PVA Filament, auch bekannt als Polyvinylalkohol, wird den thermoplastischen Kunststoffen zugeordnet. Es wird durch die alkalische Verseifung (Hydrolyse) von Polyvinylacetat gewonnen, dessen Ursprungsform meist weißes oder gelbliches Pulver ist.
PVA wurde erstmals 1924 vom deutschen Nobelpreisträger Dr. Hermann Staudinger entdeckt. Japan begann mit der PVA-Forschung. Unter Leitung von Professor Ichiro Sakurada wurde an der Kyoto Imperial University wurde 1939 erstmals die "Synthetische Faser Nr. 1“ hergestellt. Diese Forschung wurde anschließend von der Firma Kuralon aufgegriffen, welche 1950 als erstes Unternehmen der Welt PVA-Fasern in Serie herstellte und vermarktete.
Angewendet wird PVA hauptsächlich für Waschmittelkapseln und Haarsprays, da er sich bei Kontakt mit Wasser auflöst.
Selbst eine geringe Menge an Luftfeuchtigkeit reicht aus, um das Material zu beschädigen. Das Drucken mit diesem Filament ist deshalb kompliziert und erfordert eine gewisse Erfahrung beim Umgang mit diesem Material.
Obwohl sich PVA schon bei geringem Kontakt mit Wasser auflöst, ist es beständig gegenüber Ölen, Fetten und organischen Lösungsmitteln, die kein Wasser enthalten.
Die Aufbereitung PVA-haltiger Abwässer in Kläranlagen stellt in der Regel kein Problem dar, da sich diese Kunststoffreste im Klärschlamm ablagern.
Wie bei allen anderen Kunststoffen auch sollte man bei der Entsorgung der Abfälle aber die Umweltproblematik im Auge behalten.
3D-Druck mit PVA Filament
PVA Filament wird den Support-Materialien zugeordnet, weil es wasserlöslich ist. Deshalb eignet es sich optimal für Stützstrukturen, die man nach dem Druck mit Leitungswasser auflösen kann.
Anders als herkömmliche Stützmaterialien kann PVA Filament nach dem Druck einfach und rückstandslos entfernt werden, ohne die Oberfläche des gedruckten Objekts zu beschädigen. Aus diesem Grund wird PVA Filament sehr gern für den 3D-Druck von Modellen mit komplizierten Geometrien verwendet.
Dies ist auch die Hauptfunktion, die das PVA Filament beim 3D-Druck erbringen soll.
Es besitzt eine hohe Zugfestigkeit und Flexibilität. Diese Eigenschaften sind allerdings abhängig von der Feuchtigkeit des Filaments. Wirkt mehr Wasser ein, verliert es an Zugfestigkeit und gewinnt dafür an Elastizität.
Aufgelöst wird mit normalem Leitungswasser. Eine höhere Wassertemperatur beschleunigt die Auflösung.
Wenn das Filament beim Drucken trocken ist, besitzt es eine gute Schichthaftung und ist deshalb leicht zu drucken. Es ist kompatibel mit Filamenten, die mit einer ähnlichen Drucktemperatur arbeiten, wie zum Beispiel PETG und PLA.
PVA Filament ist ungiftig und biologisch abbaubar, wenn es ordnungsgemäß recycelt wird. Vermeide es, PVA Filament UV-Strahlen auszusetzen, da es darauf sehr empfindlich reagiert.
Ein wichtiger Punkt bei der Arbeit mit PVA Filament ist die Frischluftzufuhr im Raum. Beim Erhitzen entstehen Dämpfe und die Atemwege werden gereizt. Dies kann zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen führen, wenn man nicht darauf achtet.
PVA wird erst ab einer Temperatur von 85° C weich.
Die Kosten für PVA Filament liegen im Durchschnitt bei 60-185€ pro KG.
Allgemeine Eigenschaften
Polyvinylalkohol - PVA
Materialgruppe | Thermoplastischer Kunststoff |
Dichte | 1,19g/cm³ |
Schlagzähigkeit | 0,16 J/cm² |
Zugfestigkeit | 22 N/mm² |
Bruchdehnung | 10% |
Flammbarkeit | schwer entflammbar |
Witterungsbeständigkeit | gering |
Einsatztemperaturen (Dauereinsatz) | -20°C bis 85°C |
Mögliche Anwendungen von PVA Filament
Aufgrund seiner wasserlöslichen Eigenschaft wird das PVA Filament im 3D-Druck meistens als Support-Material genutzt. Es gibt bestimmt noch weiter Einsatzgebiete, bei denen die technischen Eigenschaften des Materials genutzt werden könnten, wenn das Bauteil nicht mit Wasser oder einer hohen Luftfeuchtigkeit in Berührung kommt.
