Erläuterung des Schmelzschichtverfahrens (FDM 3D-Druck)

FDM ist die gängigste und am weitesten verbreitete 3D-Drucktechnologie für Heimwerker und Endverbraucher. Sie eignet sich für schnelles Prototyping, Funktionstests und die Kleinserienfertigung von Kunststoffteilen. FDM kann mit einer Vielzahl von thermoplastischen Materialien wie ABS, PLA, PETG und Nylon drucken, die unterschiedliche Eigenschaften und Anwendungsbereiche aufweisen.

Was ist Schmelzschichtung (FDM 3D-Druck)?

Das Schmelzschichtverfahren (FDM) ist eine 3D-Drucktechnologie, die Bauteile aus Kunststofffilamenten herstellt, indem diese geschmolzen und anschließend schichtweise aufgetragen werden. [1]

Beim FDM-Verfahren wird Filamentmaterial von einer Spule durch eine beheizte Extruderdüse geführt, die es aufschmilzt und auf eine Bauplattform extrudiert. Die Düse bewegt sich entlang der X- und Y-Achse auf einer vordefinierten Bahn, die auf der digitalen Konstruktionsdatei basiert. Die Bauplattform bewegt sich entlang der Z-Achse und senkt sich nach jeder fertigen Schicht ab. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis das gesamte Bauteil hergestellt ist.

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FDM-3D-Druckmaterialien

FDM-3D-Druckmaterialien sind Filamente, die durch die Extruderdüse geführt und geschmolzen werden, um die Schichten des gedruckten Bauteils zu bilden. Es gibt viele verschiedene Arten von FDM-Filamenten , die sich in ihren Eigenschaften und Anwendungsbereichen unterscheiden.

PLA (Polymilchsäure)

PLA ist ein biologisch abbaubares und umweltfreundliches Material aus Maisstärke oder Zuckerrohr. Es ist das beliebteste und am einfachsten zu verarbeitende FDM-Filament, da es sich durch niedrige Drucktemperaturen, gute Schichthaftung und minimalen Verzug auszeichnet. PLA eignet sich für Prototypen, dekorative Modelle und Bauteile mit geringer Belastung. Es ist in einer breiten Farbpalette und verschiedenen Mischungen erhältlich, darunter auch im Dunkeln leuchtendes, transparentes oder leitfähiges PLA. Allerdings ist es nicht sehr haltbar, hitzebeständig oder flexibel und kann sich mit der Zeit durch Feuchtigkeit oder Sonnenlicht zersetzen.

ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol)

ABS ist ein robustes und widerstandsfähiges Material, das in der Kunststoffindustrie weit verbreitet ist. Es ist schlag-, hitze- und chemikalienbeständig und eignet sich daher ideal für Funktionsteile wie Zahnräder, Gehäuse oder Abdeckungen. ABS kann durch Schleifen, Glätten oder Lackieren nachbearbeitet werden. Allerdings benötigt ABS zum Drucken ein beheiztes Druckbett und eine gut belüftete Umgebung, da es sich beim Abkühlen verzieht und schrumpft und beim Erhitzen unangenehme Dämpfe freisetzt.

PET (Polyethylenterephthalat)

PET ist ein thermoplastisches Polymer, das häufig für Plastikflaschen und Lebensmittelbehälter verwendet wird. PET ist recycelbar, transparent und lebensmittelecht. PET kann auch zu PETG (Polyethylenterephthalatglykol) modifiziert werden, welches flexibler, haltbarer und einfacher zu verarbeiten ist als PET. PET und PETG eignen sich für den Druck von Teilen, die Wasser, Hitze oder Chemikalien standhalten müssen, wie beispielsweise Vasen, Flaschen oder Außenmodelle. PET und PETG weisen eine gute Schichthaftung und minimalen Verzug auf, benötigen jedoch unter Umständen höhere Drucktemperaturen und geringere Druckgeschwindigkeiten als PLA oder ABS.

