betrachten Sie die Hardware und das Modell.

Warum sind nur einige meiner Drucke schwach?

Intermittierende Ausfälle bedeuten in der Regel, dass etwas vorgeschaltet ist, das sich verschiebt. Spulenfeuchtigkeit, die über eine Woche ansteigt, Umgebungstemperatur, die über Nacht sinkt, eine Düse, die sich allmählich abnutzt, oder ein schwankender Filamentdurchmesser entlang der Spule. Notieren Sie, welche Maschine, welche Spule und welche Tageszeit die schlechten Teile hervorgebracht haben. Das Muster ist normalerweise offensichtlich, sobald es aufgeschrieben ist.

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