Wie funktioniert das FDM 3D-Druckverfahren?

Was heisst FDM?

FDM heisst so viel wie: „Fused deposition modeling“ zu gut Deutsch „Schmelzschichtung“ und gehört zu den gängigen 3D-Druck Verfahren.

Geschichte des Verfahrens

Die Technik wurde Ende der 80er Jahre von der Firma Stratasys patentiert. Seit die Patente für dieses Verfahren vor einigen Jahren abgelaufen sind haben sich viele neue Anbieter von 3D-Druckern auf den Markt gedrängt. Dies hatte einen massiven Preiszerfall im Segment der FDM-Printer zur Folge zum anderen hat sich die Technologie dadurch auch extrem schnell weiterentwickelt.

Wie funktioniert  der Druckprozess?

Zuerst wird ein 3D-File (meist im STL-Format) aus dem CAD-Programm heraus erstellt. In einem weiteren Schritt wird die exportierte Datei in ein separates Programm geladen wo das Modell dann richtig ausgerichtet werden kann und auf die Herstellbarkeit hin geprüft wird. Je nach gewählter Modellauflösung wird das Objekt nun durch das Programm in unterschiedlich dünne Scheiben geschnitten („Slicing“). Für jede einzelne Scheibe werden nun die Koordinaten (Wegpunkte) welche der Druckkopf später abfahren soll errechnet. Der so entstandene Code (auch G-Code genannt) wird nun auf den 3D-Drucker übertragen. 

Ein FDM-Drucker besteht meist aus einem Druckkopf welcher entlang der X- und Y-Achsen beweglich ist. Dazu gehört auch eine in der Z-Achse bewegliche Bauplattform. Das Baumaterial in Form von Kunststoffdraht (Filament) wird über eine Spule zum Druckkopf gefördert.

Sobald der Druckvorgang gestartet wird, beginnt das Gerät den vorher eingelesenen G-Code zu verarbeiten, sprich der Druckkopf fährt schrittweise alle Koordinatenpunkte ab. Währenddessen wird Kunststoffdraht zum Druckkopf gefördert, welcher dort bei Temperaturen von 190°-260° geschmolzen wird. Der nun flüssige Kunststoff welcher aus dem Druckkopf austritt bleibt auf der Bauplattform haften. Kurz nach dem Austritt verfestigt sich der Kunststoff wieder, dies wird durch die am Druckkopf installierten Belüftungsventilatoren begünstigt.

Sobald eine Schicht fertig gedruckt wurde, wird die Druckplattform um die gewählte Schichtdicke abgesenkt. Danach wird Schicht um Schicht aufgetragen, bis das komplette Modell aufgebaut ist.

Überhängende Partien werden mittels Stützmaterial stabilisiert, welches unterhalb der Überhänge aufgetragen wird. Stützmaterial besteht entweder aus dem gleichen Material wie das Baumaterial selbst oder aus einem wasserlöslichen Kunststoff welcher über eine zweite Düse am Druckkopf ausgetragen wird. Die Variante mit dem wasserlöslichen Kunststoff hat zum Vorteil, dass das Stützmaterial später mühelos mit Wasser entfernt werden kann. Dadurch ergeben sich später auch die besseren Oberflächen als wenn das Stützmaterial aus demselben Material besteht wie das Baumaterial.

Welche Materialien können verwendet werden?

Als Baumaterialien können im Prinzip praktisch alle Kunststoffe verwendet werden, die in Form von Kunststoffdraht verfügbar sind und die einen Schmelzpunkt zwischen 190° und 260° Grad haben.

Häufig eingesetzte Materialien sind ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol), PC (Polycarbonat) oder PLA (Polylactide). Mittlerweile gibt es auch schon spezielle FDM-Drucker welche technische Kunststoffe wie PEEK oder PPS verarbeiten können. Bedingt durch die viel höheren Schmelzpunkte ist der Druckprozess mit diesen Materialen um einiges schwieriger zu handhaben.

Mittlerweile sind die oben genannten Materialen schon in diversen Farben auf dem Markt verfügbar. Unter anderem gibt es auch schon transparente, gummiartige oder flexible Materialien.

 

Was sind die Vor- und Nachteile des FDM-Drucks?

Das FDM-Verfahren hat gegenüber anderen Verfahren vor allem folgende Vorteile:

  • Hohe Stabilität der Bauteile

  • Kostengünstiger Druck

  • Diverse Materialen einsetzbar

  • Relativ schneller Druck

  • Hohe Genauigkeit in Richtung der Z-Achse bedingt durch die relativ dünnen Schichtdicken von bis zu 0.02mm.

  • Bauteile die nicht komplett auf die Druckplattform passen, können unterteilt und später miteinander verklebt werden.

  • Bauteile lassen sich mechanisch nachbearbeiten

 

Folgende Nachteile hat das FDM-Verfahren:

  • Auf den Oberflächen sind feine Rillen sichtbar

  • Stützmaterial hinterlässt zum Teil etwas unschöne Oberflächen

  • Die Bauteile weisen eine etwas erhöhte Porosität auf

  • Genauigkeit in Richtung der X- und Y-Achse ist etwas eingeschränkt

 

Fazit

Allem in allem ist  FDM ein Verfahren welches sich sehr vielseitig einsetzen lässt. Egal ob für ein Design-Muster, einen Prototypen, ein Funktionsteil oder ein Architektur-Modell. Sehr kostengünstig und schnell lassen sich verschiedenste Dinge ohne grossen Aufwand realisieren.  Ein einfaches CAD-3D Modell genügt im Normalfall.

Die Grenzen dieses Verfahrens liegen vor allem dort wo ein erhöhtes Mass an Genauigkeit und Oberflächengüte erreicht werden muss.