Wer regelmäßig im 3D-Druck arbeitet, kennt das Problem: Hygroskopische Materialien wie Nylon, TPU, PETG oder auch einige technische Kunststoffe nehmen bereits während der Lagerung Feuchtigkeit aus der Umgebung auf. Die Folgen reichen von Blasenbildung über eine schlechte Layerhaftung bis hin zu einer deutlich verschlechterten Oberflächenqualität. Eine kontrollierte Materiallagerung gehört deshalb zu den wichtigsten Voraussetzungen für reproduzierbare Druckergebnisse und ist auch bei unserem 3D-Druck-Service fester Bestandteil des Fertigungsprozesses.
Zum Trockenhalten der Filamente kommen große Mengen Silikagel zum Einsatz. Mit der Zeit sättigt sich das Trockenmittel jedoch mit Feuchtigkeit und muss regeneriert werden. Üblicherweise wird hierfür eine Erwärmung im Backofen bei etwa 100 bis 120 °C empfohlen.
In der Praxis zeigte dieses Verfahren jedoch einige Nachteile. Trotz mehrstündiger Erwärmung war nach dem anschließenden Verschließen des Silikagels in einem luftdichten Behälter weiterhin eine deutliche Feuchtigkeitsabgabe festzustellen. Gleichzeitig verfärbten sich die obersten Kugeln bereits leicht bräunlich, obwohl das Trockenmittel offensichtlich noch nicht vollständig regeneriert war.
Da Wasser unter Unterdruck bereits bei wesentlich niedrigeren Temperaturen verdampft, entstand die Überlegung, ob sich Silikagel durch eine Kombination aus Vakuum und moderater Erwärmung effizienter und gleichzeitig materialschonender regenerieren lässt. Konkrete Praxiserfahrungen zu diesem Thema sind im Internet kaum zu finden. Daher wurde der folgende Versuch durchgeführt.
Versuchsaufbau
Als Versuchsaufbau diente eine handelsübliche Vakuumkammer aus Edelstahl mit einem Nutzvolumen von 15 Litern und einem 20 mm starken Acrylglasdeckel. Das Vakuum wurde mit einer ölfreien, zweistufigen Kolben-Vakuumpumpe erzeugt, welche einen Unterdruck von rund -0,982 bar erreicht.
Zum Einsatz kamen etwa zwei Kilogramm farbindizierendes Silikagel. Die verwendeten Indikatorkugeln wechseln abhängig vom Feuchtegehalt ihre Farbe und ermöglichen dadurch eine einfache optische Kontrolle des Regenerationsfortschritts.
Für Versuche mit erhöhter Temperatur wurde die komplette Vakuumkammer auf das Heizbett eines ausgemusterten FDM-3D-Druckers gestellt. Das Druckbett wurde konstant auf 60 °C betrieben. Ein zusätzlicher Temperaturfühler auf Höhe des Deckels zeigte während der gesamten Versuche Temperaturen von lediglich rund 35 °C, sodass der Acrylglasdeckel keiner kritischen Erwärmung ausgesetzt war.
Versuch 1 – Regeneration ausschließlich unter Vakuum
Im ersten Versuch verblieb das Silikagel rund 24 Stunden lang unter nahezu konstantem Vakuum bei Raumtemperatur.
Obwohl der erreichte Unterdruck bereits in einem Bereich liegt, in dem Wasser bei Raumtemperatur siedet, konnte anschließend keine sichtbare Veränderung der Indikatorfarbe festgestellt werden. Das Silikagel blieb vollständig grün.
Dieses Ergebnis war zunächst überraschend und deutete darauf hin, dass ein statisches Vakuum allein offenbar nicht ausreicht, um die im Silikagel gebundene Feuchtigkeit in nennenswertem Umfang freizusetzen.
Versuch 2 – Vakuum mit zusätzlicher Erwärmung
Im zweiten Versuch wurde zusätzlich eine Bodentemperatur von 60 °C eingesetzt.
Auch nach rund sechs Stunden unter Vakuum war optisch zunächst keine Veränderung erkennbar. Das Silikagel zeigte weiterhin seine grüne Indikatorfarbe.
