Fused Deposition Modeling (FDM)

Seit wann gibt es das Fused Deposition Modeling (FDM)?

Erfunden wurde das Verfahren in den späten 1980er Jahren vom Maschinenbauingenieur Steven Scott Crump, dem Gründer des 3D-Drucker-Unternehmens Stratasys, Ltd. Patentiert wurde die Technologie 1989. Den ersten voll funktionsfähigen FDM-Drucker brachte er 1992 auf den Markt.

Wie wird der FDM-Druck noch genannt?

Eine alternative Bezeichnung dieses Druckverfahrens lautet Fused Filament Fabrication (FFF). Diese wurde durch Mitglieder des RepRap-Projektes geprägt, die damit einen markenrechtsfreien Wortgebrauch ermöglichen wollten. Vom VDI (Verein deutscher Ingenieure) wurde außerdem der Terminus Fused Layer Modelling (FLM) etabliert.

Welche Materialien eignen sich für den FDM-Druck?

Für dieses Verfahren eignen sich Formwachse, Thermoplaste wie Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polylactid (PLA), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und Polyethylenterephthalat (PET bzw. PETG) sowie thermoplastische Elastomere (TPE).

Um rein metallische Strukturen zu generieren, werden die Kunststoff-Filamente zu 90 Gew.-% mit Metallpulvern gefüllt und anschließend gedruckt, um dem Metallpulver mit Binderpolymer Form zu verleihen. Danach wird das Druck-Objekt entbindert und gesintert, um eine feste, rein metallische Struktur zu erhalten. Auf diese Weise lassen sich auch Bauteile aus Metallmatrix-Verbundwerkstoffen erzeugen.

Mechanisch ähnliche Eigenschaften wie Metalle haben Hochleistungskunststoffe wie PEEK, PEKK und ULTEM. Um diese zu verarbeiten, muss der FDM-Drucker über einen Extruder verfügen, der mehr als 350 °C erreichen kann. Zudem muss sich das Heizbett auf mindestens 230 °C aufheizen lassen, um das Druckobjekt vom Druckbett ablösen zu können. Überdies sind stärkere Kühlmechanismen notwendig, um in der geschlossenen Kammer ein optimales Temperaturgleichgewicht zu gewährleisten.

Welches Material wird für den FDM-Druck am häufigsten verwendet?

Der beliebteste Werkstoff für dieses Verfahren ist Polymilchsäure (Polylactid, PLA). Dieser Kunststoff lässt sich bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen von circa 190 bis 220 °C verarbeiten. Er schwindet kaum und verursacht weder störende noch gesundheitsschädliche Ausgasungen. Zudem stellt er keine speziellen Anforderungen an den Drucker bezüglich einer beheizten Bauplattform oder eines geschlossenen Bauraums.

Bei großen Modellen kann eine beheizbare Druckplatte dennoch Vorteile bieten. Die Wärme bewirkt ein leichtes Ankleben der ersten Schicht und gewährleistet damit eine bessere Haftung des Modells im weiteren Druckprozess. Eine ausreichende Haftung lässt sich auch durch das Aufbringen einer Klebstoffschicht auf die Plattform erzielen. Im Amateurbereich kommen zudem Haarspray oder Malerkreppband (Blue-Tape) zur Anwendung.

Lassen sich beim FDM-Druck mehrere Materialien in einem Druck-Objekt realisieren?

Die Option, mehrere unterschiedliche Werkstoffe in einem Bauteil zu kombinieren, ist eine hervorstechende Besonderheit des FDM-Verfahrens. Hierzu muss es möglich sein, das Material innerhalb einer Schicht zu wechseln. Dafür gibt es folgende technische Lösungen:

– mehrere unabhängige Düsen an einem Druckkopf,
– mehrere Filamente, welche in einer Düse zusammenlaufen,
– mehrere Druckköpfe auf einer Achse (IDEX = Independent Dual Extruder),
– automatisch wechselbare Druckköpfe (ähnlich einem Werkzeugwechsler in einer CNC-Fräsmaschine),
– automatisch wechselnde Filamente,
– verschweißen unterschiedlicher Materialabschnitte passend zum neuen Filament.

Der 3D-Druck mit mehreren Materialien bietet sich für bunte Modelle, aber auch für Hart-Weich-Kombinationen an. Zudem ist es möglich, zusätzlich zum eigentlichen Modellmaterial ein lösliches oder leicht zu entfernendes Stützmaterial für komplexe Bauteilgeometrien zu verwenden.

Welche Schichtdicken sind mit dem FDM-Druck möglich?