Vor-und Nachteile von PVA Filament
Vorteile:
Nachteile:
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Vorüberlegung beim 3D-Druck mit PVA Filament
3D-Drucker Voraussetzungen:
1. Beheiztes Druckbett
Beim 3D-Druck mit PVA ist kein beheizbares Druckbett notwendig. Es haftet auch gut auf einem nicht beheizbaren Druckbett.
2. Dual-Drucker
Da PVA Filament in den meisten Fällen für Stützstrukturen verwendet wird, brauchst du einen 3D-Drucker mit mindesten zwei Düsen.
3. Besondere Druckdüse (optional)
Um den Druck mit PVA Filament zu erleichtern, kannst du dafür geeignete Druckdüsen (Druckdüse BB) verwenden. Diese besitzen eine spezielle Innengeometrie, mit deren Hilfe Filamentstaus und Verkohlungen des PVA-Materials reduziert werden können.
Bildquelle: https://community.ultimaker.com/topic/21217-difference-between-aa-04-and-bb-04-nozzle/#comment-214505
4. Trockenes Filament
Gerade beim PVA Filament ist es extrem wichtig, dass es trocken ist und immer trocken gelagert wird. Es nimmt sehr schnell Wasser auf. Feuchtes Filament kann zu vielen Problemen während des Druckvorgangs führen.
Nasses Filament erkennt man auch daran, dass beim Drucken kleine Explosionen in der Düse entstehen. Das Wasser verdampft in der Düse wodurch der gesamte Druck negativ beeinflusst wird. Die Schichthaftung und die Oberflächenqualität sinken spürbar.
Für einen erfolgreichen 3D-Druck mit PVA ist trockenes Filament unabdinglich.
Welches Material ist kompatibel mit PVA?
Generell ist es wichtig, dass sowohl Support- als auch Bauteilmaterial mit einer ungefähr gleichen Extrusionstemperatur arbeiten.
Je nach Hersteller eignet sich PVA Filament für folgende Materialien als Stützmaterial:
Es gibt mittlerweile spezielle PVA Filamente, die sich auch für PETG, ASA, ABS und PC eignen. Achte hierbei aber immer auf die Herstellerangaben. Als alternatives Supportmaterial kannst du auch HIPS Filament verwenden.
Lagerung:
PVA hat die Fähigkeit, Wasser zu binden. Daher ist es ratsam, die Filamente trocken zu lagern. Luftdichte ZIP-Beutel mit dem Trocknungsmittel Silica eignen sich gut dafür.
Neben der trockenen Lagerung achte darauf, das Material vor UV-Strahlen zu schützen.
Trocknung:
Sollte das Filament nach einiger Zeit doch Feuchtigkeit aufgenommen haben, kannst du es mit Hilfe eines Dörrgeräts oder auch im Backofen einfach wieder trocken. Im Handel sind auch professionelle Trocknungsboxen erhältlich.
Temperatur und Trocknungszeit für PVA Filament liegen bei ca. 60-80°C für 8-12 Stunden Umluft.
Bitte teste vorher mit einem kleinen Stück Filament aus, ob es so passt, bevor die ganze Rolle im Ofen schmilzt.
Sicherheit:
Beim Druck von PVA entstehen keine giftigen Dämpfe. Ein geeigneter Raum mit regelmäßiger Frischluftzufuhr ist trotzdem generell zu empfehlen.
Welche Slicing-Einstellungen verwende ich für PVA Filament?
Hier musst du deine eigenen Erfahrungen machen, ich kann in diesen Ausführungen nur Empfehlungen geben. Je nach Zusammensetzung des Filaments können verschiedene Werte auch etwas abweichen.
Zu Beginn solltest du immer mit den Herstellerwerten arbeiten, die im Anschluss durch eigene Erfahrungswerte ergänzt bzw. verändert werden können.
Drucktemperatur (190°C - 250°C)
Beim Drucken mit PVA Filament werden nur niedrige Drucktemperaturen zwischen 190-250°C benötigt. Je höher die Drucktemperatur, desto besser ist auch die Schichthaftung.
Dabei ist zu bedenken, dass sehr hohe Temperaturunterschiede zwischen Druckdüse und Druckbett schnell das unerwünschte „Warping“ zur Folge haben können.
Achte darauf, dass PVA in der Düse nicht kocht bzw. verbrennt. Dies kann die Druckdüse verstopfen. Es ist ratsam, mit den niedrigsten Temperaturen laut Angaben des Herstellers zu beginnen.
Bei zu hohen Temperaturen verlaufen die Schichten und es bilden sich Fäden am Bauteil.
Sollten die Schichten jedoch fleckig und etwas rau sein, ist das ein Zeichen für eine zu geringe Drucktemperatur.
