Lektion 8.1UrformenKapitel 8 · Additive Fertigung

FDM (Fused Deposition Modeling)

Extrudiert geschmolzenes Kunststofffilament durch eine bewegte Düse (Materialextrusion)

FDM (Fused Deposition Modeling, auch FFF genannt) baut ein Teil auf, indem geschmolzener Kunststoff Schicht auf Schicht durch eine feine Düse gedrückt wird. Es ist der Desktop-3D-Drucker hinter Handyständern, Spielfiguren und Ersatzknöpfen. Es ist wichtig, weil es aus einer digitalen Datei binnen Stunden ein echtes Kunststoffteil macht, ohne Form oder Werkzeug.

Foto: HRostamani, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

FDM-Drucker, Seitenansicht: Filamentweg, Hotend, Schichten und StützenDie eingekreisten Zahlen entsprechen den Schritten unten; die Schichten sind weit dicker gezeichnet, als sie in Wirklichkeit sind.

FDM (Fused Deposition Modeling) in einer Minute, von MecMade

So funktioniert es

Das Modell in Schichten schneiden. Eine Software namens Slicer zerlegt das 3D-Modell in dünne horizontale Schichten. Dann schreibt sie den Werkzeugpfad (die genaue Route, der die Düse in jeder Schicht folgt).
Das Filament zuführen. Antriebsräder packen einen Kunststoffdraht namens Filament, meist 1,75 mm dick, und schieben ihn gleichmäßig ins Hotend.
Es schmelzen. Ein Heizblock erwärmt den Kunststoff je nach Material auf etwa 190–260 °C. Er wird zu einer dicken Paste, wie warme Zahnpasta.
Eine Schicht zeichnen. Der Kopf fährt in X und Y und legt durch die Düse eine Raupe, meist 0,4 mm breit. Er zeichnet zuerst die Außenwände nach und füllt dann das Innere mit einem lockeren Muster, dem Infill.
Eine Stufe höher und wiederholen. Die Platte senkt sich (oder der Kopf steigt) um eine Schichthöhe, meist 0,1–0,3 mm. Die nächste Schicht verschmilzt mit der noch warmen darunter, hunderte Male.
Entnehmen und nacharbeiten. Ist das Teil abgekühlt, nehmen Sie es von der Platte. Stützen (vorübergehende Gerüste, die unter Überhängen gedruckt werden) brechen ab, und die Oberfläche lässt sich schleifen oder lackieren.

Wichtige Fakten

Werkstoffe: Thermoplaste (Kunststoffe, die beim Erhitzen weich werden): PLA, PETG, ABS, ASA, flexibles TPU, Nylon, Polycarbonat, faserverstärkte Sorten; PEEK und ULTEM auf Industriemaschinen
Typische Teile: Prototypen, Gehäuse, Halterungen, Vorrichtungen, Ersatzteile, Anschauungsmodelle
Bauteilgröße: Auf Desktop-Druckern meist bis etwa 25 cm pro Seite; Industriemaschinen erreichen etwa 1 m
Präzision: Etwa ±0,2–0,5 mm (einige zehntel Millimeter); bei Industriemaschinen besser
Oberfläche: Sichtbare Schichtlinien und eine gerippte, matte Oberfläche; glatt erst nach Schleifen, Spachteln oder Beschichten
Geeignete Losgröße: 1 bis einige hundert Teile; Druckfarmen mit vielen Druckern erreichen mehr
Werkzeug- und Maschinenkosten: Kein Werkzeug; Desktop-Drucker kosten einige hundert bis einige tausend Dollar, Industriesysteme zehntausende bis hunderttausende
Geschwindigkeit: Langsam: unter einer Stunde für einen kleinen Clip, einen Tag oder mehr für ein großes Teil

Stärken und Grenzen

Stärken

Der günstigste, zugänglichste Weg, aus einer Datei ein Kunststoffteil zu machen
Kein Werkzeug, daher kostet eine Konstruktionsänderung nichts
Echte technische Kunststoffe, auch zähe, hitzebeständige und flexible
Lockerer Infill ergibt leichte, materialsparende Teile

Grenzen

Sichtbare Schichtlinien und eine raue Oberfläche
Zwischen den Schichten schwächer als entlang der Schichten (anisotrop, das heißt, die Festigkeit hängt von der Richtung ab)
Überhänge brauchen Stützen, die Spuren hinterlassen
Langsam, und die Kosten pro Teil sinken mit der Stückzahl kaum

Wo es eingesetzt wird

ProduktdesignKonzeptmodelle und funktionsfähige Prototypen von Gehäusen, Clips und Knöpfen
FertigungVorrichtungen, Lehren und Sondergreifer für Montagelinien
Luftfahrt und AutomobilbauPrototypen, Werkzeuge und Innenraumteile in kleinen Stückzahlen aus flammhemmenden Kunststoffen
GesundheitswesenAnatomische Modelle für die Operationsplanung, individuelle orthopädische Teile
Bildung und HobbySchulprojekte, Cosplay-Requisiten, Ersatzteile für den Haushalt

So erkennen Sie es

Feine horizontale Rillen an jeder Seitenwand, wie ein Stapel dünner Fäden (Schichtlinien).
Eine „Treppenstufen“-Optik auf leicht geneigten oder gekrümmten Oberseiten.
Eine kleine Naht oder Beule, wo jede Schicht begann und endete, oft senkrecht untereinander.
Raue Stellen oder Stummel unter Überhängen, wo Stützen abgebrochen wurden, und eine sehr ebene Unterseite, die auf der Bauplatte lag.

Im Vergleich mit

Stereolithografie8.2härtet flüssiges Harz mit Licht aus, statt Kunststoff zu schmelzen; viel feinere Details und glattere Oberflächen, aber aufwendigere Nachbearbeitung.Selektives Lasersintern8.3verschmilzt Nylonpulver mit einem Laser; keine Stützen und festere, gleichmäßigere Teile, aber weit teurere Maschinen.Spritzgießen2.1schießt Kunststoff in eine Stahlform; bei hohen Stückzahlen pro Teil viel günstiger, aber die Form kostet tausende Dollar und braucht Wochen.

Ansehen

3Dnatives · Das FDM-Prinzip, für Einsteiger erklärt

Protolabs · Wann FDM für einen Prototyp passt, mit Konstruktionstipps

Protolabs · Ein Teil, das Schicht für Schicht wächst, im Zeitraffer

Strange Parts · Eine riesige Druckfarm, die Teile in der Produktion fertigt

Echte Fotos ansehen

Wikipedia: Fused Filament Fabrication — Diagramme des Extrusionskopfs, Fotos von Druckern und gedruckten Teilen
Fotosuche auf Wikimedia Commons

Merken

FDM schmilzt ein Kunststofffilament und zeichnet das Teil Raupe für Raupe, Schicht für Schicht.
Es ist der günstigste Weg von der Datei zum echten Kunststoffteil, aber es ist langsam und zeigt Schichtlinien.
Teile sind zwischen den Schichten am schwächsten, daher sollte man den Druck so ausrichten, dass Lasten entlang der Schichten verlaufen.