Abhängig vom Anwendungsfall liegen die Schichtdicken beim FDM-Druck zwischen 0,025 und 1,25 mm. Es können sowohl Voll- als auch Hohlkörper gefertigt werden. Verfahrensbedingt unterliegen die Wanddicken von Hohlkörpern je nach 3D-Drucker gewissen Beschränkungen.

Welche Vorteile bietet der FDM-Druck?

Das FDM-Verfahren kommt ohne Laserstrahlen und Chemikalien aus und kann somit auch in Büroumgebungen eingesetzt werden. Nicht umsonst erfreut es sich bei Heimanwendern einer immer größeren Beliebtheit. Die größten Vorteile des FDM-Drucks liegen in:

• der einfachen Bedienbarkeit,
• seiner Geschwindigkeit
• dem überschaubaren Kostenaufwand
• dem geringen Platzbedarf.

Welche Nachteile hat der FDM-Druck?

Nachteilig sind die begrenzte Genauigkeit der Druck-Objekte, die limitierte Materialvielfalt und die Notwendigkeit von Stütz- und Supportstrukturen im Fertigungsprozess, die anschließend aufwendig entfernt werden müssen. Aufgrund der kleinen Bauräume von FDM-Druckern sind zudem die Bauteilgrößen eingeschränkt.

Welche Unterschiede gibt es zwischen FDM und SLA?

Beim schichtweisen Aufbau von 3D-Druckmodellen können in jeder Schicht Ungenauigkeiten auftreten. Das für den Schichtaufbau genutzte 3D-Druckverfahren beeinflusst die Präzision und die Oberflächenqualität der einzelnen Schichten und damit auch die Qualität des ganzen Drucks.

FDM-Drucker erstellen das Druckobjekt, indem sie geschmolzenes Filament schichtweise im Druckbereich hinzufügen. Der Aufbau der Druckobjekte erfolgt von unten nach oben. Beim SLA-Druck wird ein Photopolymer (Harz) mit Hilfe von Licht oder reinem UV-Licht selektiv ausgehärtet und verbindet sich dabei mit der vorherigen Schicht. Die Bauplattform hebt das Druckmodell aus dem Harz und der Laser „malt“ die nächste Schicht in die Flüssigkeit. Hier geschieht der Aufbau von oben nach unten.

Hinsichtlich der Druckqualität hat der SLA-Druck die Nase vorn. Dafür punktet der FDM-Druck durch höhere Geschwindigkeit und geringere Kosten.

Welche Arten von FDM-Druckern gibt es?

Kartesischer 3D-Drucker

Der am weitesten verbreitete Typ von FDM-3D-Druckern ist der kartesische 3D-Drucker. Er verdankt seinen Namen dem von ihm verwendeten Maßkoordinatensystem. Dieses besteht aus drei orthogonalen Achsen, über welche die Bewegungen des Druckkopfes in den drei Dimensionen koordiniert bzw. gesteuert werden.

In aller Regel entspricht das Druckbett dieser Maschine der Z-Achse, während der Extruder auf der X- und Y-Achse platziert ist. Die größten Vorteile dieser Drucker bestehen in ihrem günstigen Preis und im einfachen Aufbau. Zum Teil werden sie in Bausätzen verkauft, die von Hand montiert werden können.

Delta-3D-Drucker

Delta-Drucker arbeiten ebenfalls mit kartesischen Koordinaten. Sie verfügen über ein kreisförmiges Druckbett. Dieses ist kombiniert mit einem Extruder, der oberhalb über eine dreieckige Konstruktion befestigt ist. Hierauf ist der Name „Delta“ zurückzuführen. Jeder der drei Arme lässt sich nach rechts und links sowie auf und ab bewegen, sodass der Druckkopf dreidimensional arbeiten kann. Die Fertigungsgrenzen dieser Drucker werden durch den Durchmesser des Druckbetts und die Höhe der Arme vorgegeben. Die Delta-3D-Drucker punkten mit Geschwindigkeit und Qualität, sind jedoch komplexer zu kalibrieren als andere FDM-Drucker-Typen.

Polar-3D-Drucker

Diese FDM-Drucker realisieren den 3D-Druck über Polarkoordinaten. Koordinatensätze beschreiben Punkte nicht auf einem Quadrat, sondern auf einem kreisförmigen Gitter. Statt über X-, Y- und Z-Achsen erfolgt die Lagebestimmung über Winkel und Längen. Das Druckbett dreht sich, während sich der Druckkopf nach links, rechts, oben und unten bewegt. Aufgrund der rotierenden Oberfläche eignen sich diese Geräte optimal für den Druck von Objekten, die einer Spirale folgen. Während kartesische Drucker mindestens drei Motoren, einen pro Achse, benötigen, kommen polare Lösungen mit nur zwei Motoren aus. Damit sind sie auf lange Sicht energieeffizienter. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Geräte trotz ihres geringen Platzbedarfs Objekte mit größerem Bauvolumen fertigen können. Das Hauptproblem dieser Geräte ist die Genauigkeit. In der Mitte arbeiten die Maschinen deutlich präziser als im äußeren Bereich. Daher ist es nicht sinnvoll, die Drucke zu vergrößern.