Während der Versuche fiel jedoch eine interessante Beobachtung auf.
Immer dann, wenn die Vakuumkammer kurz belüftet und anschließend erneut evakuiert wurde, bildeten sich im Inneren deutlich sichtbare Nebelschwaden, welche innerhalb weniger Sekunden vollständig abgesaugt wurden.
Die Frage war nun, ob dieser Nebel tatsächlich aus dem Silikagel stammte oder lediglich kondensierte Luftfeuchtigkeit der neu eingeströmten Umgebungsluft darstellte.
Nachweis der Feuchtigkeitsabgabe
Zur Klärung dieser Fragestellung wurde der Versuchsaufbau erweitert.
Der Auslass der Vakuumpumpe wurde über einen Schlauch in eine leere Filament-Trockenbox geleitet, welche mit einem digitalen Hygrometer ausgestattet war.
Bereits unmittelbar nach dem erneuten Evakuieren bildete sich in der Messkammer ein deutlich sichtbarer Feuchtigkeitsnebel. Gleichzeitig stieg die angezeigte relative Luftfeuchtigkeit innerhalb weniger Sekunden auf 99 %.
Damit war erstmals eindeutig nachgewiesen, dass das Silikagel unter Vakuum tatsächlich Wasserdampf freisetzt.
Ebenso auffällig war jedoch, dass dieser Effekt unmittelbar nach Erreichen des gewünschten Unterdrucks nahezu vollständig verschwand. Es wurde kaum noch weitere Feuchtigkeit ausgetragen.
Die Vermutung lag daher nahe, dass zwar Wasser aus dem Silikagel austritt, der Stofftransport innerhalb der nahezu abgeschlossenen Vakuumkammer jedoch schnell zum Erliegen kommt.
Versuch 3 – Kontinuierlicher Luftdurchsatz
Um diese Vermutung zu überprüfen, erhielt die Vakuumkammer einen definierten Lufteinlass.
Über einen langen PTFE-Schlauch konnte kontinuierlich eine sehr geringe Luftmenge nachströmen, während die Vakuumpumpe dauerhaft weiterlief.
Nach mehreren Versuchen stellte sich ein Unterdruck von etwa -0,9 bar als sinnvoller Arbeitsbereich heraus.
War der Luftdurchsatz zu gering, sank die am Pumpenauslass gemessene Feuchtigkeit deutlich ab.
War der Luftdurchsatz dagegen zu hoch, verringerte sich die gemessene Luftfeuchtigkeit ebenfalls wieder, da der freigesetzte Wasserdampf zunehmend mit trockener Umgebungsluft verdünnt wurde.
Im optimalen Bereich zeigte das Hygrometer dagegen dauerhaft 99 % relative Luftfeuchtigkeit. Gleichzeitig bildete sich in der Messkammer bereits nach kurzer Zeit eine sichtbare Wassermenge.
Der kontinuierliche Austrag von Wasserdampf konnte damit eindeutig nachgewiesen werden.
Langzeitversuch
Im anschließenden Langzeitversuch wurde das System mehrere Stunden unter kontinuierlichem Luftdurchsatz betrieben.
Zunächst erfolgte der Betrieb ohne zusätzliche Erwärmung. Trotz des kontinuierlichen Gasstroms konnte hierbei nur eine sehr geringe Feuchtigkeitsabgabe festgestellt werden.
Erst nach dem Zuschalten der Heizplatte auf 60 °C stieg die gemessene Luftfeuchtigkeit am Pumpenauslass unmittelbar wieder auf 99 %. Gleichzeitig sammelte sich im Messbehälter zunehmend Kondenswasser.
Nach rund drei Stunden zeigte die oberste Schicht des Silikagels optisch jedoch weiterhin keine erkennbare Veränderung.
Erst durch leichtes Schwenken der Vakuumkammer wurden darunterliegende Kugeln an die Oberfläche befördert. Diese hatten ihre ursprüngliche orange Färbung bereits wieder angenommen.
Gleichzeitig wurde der zu Beginn beobachtete Belüftungstest erneut durchgeführt.
Während zu Beginn des Experiments beim erneuten Evakuieren deutlich sichtbare Nebelschwaden entstanden, war dieser Effekt nun nahezu vollständig verschwunden.