Nylon (Polyamid)

Nylon ist ein synthetisches Polymer, das für seine Festigkeit, Flexibilität und Abriebfestigkeit bekannt ist. Es eignet sich für den 3D-Druck von Bauteilen, die hohen Belastungen, Verschleiß oder Stößen standhalten müssen, wie beispielsweise Scharniere, Zahnräder oder Lager. Nylon kann zudem gefärbt oder mit anderen Materialien wie Kohlenstoff- oder Glasfaser gemischt werden, um seine Eigenschaften zu verbessern. Allerdings ist Nylon hygroskopisch, d. h. es zieht Feuchtigkeit aus der Luft an, was die Druckqualität und -leistung beeinträchtigen kann. Außerdem benötigt Nylon zum Drucken hohe Temperaturen und ein beheiztes Druckbett und kann sich beim Abkühlen verziehen oder schrumpfen.

TPU (Thermoplastisches Polyurethan)

TPU ist ein flexibles Filament, das sich biegen, dehnen und stauchen lässt, ohne zu brechen. Es eignet sich zum Drucken elastischer Teile wie Dichtungen, Manschetten oder Handyhüllen. TPU zeichnet sich durch gute Abriebfestigkeit, Chemikalienbeständigkeit und Stoßdämpfung aus. Allerdings ist es schwieriger zu verarbeiten als starre Filamente, da es die Extruderdüse verstopfen oder sich auf der Bauplattform verziehen kann. Zudem erfordert TPU im Vergleich zu PLA oder ABS eine geringere Druckgeschwindigkeit und eine höhere Drucktemperatur.

PC (Polycarbonat)

Polycarbonat (PC) ist ein Hochleistungsmaterial mit hervorragenden mechanischen, thermischen und optischen Eigenschaften. Es zählt zu den stärksten und hitzebeständigsten FDM-Filamenten und hält Temperaturen bis zu 110 °C sowie Stößen stand, die bis zu 250-mal höher sind als die von Glas. PC eignet sich für den Druck von Bauteilen, die hohen Belastungen, Hitze oder Licht standhalten müssen, wie beispielsweise Automobilteile, medizinische Geräte oder Linsen. Allerdings ist der Druck mit PC sehr anspruchsvoll, da er eine sehr hohe Drucktemperatur, ein beheiztes Druckbett, eine beheizte Kammer und eine gute Belüftung erfordert, um Verformungen, Risse oder Rauchentwicklung zu vermeiden.

Dies sind einige der gängigsten Materialien für den FDM-3D-Druck. Dennoch sind viele weitere Optionen auf dem Markt erhältlich, beispielsweise Filamente aus Holz, Metall oder Keramik , die unterschiedliche ästhetische und funktionale Eigenschaften bieten. Die Materialwahl hängt von den gewünschten Eigenschaften, dem Anwendungsbereich und dem Budget des gedruckten Teils ab.

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Wie funktioniert der FDM-3D-Druck?

Schritt 1: Design

Im ersten Schritt erstellen oder laden Sie ein digitales 3D-Modell des zu druckenden Teils herunter. Sie können Ihr eigenes Modell mit verschiedenen Software-Tools wie CAD, Blender oder Tinkercad entwerfen oder vorgefertigte Modelle auf Online-Plattformen wie Thingiverse, MyMiniFactory oder Cults finden. Das 3D-Modell sollte in einem mit Ihrem 3D-Drucker kompatiblen Dateiformat gespeichert werden, z. B. STL, OBJ oder 3MF.

Schritt 2: Schneiden

Im nächsten Schritt wird das 3D-Modell in eine für den 3D-Drucker verständliche Anweisung umgewandelt. Dazu verwendet man eine Slicing-Software wie Cura, Simplify3D oder PrusaSlicer. Diese teilt das Modell in dünne, horizontale Schichten auf und generiert eine G-Code-Datei mit den Parametern und Befehlen für den 3D-Drucker, beispielsweise Druckgeschwindigkeit, Temperatur, Füllung und Stützstrukturen. Diese Einstellungen können Sie an Ihre Vorlieben und das verwendete Material anpassen.