3D-Druck mit Roboterarmen

Das Drucken über einen Roboterarm befindet sich noch im Entwicklungsstadium und wurde bislang nur in wenigen Unternehmen eingeführt. In erster Linie findet es im Baugewerbe Verwendung. Dieses Herstellungsverfahren kommt ohne festes Druckbett aus und ermöglich damit eine größere Mobilität. Es erlaubt eine schnellere und einfachere Automatisierung von Produktionsprozessen und eröffnet aufgrund der flexiblen Bewegung des Extruderkopfes zahlreiche neue Optionen für komplexe Designs. Die Qualität reicht allerdings noch nicht an die eines kartesischen Druckers heran.

Hybrid-3D-Drucker

Die hybride Fertigung kombiniert den 3D-Druck mit subtraktiven Methoden wie Fräsen. Die meisten FDM-Hybrid-Drucker haben eine kartesische Struktur. Einige basieren aber auch auf einem Roboterarm, der sowohl Material extrudieren als auch subtraktive Verfahren anwenden kann. Lösungen, die beide Technologien zusammenführen, sind mit einem höheren Preis verbunden. Dafür erweitern sie die Möglichkeiten der Teileherstellung.

Welche Unterschiede gibt es bei den Extruder-Systemen?

Direkt-Extruder

Beim Direkt-Extruder befinden sich die Rändelräder für den Filamentvorschub einschließlich des dazugehörigen Motors unmittelbar am Druckkopf. Dadurch muss das Material vom Einzug bis zur Düse nur einen kurzen Weg bewältigen. Der zwischen den Treibrädern und der Düse befindliche Filamentabschnitt wird durch die Vorschubkraft komprimiert. Da er sich erst spannen bzw. entspannen muss, um Druck in der Düse zu erzeugen oder abzubauen, erfolgen Start und Stopp beim Materialaustrag immer zeitlich verzögert. Daher bietet die kurze Distanz vor allem bei weichen Filamenten Vorteile. Der schwere Motor erhöht allerdings die Massenträgheit des Druckkopfes. Hieraus resultiert die etwas geringere Druckgeschwindigkeit bei diesem Bauprinzip.

Bowden-Extruder

Bei dieser Variante befinden sind Förderrädchen und Motor fest am Druckergehäuse montiert und tragen damit nicht zur bewegten Masse bei. Ein längerer PTFE-Schlauch stützt das Filament und leitet es zum Druckkopf. Dieser ist dadurch leichter, jedoch kann die Reibung innerhalb des Schlauchs die ohnehin schon begrenzte Vorschubkraft noch weiter verringern. Aus der Federwirkung des langen Filamentabschnitts resultiert eine schlechtere Kontrolle über den Materialaustrag.

Welche Druckparameter spielen beim FDM-Druck eine Rolle?

Die Qualität und die Oberflächenbeschaffenheit der Druck-Objekte sowie die Geschwindigkeit des FDM-Drucks hängen von verschiedenen Druckparametern ab, die sich zum Teil gegenseitig beeinflussen. Folgende Schlüsselbereiche verlangen ein besonderes Augenmerk:

Druckgeschwindigkeit

Eine zu hohe Geschwindigkeit des 3D-Druckers kann zu Druckfehlern wie einfallenden Ecken und zusammengedrückten Teilen führen. Im Allgemeinen leiden die Qualität und die Oberflächenbeschaffenheit der Druck-Objekte.

Schichthöhe

Eine niedrigere Schichtdicke erzeugt glattere Oberflächen, verlangsamt jedoch den Druck. Spielt die Qualität nur eine untergeordnete Rolle, lässt sich der Druck durch große Schichthöhen beschleunigen. Für detaillierte, komplexe Ausdrucke empfiehlt es sich, die niedrigste Schichthöhe zu verwenden. Bei einfachen Objekten wie einem Würfel können sind auch größere Schichtdicken möglich, ohne merkliche Qualitätsverluste hinnehmen zu müssen.

Düsendurchmesser

Bei den meisten Düsen liegt der Bohrlochdurchmesser zwischen 0,1 und 2 mm. Standard sind Düsen mit 0,4 mm Durchmesser. Kleinere Düsendurchmesser erzeugen glattere Oberflächen und mehr Details, verlangsamen aber den Druck.

