FDM-Druck – 3D-Druckverfahren
Fused Deposition Modeling kurz FDM oder Fused Filament Fabrication kurz FFF, bezeichnet Fertigungsverfahren im Bereich des additiven 3D-Drucks, bei dem Schichten von geschmolzenem Kunststoff übereinder geschichtet werden bis das gewünschte Werkstück entsteht. Hierbei wird das gewünschte Modell mittels Software (Slicer) in unterschiedlich hohe Schichten (0,07 bis 0,3mm) zerlegt, die nach und nach abgefahren werden. Es können sowohl solide als auch mit Füllmaterial (Infill) gestützte Drucke realisiert werden. Die Verringerung der Fülldichte des ursprünglichen Modells spart Material und Arbeitszeit.
Das FDM – Druckverfahren
Beim FDM-/FFF-Druck wird ein Filament genannter Kunststofffaden (meist mit einem Durchmesser von 1,75mm) von einer Spule abgewickelt, mittels einer heißen Düse verflüssigt und auf ein beheiztes Druckbett aufgetragen. Dieser Vorgang wiederholt sich bis das gewünschte Werkstück entstanden ist. Weil die Fertigung von Unten nach Oben und Schicht um Schicht erfolgt, müssen Überhänge und Auskragungen gestützt werden.
Hier sieht man die Entstehung der ersten Schicht auf dem beheizten Druckbett des Druckers. Diese erste Schicht entscheidet über die Qualität des gesamten Drucks, weil sie die Basis für jede weitere Schicht bildet. Objekte, die nur eine kleine Auflagefläche auf dem Druckbett haben, müssen daher auf ein „Raft“ genanntes Fundament aus Filament gestellt oder anders ausgerichtet werden.
Die weiteren Schichten werden je nach Schichthöhe aufeinander aufgetragen. Eine geringere Schichthöhe bedeutet mehr Details, aber auch einen höheren Zeitaufwand beim Druck. Wir drucken standardmäßig mit einer Schichthöhe von 0,15mm, was einen guten Kompromiss zwischen Detailgrad und Druckzeit darstellt.
Das Innere eines solchen Drucks wird über die Fülldichte (Infill) und dessen Muster definiert. Für einen Druck dekorativer Natur (Materialempfehlung PLA) kann die Fülldichte auf ein Minimum reduziert werden. Selten ist ein Wert oberhalb von 30% sinnvoll. Drucke, die mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt werden oder Temperaturen über 50°C aushalten müssen, sollten aus PETG oder aus einem ähnlichen Werkstoff gefertigt werden. Hier machen Fülldichten von mehr als 30% Sinn. In besonderen Fällen kann die Fülldichte sogar auf 100% erhöht werden.
Anwendungsbereiche des FDM-3D-Drucks
Zu den typischen Anwendungsbereichen des FDM-3D-Drucks gehören der Druck von Prototypen, dekorativen Objekten, Verbindungselementen, Gleitern/Rollen, Gehäusen für Elektronik und vielem mehr. Der Vorteil des FDM-Drucks, im Vergleich zu anderen Fertigungsverfahren wie Druck- oder Spritzguss, ist die schnelle Verfügbarkeit, geringe Modifikationskosten bei Änderungen, hohe Skalierbarkeit und die hohe Festigkeit der Werkstücke. FDM-Druck findet nicht nur bei Einzelstücken oder Prototypen Anwendung, sondern z.B. auch im Modellbau und bei Kleinstserien.
Dekorative Drucke
Dekorative Drucke sind nur eins der Einsatzgebiete von FDM-Druck. Diese Einstein-Büste mit einer Höhe von 4 cm verdeutlicht den erreichbaren Detailgrad.
Drucke aus mehreren Teilen
Beim FDM-Druck ist es oft nötig ein großes Objekt in mehrere druckbare Teile zu zerlegen und diese später wieder zusammenzufügen.
Kombination mit anderen Werkstoffen
Die Kombination von gedruckten Teilen und z.B. CNC-gefrästen Metallteilen bietet im Design und in der Konstruktion neue Möglichkeiten. Auf diese Weise können die Stärken mehrer Werkstoffe in einem Produkt vereint werden.
Komplexe Mechaniken
Diese Halterklammer, ausgeführt als Print-in-Place-Druck mit integriertem Planetengetriebe, ist ein gutes Beispiel für die Vorteile dieses neuen Fertigungsverfahrens. Bei einem Print-in-Place werden, wie der Name schon sagt, alle Teile in einem Zug gedruckt. Der FDM-Druck ermöglicht hier Werkstücke, die mit herkömmlichen Verfahren nicht oder nur in Teilen möglich wären.
Gehäuse
Der Einplatinencomputer „Raspberry Pi“ oder die „Arduino“ Entwicklerplattform und ihre schier endlosen Kombinationsmöglichkeiten sind ein gutes Beispiel für die vielen Gehäuse, die in Massenproduktion nicht zu realisieren wären. Viele Arduino/Pi-Entwicklungen erfordern spezielle (manchmal auch wasser- und staubdichte) Gehäuse für die der FDM-Druck das Fertigungsverfahren der Wahl ist.
Vor- und Nachteile des FDM Druckverfahrens
Der FDM-Druck hat sowohl Vor- als auch Nachteile im Vergleich zu anderen 3D-Druckverfahren.
Vorteile
- kurze Fertigungswege
- gute Skalierbarkeit
- schnelle Reaktionszeit
- robuste und haltbare Werkstücke
- große Material- und Farbauswahl
- gute Nachbearbeitbarkeit mittels Schleifen oder chemischer Glättung
- günstig
- schnelle Lieferzeit
- sowohl große als auch kleine Drucke möglich
Nachteile
- sichtbare Schichten (ohne chemische Glättung)
- mittlerer Detailgrad
- erfordert Stützstrukturen bei Überhängen
Materialien im FDM/FFF-Druck
Der FDM-Druck beitet ein breites Spektrum möglicher Materialien. Hier gehen wir auf die häufigsten eingesetzten Materialien ein. Eine größere Auswahl bietet unsere Materialienübersicht.
PLA
PLA ist wohl eins der im FDM-Druck meistgedruckten Materialien. Es bietet sich besonders für dekorative und große Drucke an, weil es einen hohen Detailgrad zulässt und kaum zum Verziehen auf dem Druckbett neigt.
PETG
PETG ist die erste Wahl, wenn es um einen stabilen und langlebigen Druck geht, bei dem es nicht so sehr auf die Details ankommt. Ein typisches Einsatzgebiet ist der Druck von Gehäuse für Elektronik oder Befestigungsklammern.
PC
Wenn PETG nicht genügend Stabilität und Abriebfestigkeit bietet, schafft PC Abhilfe. Leider neigen hierbei große Drucke beim Abkühlen schnell zum Verziehen.
FLEX
Flex gehört schon zu den exotischeren Materialien, weil es im Gegensatz zu den oben Genannten keinen festen Druck bietet, sondern (abhänig vom Härtegrad) ein gewisses Maß an Flexibilität mitbringt. Es eignet sich zum Beispiel für den Druck von individuellen Handyhüllen.