FDM / FFF: Wir erklären Ihnen das 3D-Druckverfahren

Wir setzen heute unsere Reihe fort, in der wir die verschiedenen 3D-Drucktechnologien erklären. Nach dem Selektiven Lasersintern, geht es heute um die Schmelzschichtung, bzw. FDM – die wohl populärste 3D-Drucktechnologie.

Diese Technologie ist vor allem unter ihrer englischen Bezeichnung FDM (Fused Deposition Modeling) oder auch unter FFF (Fused Filament Fabrication) bekannt. Sie wurde Ende der 1980er von S. Scott Crump entwickelt und durch das von ihm im Jahre 1990 gegründete Unternehmen Stratasys (USA) kommerzialisiert. Eine ebenso wichtige Jahreszahl für diese Technologie stellt 2005 dar, da in diesem Jahr der Professor Adrian Browyer  das Projekt RepRap initierte. Hinter RepRap verbirgt sich die gleichnamige weltweite Bewegung, die zum Ziel hat, selbstdruckende 3D-Drucker zu entwickeln, die zudem durch Open-Source für alle zugänglich sind.

Wie funktioniert FDM?

Diese Technik wird oft als die wohl simpelste der bestehenden Technologien beschrieben. FDM basiert grundsätzlich auf drei Elementen: einem Druckbett, auf dem das Objekt gedruckt wird, einer Spule Filament, die das Druckmaterial liefert, sowie einem Druckkopf, der auch Extruder genannt wird. Zusammenfassend kann man sagen, dass das Filament abgerollt und anschließend vom Extruder geschmolzen wird, der nun das Material Schicht für Schicht auf der Druckplatte ablegt.

Nahaufnahme des Extruders des 3D-Druckers Replicator 2 von Makerbot

Wer „3D-Druck“ sagt, spricht gleichzeitig vom „3D-Druck-Modell“. Alles beginnt mit der virtuellen Konzeption eines Objektes mit Hilfe einer CAD-Anwendung (wie zum Beispiel SolidWorks, TinkerCAD oder Blender). Bevor die erhaltene 3D-Datei an den Drucker geschickt wird, wird sie (meistens im Format STL) über eine spezielle „Slicing“-Software, wie zum Beispiel Makerware, Cura oder Repetier, in viele einzelne Schichten zerlegt. Nun kann der Druck selbst beginnen.

Der 3D-Druck beginnt mit der Aufheizung des Gerätes auf eine Temperatur von ca. 200°C, welche für das Aufschmelzen des Materials erforderlich ist. Als die wichtigsten Materialien im Bereich FDM gelten PLA (Polylactide) und ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer).

Wenn der Drucker einmal aufgewärmt ist, wird das Filament entweder mit dem Durchmesser 1,75 mm oder 2,85 mm auf dem Druckbett abgetragen, indem die Düse sich entlang der X-, der Y- und der Z-Achse bewegt. Nach jeder abgeschlossenen Lage senkt sich das Druckbett ab (Z-Richtung) und so entsteht Schicht für Schicht das finale Objekt.

Während des Druckens werden manchmal Stützen verwendet, um überhängende Komponenten zu stützen und zu stabilisieren, damit diese nicht abbrechen. Man kann diese Stützen aus dem gleichen Material, wie das Objekt selbst, drucken oder mit einem anderen Material, welches sich beim Kontakt mit Wasser auflöst. Andere etwas komplexere Drucker machen es möglich, mehrere Farben oder verschiedene Materialien miteinander zu kombinieren.

Die Druckplatte eines Zotrax M200. Hier sieht man deutlich das Supportmaterial unterhalb dieses berühmten Zeitgenossens.

Materialien

Diese Technologie ist kompatibel mit einer großen Anzahl an thermoplastischen Polymeren (PLA, ABS, Polycarbonat, PET, PS, ASA, PVA, Nylon, ULTEM) und zahlreichen weiteren Filamenten auf Basis von Metallen, Stein, Holz und weiteren Materialien, die leitfähig, biologisch  abbaubar, hitzebeständig sind oder sich für die Verwendung draußen eignen.