Fülldichte

Je höher die Fülldichte ist, desto mehr Zeit benötigt der Drucker, um eine Schicht fertigzustellen. Durch einen geringeren Füllgrad lässt sich der Druck beschleunigen. Bei einem zu niedrigen Füllgrad können Löcher in Übergängen und in der obersten Schicht entstehen.

Wie lange dauert der 3D-Druck mit dem FDM-Verfahren?

Für den Druck eines Kalibrierungswürfels mit 20 mm Kantenlänge benötigt ein FDM-Drucker mit 0,4-mm-Düse, einer Schichthöhe von 0,2 mm und einem Füllgrad von 20 % circa eine halbe Stunde. Abhängig von den gewählten Einstellungen (Düsendurchmesser, Schichthöhe, Füllgrad, Drucktemperatur) kann sich die Druckdauer verlängern oder verkürzen.

Die Druck-Materialien spielen hinsichtlich der Druckzeit keine große Rolle, da sie sich in aller Regel gleichschnell drucken lassen. Ausnahmen bilden spezielle Materialien wie TPU, also flexible Filamente. Diese dürfen insbesondere bei Bowden-Extrudern nicht zu schnell gedruckt werden, weil das Material sonst nicht rasch genug schmilzt und die Düse verstopft. Bei Direct-Drive-Extrudern kann das zu schnelle Einziehen des Filaments dazu führen, dass es sich im Extruder verfängt.

Für welche Einsatzfelder eignet sich der FDM-Druck?

Seine Wurzeln hat der FDM-3D-Druck im Rapid Prototyping. Bei diesem ging es vorrangig um die Herstellung von Anschauungsmustern und Einbauproben, um die spätere Fertigung des Bauteils in einem Massenfertigungsverfahren wie dem Spritzgießen vorzubereiten. Aufgrund der großen Auswahl an Hochleitungspolymeren und für unterschiedlichste Zwecke zertifizierten Materialien (z. B. Lebensmittelsicherheit, Flammenschutz, im medizinischen Bereich einsetzbar) hat sich das Einsatzfeld dieses Druckverfahrens mittlerweile deutlich vergrößert.

Der FDM-Druck kommt sowohl bei der Produktion komplexer Funktionsteile in geringen Stückzahlen als auch für den Bau detaillierter, funktionaler Prototypen zur Anwendung. Darüber hinaus eignet er sich für große, voluminöse und dickwandige Bauteile. Dank der großen Materialauswahl lassen sich Prototypen teilweise direkt aus den späteren Produktionswerkstoffen erstellen.

In einigen Bereichen hat der FDM-Druck mittlerweile den Spritzguss ersetzt, beispielsweise in der Ersatzteilfertigung oder im Sonderteilebau. In der Medizintechnik findet das Verfahren zur Fertigung individuelle Prothesen und Implantate Verwendung. Außerdem gehören dekorative Objekte, Verbindungselemente, Gehäuse für die Elektronik und die Herstellung von Gleitern und Rollen zu den typischen Einsatzfeldern.

Welche Sonderverfahren des FDM-3D-Drucks gibt es?

Durch den Wegfall patentrechtlicher Beschränkungen gelang es einzelnen Herstellern in den letzten Jahren, Verfahrensvarianten zu entwickeln, die häufig eigene Bezeichnungen und Abkürzungen verwenden, jedoch immer noch dem Grundprinzip des FDM-Drucks folgen.

Continuous Filament Fabrication (CFF)

Hierbei handelt es sich um eine 3D-Druck-Technologie mit durchgehenden Fasermaterialien. Das dafür eingesetzte Zweifach-Extruder-System verbindet die Fused Filament Fabrication (FFF) und die CFF-Drucktechnik in einem einzigen Druckkopf. Die Außenkonturen der Druck-Objekte werden in Nylon gedruckt, während das Innenleben mit Endloskohlefasern, Glasfasern oder Kevlar versehen wird. Beim Drucken schaltet der 3D-Printer aktiv zwischen beiden Düsen um.

Fused Granular Fabrication (FGF)

Dieses Verfahren arbeitet mit Granulaten anstelle der Filamente. Analog zum Spritzgießen werden die Druckmaterialien über eine kleine Schnecke in den Extruder eingezogen und dort aufgeschmolzen. Auf diese Weise lassen sich auch sehr weiche thermoplastische Elastomere verarbeiten, die in Filamentform zwischen den Treibrädern hindurchrutschen oder durch die Vorschubkraft aus der Filamentführung herausgepresst werden würden. Bei der Verwendung von Granulaten entfällt außerdem die zur Filamentherstellung notwendige zusätzliche Zertifizierung medizinischer Materialien.