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FDM: 3D-Druck durch Schmelzschichtung, wir erklären wie’s funktioniert!

Auf 5. Oktober 2017 von Alexander H. veröffentlicht
Schmelzschichtung

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 seiner englischen Bezeichnung FDM beziehungsweise Fused Deposition Modeling oder auch unter FFF für Fused Filament Fabrication bekannt. Sie wurde Ende der 1980-er Jahre von S. Scott Crump entwickelt und durch das von ihm im Jahre 1990 gegründete Unternehmen Stratasys (USA) kommerzialisert. 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, sich selbstdruckende 3D-Drucker zu entwickeln, die zudem durch Open-Source für Alle zugänglich sind.

Funktionsweise des 3D-Druckes mit der Schmelzschichtung

Diese Technik wird oft als die wohl simpelste der bestehenden Technologien beschrieben. FDM basiert grundsätzlich auf drei Elementen: ein Druckbett, auf dem das Objekt gedruckt wird, eine Spule Filament, die das Druckmaterial liefert, sowie ein 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.

Schmelzschichtung

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 wird 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.

Schmelzschichtung

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

Mit dem FDM-Druck kompatible 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 der Da Vinci Color des Herstellers XYZPrinting oder der RoVa4D von ORD Solutions erlauben es einem, das gesamte CMYK-Farbspektrum(Cyan, Magenta, Yellow und Black) zu erhalten, wodurch mehr als 10 Millionen Farbkombinationen gedruckt werden können.

Schmelzschichtung

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

Preis, Performance und Besonderheiten beim FDM-Drucken

Die Drucker für die FDM-Technologie bewegen sich zwischen 300€  (Typ RepRap)für Einsteiger zum Selbstzusammenbauen, 2500€ im mittleren Preissegment, sowie mehr als 10.000€ für industrielle FDM-Drucker. Die Platzhirsche sind hierbei Stratasys, aber auch 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 Genauigkiet von 50 Mikrometern drucken 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. Andererseits 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 erst, tauchten robotisierte Arme auf, die verschiedenste Druckwinkel ermöglichen.

FDM

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 und hierbei insbesondere für die Anfertigung von Prototypen, um Dinge anschaulicher zu gestalten und um funktionelle Objekte anzufertigen. Außerdem ist die Schmelzschichtung auch in der Serienfertigung in kleiner Größenordnung zu finden.

Finde weitere Informationen zu den unterschiedlichen 3D-Drucktechnologien kommen Sie hier.

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Ein Kommentar

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  1. […] Hersteller von hochwertigen und  für Kunden maßgefertigten Filamenten für die Schicht-Extrusion (Fused Filament Fabrication). Bei diesem Verfahren wird Kunststoff geschmolzen und das Objekt Schicht für Schicht aufgebaut. […]

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