Schritt 3: Drucken

Im letzten Schritt laden Sie die G-Code-Datei in Ihren 3D-Drucker und starten den Druckvorgang. Der 3D-Drucker heizt die Extruderdüse und die Bauplattform auf und führt das Filament von der Spule durch den Extruder. Der Extruder bewegt sich entlang der X- und Y-Achse, folgt dem Pfad jeder Schicht und trägt das geschmolzene Filament auf die Bauplattform auf. Die Bauplattform fährt entlang der Z-Achse und senkt sich nach jeder fertigen Schicht ab. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis das gesamte Bauteil erstellt ist. Je nach Größe und Komplexität des Bauteils kann die Druckzeit zwischen wenigen Minuten und mehreren Stunden variieren.

Schritt 4: Entfernen

Sobald der Druckvorgang abgeschlossen ist, können Sie das Bauteil von der Bauplattform entfernen. Verwenden Sie dazu gegebenenfalls einen Spatel oder Schaber oder nutzen Sie ein beheiztes Druckbett, um das Entfernen zu erleichtern. Gegebenenfalls müssen Sie auch alle Stützstrukturen oder Rafts entfernen, die zur Verbesserung der Stabilität oder Qualität des Bauteils angebracht wurden. Verwenden Sie dazu vorsichtig eine Zange, einen Seitenschneider oder eine Pinzette.

Schritt 5: Nachbearbeitung

Im letzten Schritt wird das Bauteil nachbearbeitet, um sein Aussehen und seine Funktionalität zu verbessern. Hierfür eignen sich verschiedene Methoden wie Schleifen, Glätten, Lackieren oder Kleben, um die Oberflächenbeschaffenheit, die Farbe oder die Festigkeit des Bauteils zu optimieren. Auch andere Techniken wie Bohren, Gewindeschneiden oder Einsetzen ermöglichen das Hinzufügen von Merkmalen oder Komponenten. Die Wahl der Nachbearbeitungsmethoden hängt vom Material und dem Anwendungsbereich des Bauteils ab.

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FDM-Toleranzen und Anwendungen

Die Toleranzen beim FDM-3D-Druck sind zulässige Abweichungen von den Sollmaßen des gedruckten Bauteils. Sie sind wichtig, um Passgenauigkeit, Funktion und Qualität des Bauteils zu gewährleisten, insbesondere wenn es Teil einer Baugruppe ist oder bewegliche Komponenten enthält. Die FDM-Toleranzen hängen von verschiedenen Faktoren ab, wie dem Material, dem Drucker, der Ausrichtung, der Schichthöhe und der Nachbearbeitung des Bauteils.

Einigen Quellen zufolge beträgt die typische Toleranz eines 3D-Druckers für das FDM-Verfahren:

± 0,5 % (untere Grenze: ± 0,5 mm)

Bei einem Bauteil mit einer Abmessung von 100 mm liegt die erwartete Fehlertoleranz zwischen 99,5 mm und 100,5 mm. Dies ist jedoch nur ein Richtwert; die tatsächliche Toleranz kann je nach Anwendungsfall und Druckereinstellungen variieren. Einige High-End-FDM-Drucker erreichen Fehler von nur 0,1 %.

Anwendungen

● Funktionale Prototypen: Mit FDM lassen sich Bauteile herstellen, die die Leistung und Funktionalität des Endprodukts simulieren, beispielsweise Zahnräder, Gehäuse oder Abdeckungen. FDM ermöglicht zudem das Drucken mit Hochleistungsmaterialien wie PPSF oder PC, die hohen Belastungen, Hitze oder Chemikalien standhalten.

● Produktions- und Fertigungswerkzeuge: Mit FDM lassen sich Werkzeuge herstellen, die Produktions- und Fertigungsprozesse unterstützen oder verbessern, wie z. B. Vorrichtungen, Lehren, Formen oder Führungen. FDM ermöglicht auch das Drucken mit flexiblen Materialien wie TPU, die sich biegen, dehnen oder stauchen lassen, ohne zu brechen.

● Konzeptmodelle: Mit FDM lassen sich Modelle erstellen, die das Design und Aussehen des Produkts veranschaulichen, beispielsweise Architekturmodelle, Skulpturen oder Figuren. FDM ermöglicht zudem den Druck mit verschiedenen Farben und Farbmischungen, darunter auch nachleuchtendes, transparentes oder leitfähiges PLA.

