Fused Deposition Modeling

Fused Deposition Modeling (FDM; deutsch: Schmelzschichtung) oder Fused Layer Modeling (FLM nach VDI 3405) bezeichnet ein Fertigungsverfahren aus dem Bereich der Additivenfertigung, mit dem ein Werkstück schichtweise aus einem schmelzfähigen Kunststoff oder auch – in neueren Technologien – aus geschmolzenem Metall aufgebaut wird.

Verfahren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Dieses Verfahren wurde durch S. Scott Crump in den späten 1980er Jahren entwickelt und ab den 1990er Jahren kommerziell angewendet. Der Ausdruck „Fused Deposition Modeling“ und seine Abkürzung FDM sind geschützte Marken der Firma Stratasys. Eine alternative Bezeichnung dieses Verfahrens lautet Fused Filament Fabrication (FFF) und wurde von Mitgliedern des RepRap-Projektes geprägt, um einen markenrechtsfreien Wortgebrauch zu ermöglichen.

Das „Schmelzschichtverfahren“ ist vergleichbar mit einer CNC-gesteuerten Heißklebepistole. Hierbei wird durch einen Extruder ein drahtförmiger Werkstoff (Filament) durch eine beheizte Düse (Nozzle)^[1] geführt, aufgeschmolzen und auf eine Bauplattform bzw. eine bereits zuvor gedruckte Schicht aufgebracht und erstarrt dort wieder. Der Auftrag erfolgt i. d. R. schichtweise (planar) und erzeugt ein für den FDM-Druck typisches, dreidimensionales Objekt mit einer Linienstruktur entsprechend der gewählten Schichtstärke.^[2]

Damit zuverlässig stabile Objekte aufgebaut werden können – und die Teile nicht während des Druckens verrutschen können – muss die erste vom Druckkopf aufgetragene Schicht eine gute Verbindung zur Bauplattform haben. Um die Haftwirkung zu erhöhen wird deshalb die Bauplattform beheizt, dabei kommt einer gleichmäßigen Temperaturverteilung auch deshalb eine wichtige Rolle zu, damit sich keine Spannungen im Druckmaterial bilden und sich das Objekt nicht verzieht (warping).

Auskragende Bauteile müssen durch eine entsprechende, durch den 3D-Drucker erstellte, äußere Stützstruktur (Support) gestützt werden. Diese kann nach dem Druck entfernt werden. Die Schichtdicken liegen je nach Anwendungsfall zwischen 0,025 und 1,25 mm - typischerweise bei ca. 0,2 mm. Es können Vollkörper und Hohlkörper gefertigt werden, in der Praxis wird bei Vollkörpern jedoch im inneren eine Stütz-Struktur (Sparse Infill) mit einer reduzierten Dichte (z. B. 10 bis 25 %) erstellt. Dies sorgt für eine Materialersparnis und auch für eine Verkürzung der Druckzeit. Die herstellbaren Wandstärken bei einem Hohlkörper sind verfahrensbedingt auf einen Wert, der geringfügig über dem Durchmesser der Düse liegt, beschränkt. Um größeren Wandstärken zu erreichen, müssen mehrere Extrusionen nebeneinander gesetzt werden (wall loops).

Moderne 3D-Drucker mit entsprechender Geometrie bzw. Abstand um den Extruder können auch mit non-planarem G-Code angesteuert werden. Dies maskiert die für den FDM-Druck typischen Schichtlinien bzw. erlaubt es in bestimmten Fällen auf Stützstrukturen zu verzichten.^[3]

Werkstoffe und Daten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Polymere[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Für das FLMVerfahren können Formwachse und Thermoplaste wie Polyethylen, Polypropylen, Polylactid, ABS, PETG und thermoplastische Elastomere wie TPU (in diesem Kontext auch Flex genannt^[4][5][6]) eingesetzt werden.^[7]

Metalle[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In einer anderen Variante werden die Filamente mit Metallpulvern hochgefüllt und das gedruckte Bauteil anschließend entbindert und gesintert, um eine rein metallische Struktur zu erhalten.^[8] Der Verfahrensablauf weist Analogien zum Metallpulverspritzguss auf; der beim Sintern des Metallpulvers auftretende Volumenschrumpf muss ebenfalls bei der Konstruktion des FLM-Bauteils berücksichtigt werden. Neben rein metallischen Bauteilen können auf diese Weise auch Metallmatrix-Verbundwerkstoffe erzeugt werden.^[9]

Praktisch alle FLM-3D-Drucker verarbeiten G-Code, ein zur Steuerung von CNC-Anlagen übliches Klartextformat, das mithilfe von Slicern aus üblichen 3D-CAD-Datenformaten, wie STL- oder OBJ-Daten, eines Werkstückes oder Modells erzeugt werden kann.

Verfahrensvarianten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine weitere Variante ist Prozessieren des FLM-Verfahrens unter dem Ausschluss von Luftsauerstoff, also unter einer Schutzgasatmosphäre (z. B. Stickstoff oder Argon). Dies ist bei selektivem Lasersintern (SLS) aufgrund der auftretenden hohen Temperaturen üblich. Bei dem Betrieb des FLM-3D-Druckers unter Schutzgas kann eine verbesserte Schichthaftung der gedruckten Kunststoffschichten aneinander erzielt werden.^[10]

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  Stratasys FDM MedModeler – Am Anfang

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  Der Kunststoff wird aufgetragen.

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  Das Modell ist zu etwa 1/4 fertig.

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  Nachdem die in schwarzem Kunststoff gedruckten Stützstrukturen entfernt wurden, verbleibt ein dreidimensionales Modell einer Wirbelsäule.

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

1. ↑ 3D Drucker Nozzle Guide - Alles, was du über 3D Druckerdüsen wissen solltest
2. ↑ Schmelzschichtverfahren FDM
3. ↑ Non-Planar 3D Printing: All You Need to Know
4. ↑ Azzura Lalani: The Little Printer That Could?, All3DP vom 3. März 2020, abgerufen am 9. Oktober 2020
5. ↑ Materialrichtlinien, Prusa Research AG, Prag, abgerufen am 9. Oktober 2020
6. ↑ Was ist der Unterschied zwischen TPE und TPU im 3D-Druck? - 3D-Druck mit TPE, beamler.com vom 11. Mai 2020, abgerufen am 9. Oktober 2020
7. ↑ Jana Brehmer & Sebastian Becker: „3D-Druck“. Abgerufen am 30. November 2020. 
8. ↑ Metallischer 3D-Druck mittels Fused Filament Fabrication (FFF) - Fraunhofer IFAM. (Nicht mehr online verfügbar.) Archiviert vom Original; abgerufen am 5. Oktober 2020. 
9. ↑ S.B. Hein, L. Reineke, V. Reinkemeyer: Fused Filament Fabrication of Biodegradable Materials for Implants, Proceeding of Euro PM 2019 Congress & Exhibition, Maastricht 13.–16. Oktober 2019, European Powder Metallurgy Association EPMA, Shrewsbury, 2019, ISBN 978-1-899072-51-4.
10. ↑ Felix Lederle, Frederick Meyer, Gabriella-Paula Brunotte, Christian Kaldun, Eike G. Hübner: Improved mechanical properties of 3D-printed parts by fused deposition modeling processed under the exclusion of oxygen. In: Progress in Additive Manufacturing. 2016, ISSN 2363-9512, S. 1–5, doi:10.1007/s40964-016-0010-y (springer.com).