Das Silikagel hatte somit zweifellos einen erheblichen Teil seiner Feuchtigkeit verloren.
Auffällig war jedoch, dass diese Regeneration offensichtlich überwiegend durch die zugeführte Wärme erreicht wurde. Das Vakuum selbst konnte zwar den ausgetragenen Wasserdampf nachweislich abführen, führte jedoch zu keiner erkennbaren Beschleunigung des eigentlichen Regenerationsprozesses.
| Versuch | Temperatur | Unterdruck | Dauer | Ergebnis |
|---|---|---|---|---|
| Vakuum | 22°C | -0,982 bar | 24 h | keine sichtbare Änderung |
| Vakuum + Wärme | 60°C | -0,982 bar | 6 h | geringe Regeneration |
| Vakuum + Wärme + Luftdurchsatz | 60°C | -0,9 bar | 3 h | deutliche Feuchtigkeitsabgabe, aber keine nennenswerte Zeitersparnis |
Energiebetrachtung
Die Vakuumpumpe lief während der verschiedenen Versuche insgesamt etwas mehr als vier Stunden.
Der gemessene Stromverbrauch betrug dabei rund 1,5 kWh. Hinzu kommt die elektrische Leistung des auf 60 °C beheizten Druckbettes.
Im Vergleich dazu existieren spezielle Silikagelbehälter für Filamenttrockner, welche das Trockenmittel bei kontinuierlichem Luftdurchsatz und moderater Erwärmung regenerieren. Da hierbei auf eine energieintensive Vakuumpumpe verzichtet wird und gleichzeitig ein permanenter Luftaustausch stattfindet, erscheint dieses Verfahren aus heutiger Sicht deutlich wirtschaftlicher.
Fazit
Das Experiment konnte eindeutig nachweisen, dass Silikagel unter Vakuum Wasserdampf freisetzt und dieser kontinuierlich abgeführt werden kann.
Ebenso zeigte sich, dass eine moderate Erwärmung auf etwa 60 °C die Freisetzung der Feuchtigkeit deutlich verstärkt.
Ein nennenswerter Beschleunigungseffekt durch das Vakuum selbst konnte hingegen nicht festgestellt werden. Trotz eines Unterdrucks von rund -0,982 bar verlief die eigentliche Regeneration nicht wesentlich schneller als bei einer Erwärmung ohne Vakuum.
Die Ergebnisse sprechen dafür, dass nicht der Abtransport des Wasserdampfes, sondern die Freisetzung der Feuchtigkeit aus den Poren des Silikagels den geschwindigkeitsbestimmenden Prozess darstellt. Das Vakuum erleichtert zwar den Abtransport des Wassers, beeinflusst diesen eigentlichen Regenerationsschritt jedoch nur gering.
Unter den hier untersuchten Bedingungen steht der zusätzliche technische und energetische Aufwand einer Vakuumanlage daher in keinem sinnvollen Verhältnis zum erzielten Nutzen.
Für die Regeneration größerer Mengen Silikagel erscheint eine Kombination aus moderater Erwärmung und kontinuierlichem Luftdurchsatz derzeit die wirtschaftlichere Lösung.
Der Versuch war dennoch keineswegs erfolglos. Er zeigt, dass sich theoretische Überlegungen nicht immer unmittelbar auf die Praxis übertragen lassen. Gleichzeitig konnte nachvollziehbar dokumentiert werden, warum sich die Regeneration von Silikagel unter Vakuum bislang nicht als etabliertes Verfahren durchgesetzt hat.
Für die Lagerung bereits getrockneter Materialien bleibt die Vakuumtechnik hingegen weiterhin interessant. Eine Vakuumkammer eignet sich hervorragend, um hygroskopische Werkstoffe oder regeneriertes Silikagel nach dem Trocknen ohne erneute Feuchtigkeitsaufnahme abkühlen und lagern zu können. Gerade im professionellen 3D-Druck, in dem trockene Materialien maßgeblich zur Druckqualität beitragen, kann dies je nach Anwendungsfall durchaus einen praktischen Vorteil darstellen.