● Teile in Serienqualität: Mit FDM lassen sich Teile herstellen, die sowohl als Endprodukt als auch als Produktkomponente eingesetzt werden können, beispielsweise in Medizinprodukten, Automobilteilen oder Konsumgütern. FDM ermöglicht zudem das Drucken mit recycelbaren, biologisch abbaubaren oder lebensmittelechten Materialien wie PET oder PLA.

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FDM-Nachbearbeitung

Die FDM-Nachbearbeitung ist der Prozess der Verbesserung des Aussehens und der Funktionalität von FDM-gedruckten Teilen durch Anwendung verschiedener Methoden und Techniken nach dem Druckvorgang. Sie kann dazu beitragen, Schichtlinien zu entfernen, die Oberfläche zu glätten, die Farbe zu intensivieren oder die Festigkeit des Teils zu erhöhen.

Die FDM-Nachbearbeitung ermöglicht das Hinzufügen von Merkmalen oder Komponenten zum Bauteil, wie z. B. Bohrungen, Gewinde oder Einsätze. Die FDM-Nachbearbeitung lässt sich in zwei Kategorien unterteilen: mechanische und chemische.

● Die mechanische Nachbearbeitung umfasst die Anwendung physikalischer Werkzeuge oder Verfahren zur Modifizierung des Bauteils, wie z. B. Schleifen, Polieren, Lackieren oder Bohren. Sie kann die Oberflächengüte, Genauigkeit oder Ästhetik des Bauteils verbessern, aber auch Kratzer, Spuren oder Verformungen verursachen.

● Die chemische Nachbearbeitung umfasst die Verwendung von chemischen Substanzen oder Lösungsmitteln zur Modifizierung des Bauteils, beispielsweise durch Dampfglättung, Tauchen oder Metallisierung. Durch die chemische Nachbearbeitung kann eine glatte, glänzende oder metallische Oberfläche erzeugt werden, jedoch können auch Geometrie, Eigenschaften oder Leistung des Bauteils verändert werden.

Vor- und Nachteile des FDM-3D-Drucks

Vorteile des FDM-3D-Drucks

Bezahlbarkeit

Der FDM-3D-Druck zählt zu den kostengünstigsten 3D-Drucktechnologien, da er niedrige Anschaffungs- und Betriebskosten aufweist. FDM-3D-Drucker sind preiswert und einfach zu erwerben, zu warten und zu reparieren. Auch FDM-Filamente sind preiswert und weit verbreitet erhältlich.

Zugänglichkeit

FDM-3D-Druck ist die gängigste und beliebteste 3D-Drucktechnologie, da sie einfach und benutzerfreundlich ist. FDM-3D-Drucker sind leicht einzurichten, zu bedienen und zu warten. Sie sind außerdem mit verschiedenen Software-Tools wie CAD, Blender oder Cura kompatibel, die beim Entwerfen, Slicen und Drucken der Modelle helfen.

Vielseitigkeit

Das FDM-3D-Druckverfahren verarbeitet eine Vielzahl thermoplastischer Materialien wie PLA, ABS, PETG und Nylon, die unterschiedliche Eigenschaften und Anwendungsbereiche aufweisen. Mithilfe von Stützstrukturen oder Rafts, die nach dem Druck entfernt werden können, lassen sich mit dem FDM-3D-Druckverfahren auch Bauteile mit komplexen Geometrien, Überhängen oder Hohlräumen herstellen.

Funktionalität

Mit dem FDM-3D-Druckverfahren lassen sich Bauteile herstellen, die die Leistung und Funktionalität des Endprodukts simulieren, beispielsweise Funktionsprototypen, Produktionswerkzeuge oder Endprodukte. Auch Bauteile aus Hochleistungsmaterialien wie PC, PEEK, TPU oder ULTEM können gedruckt werden, die hohen Belastungen, Temperaturen oder Chemikalien standhalten.