Eine spezielle Druckdüse wird nicht unbedingt benötigt, aber kann Verstopfungen in der Düse vorbeugen.
Druckbett und Druckbetttemperatur (20°C - 90°C)
Beim Druck mit PVA Filament ist ein beheizbares Druckbett nicht unbedingt notwendig. Es kann jedoch die Druckbetthaftung deines Bauteils deutlich verbessern.
Der Temperaturbereich sollte zwischen 20°C und 90°C liegen. Ja nach Hersteller kann dies jedoch unterschiedlich ausfallen.
Je größer das Bauteil, desto höhere Kräfte wirken zwischen den Schichten. Um diesen Kräften entgegenzuwirken sowie Warping zu vermeiden, trage vor dem Druck etwas Haftverstärker auf das Druckbett auf. Gerade bei Glasplatten können Kapton-Band, Haarspray, Haftkleber oder Haftspray ein guter Haftverstärker sein.
Druckgeschwindigkeit (20mm/s - 45mm/s)
Damit die gedruckte Stützstruktur aus PVA auch bestehen bleibt, solltest du niedrige Druckgeschwindigkeiten zwischen 20mm/s und 45mm/s nutzen.
Je schneller die Druckgeschwindigkeit gewählt wird, desto höhere Drucktemperaturen werden benötigt, um das Material auch rechtzeitig zum Schmelzen zu bringen.
Druckgeschwindigkeit erste Schicht (10mm/s - 30mm/s)
Für die erste Schicht sollte immer eine sehr geringe Druckgeschwindigkeit gewählt werden, damit die Haftung zwischen der ersten Schicht und dem Druckbett auch ausreichend ist.
Mit 10mm/s bis 30mm/s habe ich gute Erfahrungen gemacht.
Gerade bei scharfen Ecken konnte ich dem „Warping“ so entgegenwirken.
Kühlung (0% - 30%)
Der Lüfter sollte während des Drucks mit PVA Filament nicht benutzt werden oder ggf. nur auf geringer Stufe laufen (0-30%).
Generell kann man empfehlen, PVA mit ausgeschaltetem Bauteillüfter zu drucken. Die Schichthaftung wird dadurch maximiert.
Füllung
Da dieses Material meist nur als Support-Material genutzt wird, spielt die Fülldichte eine untergeordnete Rolle.
Trotzdem können Bauteile aus PVA mit einer hohen Fülldichte gedruckt werden, da wenig Spannung beim Drucken entsteht.
Tipp:
Eine gute Möglichkeit, die Stabilität deiner Bauteile trotz geringer Fülldichte zu erhöhen, wäre die Vergrößerung der Wandstärke.
Schichthöhe
Je größer die Schichthöhe, desto höher muss die Drucktemperatur sein, weil eine größere Menge an Material aufgeschmolzen werden muss. Die Schichthöhe von 0,2mm sollte bei PVA-Material nur geringfügig viel überschritten werden. Anderenfalls baut sich sonst zu viel Spannung zwischen den einzelnen Schichten auf. Die Folge wären unschöne gespaltenen Schichten.
Schichthöhe erste Schicht
In der Regel sollte die erste Schicht 150% der normalen Schichthöhe betragen. Das erhöht die Gesamtkontaktfläche und die Haftung auf dem Druckbett verbessert sich.
Druckbetthaftung
Eine gute Druckbetthaftung ist bei PVA Filament in der Regel gegeben und stellt keine großen Probleme da.
Der richtige Abstand zwischen Druckbett und Druckdüse ist außerordentlich wichtig.
Zur weiteren Verbesserung der Druckbetthaftung können in den Slicern verschiedene zusätzliche Funktionen wie Raft und Brim nützlich sein.
Raft: Beim Raft wird eine horizontale Struktur unter das komplette Bauteil gedruckt. Diese große Oberfläche haftet sehr gut auf dem Druckbett, hinterlässt jedoch Spuren auf der Unterseite.
Brim: Mit Hilfe der Brim-Funktion werden in der ersten Schicht mehrere Bahnen um das Bauteil gedruckt, wodurch die Auflagefläche vergrößert wird. Diese nicht zum Bauteil gehörigen Bahnen müssen nach dem Druck entfernt werden.
Flussfaktor
Eine entscheidende Änderung des Flussfaktors ist beim Druck mit PVA Filament nicht notwendig.
Je nach Einstellung des 3D-Druckers und der Qualität des Druckergebnisses, kannst du mit den Herstellerwerten experimentieren.
Retraction
Der Rückzugsweg und die Rückzugsgeschwindigkeit können je nach Art des Extruders variieren.