Indem man den Extruder durch eine Art Spritze ersetzt, ist es zudem möglich, Objekte aus Keramik, Sand oder aus Lebensmitteln, wie beispielsweise Zucker oder Schokolade, zu drucken. Um einen Eindruck der Kosten einer Spule Filament zu geben: Eine Spule mit einem Kilogramm PLA kostet etwa 35€.

Derzeit gibt es zahlreiche Projekte, die darauf abzielen mehrfarbige Objekte zu drucken, indem tausende Farben miteinander kombiniert werden. Beispielsweise erlauben der Da Vinci Color des Herstellers XYZPrinting oder der RoVa4D von ORD Solutions das gesamte CMYK-Farbspektrum (Cyan, Magenta, Yellow und Black) zu erhalten, wodurch mehr als 10 Millionen Farbkombinationen gedruckt werden können.

Die Filamentspule auf der Rückseite des 3D-Druckers Ultimaker 2+

Preis, Performance und Besonderheiten

Die Preise der Drucker für die FDM-Technologie bewegen sich zwischen 300 € (Typ RepRap) für Einsteiger zum Selbstzusammenbauen, 2.500 € im mittleren Preissegment und mehr als 10.000 € für industrielle FDM-Drucker. Die Platzhirsche sind hierbei Stratasys sowie Marken aus der RepRap-Bewegung, wie Makerbot, das 2013 von Stratasys aufgekauft wurde, Ultimaker oder Prusa. Zahlreiche Modelle findet ihr bei dieser Gelegenheit auch in unserem 3Dnatives Vergleichsportal.

Obwohl manche 3D-Drucker-Schichten mit einer Genauigkeit von 50 Mikrometern gedruckt werden können, so sind die Ergebnisse dieser Technologie trotz Nachbehandlung nicht annähernd so zufriedenstellend, wie im Falle anderer Technologien, wie etwa der Stereolithografie oder dem Pulverdruck. Was das Druckvolumen betrifft, so bewegen wir uns hier in der Größenordnung 12x12x12 cm bis hin zu 30x30x30 cm. Große XXL FDM 3D-Drucker  gibt es zum Beispiel in Form des BigRep One oder des 3DP Workbench von 3DPlatform.

Man findet gleichzeitig unterschiedliche Kategorien von FDM-3D-Druckern. So gibt es die kartesischen 3D-Drucker, die wie der Name schon sagt, das Koordinatensystem verwendet. Hierbei wird ein dreidimensionaler Raum mit X-, Y- und Z-Achse aufgespannt. Im Gegensatz dazu verwenden polare Drucker, Polarkoordinaten, die mit Längen und Winkeln arbeiten. Eine weitere Art sind die Delta-3D-Drucker, die über eine vertikale Struktur, eine runde Druckplattform und einen Extruder verfügen, der an drei Armen befestigt ist. Vor Kurzem tauchten robotisierte Arme auf, die verschiedenste Druckwinkel ermöglichen.

Bei FDM ist es relativ normal, dass die unterschiedlichen Drucklagen sichtbar sind – wie hier bei diesem Modell von 3D Benchy.

Die Kosten, die Handhabung und die Schnelligkeit der Extrusion machen Schmelzschichtung zu einer Technologie, die in zahlreichen Branchen zu finden ist: Luft- und Raumfahrt, Automobil, Architektur, Medizin, Design, Kunst, Kochkunst. Insbesondere wird FDM für die Anfertigung von Prototypen genutzt, um Dinge anschaulicher zu gestalten und funktionelle Objekte anzufertigen. Außerdem ist die Schmelzschichtung auch in der Serienfertigung in kleiner Größenordnung zu finden.

Weitere Informationen zu den unterschiedlichen 3D-Drucktechnologien finden Sie hier.

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