Nachteile des FDM-3D-Drucks

Auflösung

Der FDM-3D-Druck weist im Vergleich zu anderen 3D-Drucktechnologien wie SLA oder SLS eine geringere Auflösung und Genauigkeit auf, da er mit einer relativ großen Schichthöhe und einem begrenzten Düsendurchmesser arbeitet. FDM-3D-Drucke erzeugen Bauteile mit sichtbaren Schichtlinien, rauen Oberflächen und ungenauen Details, insbesondere bei kleinen oder gekrümmten Formen.

Stärke

FDM-3D-Druckverfahren weisen im Vergleich zu anderen 3D-Drucktechnologien wie SLS oder MJF eine geringere Festigkeit und Haltbarkeit auf, da sie eine anisotrope Struktur und eine schwache Schichthaftung besitzen. FDM-3D-Druckteile können daher bruch-, riss- oder verzugsgefährdet sein, insbesondere unter hoher Belastung, Hitze oder Feuchtigkeit.

Unterstützung

Beim FDM-3D-Druck sind Stützstrukturen oder Rafts erforderlich, um Bauteile mit Überhängen, Stegen oder Löchern zu drucken, da das Drucken in der Luft nicht möglich ist. Stützstrukturen oder Rafts können den Materialverbrauch, die Druckzeit und den Nachbearbeitungsaufwand beim FDM-3D-Druck erhöhen.

Unterschiede zwischen FFF- und FDM-3D-Druck

Fused Filament Fabrication (FFF) und Fused Deposition Modeling (FDM) sind zwei Begriffe, die oft synonym verwendet werden, um dieselbe 3D-Drucktechnologie zu beschreiben. Es besteht jedoch ein feiner Unterschied zwischen ihnen, der mit ihrem Ursprung und dem Markenschutz zusammenhängt.

FDM ist die ursprüngliche Bezeichnung für das 3D-Druckverfahren, das 1989 von Scott Crump, dem Mitbegründer von Stratasys, erfunden und patentiert wurde. FDM ist eine eingetragene Marke von Stratasys und bezieht sich auf die spezifischen 3D-Drucker und Materialien, die das Unternehmen herstellt und verkauft.

FFF ist die generische Bezeichnung für das 3D-Druckverfahren und wurde 2009 von den Mitgliedern des RepRap-Projekts geprägt, einer Open-Source-Initiative zur Entwicklung selbstreplizierender 3D-Drucker. Die Verwendung ist für jedermann frei und bezieht sich auf die allgemeine 3D-Drucktechnologie sowie die damit kompatiblen Maschinen und Materialien.

Technisch gesehen sind FFF und FDM im Wesentlichen identisch. Es kann jedoch Unterschiede in Qualität und Leistung der als FDM oder FFF bezeichneten 3D-Drucker und -Materialien geben. FDM-Drucker und -Materialien sind in der Regel teurer, bieten aber auch eine höhere Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit als FFF-Drucker und -Materialien.

Der Hauptunterschied zwischen FFF- und FDM-3D-Druckverfahren liegt daher nicht in der Technologie selbst, sondern in der Marke und der Qualität der Produkte.

FDM 3D-Druckservice

Der FDM-3D-Druckservice bietet eine komfortable und kostengünstige Möglichkeit, die Vorteile des FDM-3D-Drucks zu nutzen, ohne in einen eigenen Drucker oder Materialien investieren zu müssen. Er ermöglicht die schnelle und flexible Herstellung hochwertiger Teile für Prototypen, Tests oder die Serienproduktion.

Der industrielle FDM-3D-Druck ist eine fortschrittlichere und zuverlässigere Variante des FDM-3D-Drucks, die Bauteile mit höherer Genauigkeit, Wiederholgenauigkeit und Haltbarkeit herstellen kann. Er eignet sich auch für Hochleistungsmaterialien wie ULTEM, PPSF oder PEKK, die hohen Belastungen, Temperaturen und Chemikalien standhalten.

Referenzen:

[1] Was ist Fused Deposition Modeling (FDM) und wofür wird es eingesetzt? https://engineeringproductdesign.com/knowledge-base/fused-deposition-modeling/