Ein Bowden-Extruder benötigt in der Regel einen größeren Rückzugsweg, da hier der Weg zwischen der Druckdüse und dem Materialförderrad länger ist als beim Direct-Extruder.
Die Einzugslänge für Direct-Extruder liegt zwischen 0,5mm-2mm. Bei den Bowden-Extrudern sind wir dagegen bei 4mm-8mm.
Die Rückzugsgeschwindigkeiten sollten sich zwischen 20mm/s bis 45mm/s einpendeln.
Spezial Funktion:
Beim Druck mit PVA Filament kannst du den oberen Abstand zwischen Stützstruktur und Bauteil auf „Null“ setzen. Dadurch wird eine schönere Oberfläche erzeugt, weil das PVA später komplett aufgelöst wird.
Diese Option kann auch über die Raft-Einstellung für eine besser Druckbetthaftung verwendet werden.
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Häufige Druckfehler beim 3D-Druck mit PVA Filament
Was tun bei schwacher bzw. fehlender Stützstruktur (Weak and missing support)?
Mit Hilfe einer Stützstruktur können Objekte gedruckt werden, die sonst nur sehr schwer zu realisieren sind. Modelle mit großen Überhängen sowie Brücken oder Modelle, deren Konturpunkte theoretisch in der „Luft“ gedruckt werden müssten.
Wodurch können Probleme in der Stützstruktur reduziert werden:
- Form der Stützstruktur ändern
- Stützdichte erhöhen
- Druckbetthaftung aktivieren
- Isolierte Stützstrukturen vermeiden
Was tun bei verstopfter Düse (Blocked Nozzle)?
Meist passiert das beim Wechseln der Filament-Spulen. Wird beim Herausziehen des alten Filaments ein kleines Stückchen in der Düse zurückgelassen und man bestückt den Drucker mit neuem Filament, blockiert dieser kleine Rest das Durchdringen des neuen Materials und beginnt sich zu verhärten.
Es gibt fünf Wege die verstopfte Düse wieder funktionsfähig zu machen:
- Düse aufheizen und mit der Nadel durchstechen
- Altes Filament von oben durchdrücken
- Reinigungsfilament nutzen
- Demontage des Druckkopfes
- Chemische Reinigung
Was tun bei Feuchten Filament(Moist Filament)?
Filamente nehmen in kurzer Zeit viel Feuchtigkeit auf, was wesentlichen Einfluss auf die Materialeigenschaften hat.
Feuchtes, weiches Filament macht den Materialvorschub äußerst schwierig, deshalb ist es wichtig nur trockenes Material zu verwenden.
Was sind die Anzeichen von nassem Filament?
- Knall-/Knackgeräusche beim Extrudieren
- Weißer Rauch beim Extrudieren
- Tropfen an den Außenflächen
- Ungleichmäßige Linienbreiten
- Raue Oberfläche
- Reduzierte Schichthaftung
- Instabile Druckteile
Weitere Druckfehler schnell und effektiv beheben?
Nachbearbeitung von drucken aus PVA Filament
PVA Filament wird in den häufigsten Fällen aus Support-Material genutzt. Sämtliche Nachbearbeitungen fallen nach meiner Erfahrung komplett weg, da es schon beim geringsten Kontakt mit Wasser Auflösungserscheinungen zeigt.
Wichtige Fragen zum PVA Filament
Wie kann ich mit PVA Filament drucken?
Da PVA Filament als reines Support-Material verwendet wird, benötigt man einen Dual-3D-Drucker.
Die eine Druckdüse druckt das PVA-Material, während die andere das eigentliche Bauteil mit einem anderen Material druckt.
Auf welchen Materialien haftet PVA Filament?
PVA Filament eignet sich als Support-Material besonders für PLA, TPU und Nylon.
Es gibt mittlerweile spezielle PVA Filamente, die sich auch für PETG, ASA, ABS und PC eignen.
Ist das Drucken mit PVA Filament schwierig?
Drucken mit PVA ist nicht schwierig. Ein Dual-3D-Drucker schafft das relativ problemlos.
Es ist aber äußerst wichtig, nur trockenes PVA Filament zu verwenden. Wenn nicht, kann es zu vielen Druckproblemen kommen.
Wie lange braucht PVA zum Auflösen?
Das Auflösen von PVA dauert mehrere Stunden und ist abhängig vom Mengenverhältnis zwischen Material und Wasser. Eine erhöhte Wassertemperatur kann das Auflösen beschleunigen. Es darf aber auch nicht zu heiß sein, damit sich das Originalbauteil (z.B. aus PLA) nicht verformt.
PVA Filament online kaufen
Hier findest du eine Übersicht, wo du PVA Filament online kaufen kannst. Die Paltzierung erfolgt rein zufällig.
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