FDM - Schmelzschichtung

Beim sogenannten FDM handelt es sich um eine additive Fertigungsmethode, die vom US-amerikanischen Mechaniker und Gründer des Unternehmens Stratasys Scott Crump 1989 patentiert wurde. Auf der Suche nach einer Möglichkeit, den Prototypenbau zu beschleunigen begann Crump, mit halbfesten Kunststoffen zu experimentieren und diese von Hand mit einer Heißklebepistole in Schichten aufzuschmelzen. Sein erstes Objekt? Ein Spielzeugfrosch für seine Tochter. Er gab seiner Methode den Namen Fused Deposition Modeling, kurz FDM. Nachdem Crump eine computergestützte Fertigungssoftware (CAM) entwickelt hatte, um den Vorgang zu automatisieren, begann er, mit seiner Firma Stratasys 3D-Drucker für rund 12.000 USD das Stück zu verkaufen. 

Wichtig zu wissen ist, dass Stratasys den Namen FDM schützen ließ, sodass andere Unternehmen dieses 3D-Druckverfahren als Fused FIlament Fabrication, kurz FFF, oder auf deutsch Schmelzschichtung nennen, neben weiteren geschützten Bezeichnungen. Im vorliegenden Artikel verwenden wir die Begriffe synonym. 

Welche Bezeichnung Sie auch verwenden, seit Erfindung dieser Extrusionstechnologie ist viel passiert. Seinen ersten 3D-Drucker entwickelte und bepreiste Scott Crump noch für betriebsinterne industrielle Prototypen. Bis in die 2000er-Jahren war das FDM-Druckverfahren dann zur häufigsten im Heimbereich angewandten 3D-Drucktechnik geworden. Heute können Verbraucher aus einer Vielzahl von FDM-3D-Druckern für unter 200 USD wählen. Einige Unternehmen auf Basis der FFF-Prinzipien sogar einen 3D-Druckstift entwickelt, von denen der günstigste weniger als 100 USD kostet und an Schulkinder verkauft wird.

Das 3D-Druckverfahren FDM ist eine „Materialextrusionstechnik“. Ein thermoplastischer Kunststoffdraht wird von einer Spule über einen Extruder abgerollt, der den Kunststoff erhitzt, schmilzt und durch eine schmale Düse presst. Die Kunststoffdrähte, auch Filament genannt, sind in 1,75 oder 2,85 mm Durchmesser erhältlich, die Düsen haben standardmäßig einen Durchmesser von 0,4 mm. 

Extruder und Düse bilden den Druckkopf, der sich entlang der Bauplatte bewegen, um nacheinander die einzelnen Schichten aufzutragen. Gesteuert wird er von Instruktionen aus einer bestimmten Datei – in der Regel im GCODE-Format –, die, einfach gesagt, eine in Scheiben geschnittene Version eines 3D-Modells enthält.

Jede „Scheibe“ entspricht einer einzigartigen Schicht. Je größer das Objekt, desto mehr Scheiben ‒ was zu längeren Druckzeiten führt. Die überwiegende Mehrheit der 3D-Drucker arbeitet mit einer Standard-Schichtdicke von 0,1 mm. Wenn der Druckkopf das Filament aufträgt, schmilzt der Kunststoff auf die darunterliegende Schicht auf und härtet mithilfe von am Druckkopf und/oder in der Filamentkammer montierten Lüftern aus.

 

Früher war der FDM-3D-Druck mit einer relativ steilen Lernkurve verbunden, inzwischen ist das Verfahren aber deutlich einfacher geworden, weil es Funktionen wie das automatisches Bettleveling, geschlossene Druckkammern und Wiederaufnahme des Druckvorgangs nach Stromausfall eingeführt wurden. Dank der Fortschritte im Software- und Werkstoffbereich konnte die kostengünstige und bürofreundliche Technologie zudem weiterentwickelt werden und ist heute ein weitverbreitetes Instrument für Rapid Prototyping und Kleinstserien.

Und doch hat der filamentbasierte 3D-Druck auch Nachteile. FDM-gedruckte Bauteile sind anisotrop, das heißt, dass ihre Festigkeit je nach Krafteinwirkungsrichtung besser oder schlechter ist. Die Schichten sind oft mit bloßem Auge zu erkennen und die Oberflächen sind so rau, dass Nachbearbeitungsschritte wie Schleifen, Gussputzen, Dampfglätten, etc. nötig sind.

Außerdem müssen bei Bauteilen, die um mehr als 45 Grad überhängen, die Stützstrukturen entfernt werden – ein weitere Nachbearbeitungsschritt. 3D-Drucker mit zwei Extrudern können allerdings Kunststoff und lösliche Stützstrukturen gleichzeitig drucken. Lösliche Stützstrukturen können ganz einfach ausgewaschen werden, und es fällt weniger Oberflächen-Nachbearbeitung an.

FDM-gedruckte Bauteile sind oft weniger exakt und weniger stabil als Bauteile, die durch andere additive Fertigungsmethoden wie SLS oder MJF entstehen. Durch Innovationen im Bereich Werkstoffe und Druckverfahren wie die kontinuierliche Kohlefaserverstärkung ändert sich das gerade.

FDM-3D-Drucker arbeiten mit verschiedenen thermoplastischen Kunststoffen. Am gängigsten und einfachsten zu drucken ist PLA (Polymilchsäure), ein biologisch abbaubares Thermoplast, das schnell und kostengünstig zu verarbeiten ist, aber dessen Festigkeit und Langlebigkeit nicht sehr hoch sind.

Ebenfalls gängig und stabiler, wenn auch komplizierter zu drucken, ist ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol), ein Kunststoff, der in vielen Alltagsgegenständen von der Laptop-Tastatur bis zum Legostein zum Einsatz kommt.

Als beliebte Alternative zu PLA und ABS hat sich inzwischen Nylon-Filament (ein Polyamid, kurz PA) etabliert, weil es stabile FDM-Bauteile produziert. Es wird für Prothesen, Koffer und Verkleidungen eingesetzt. 

Auch vielseitige Thermoplaste wie PETG (Polyethylenterephthalat mit Glykol modifiziert), das sich gut für die Prototypenproduktion von Verbraucherverpackungen eignet, können im 3D-Druck verarbeitet werden. Aus TPU, kurz für thermoplastisches Polyurethan, können gummiartige FDM-Bauteile gefertigt werden, zum Beispiel als Prototypen von Dichtungen. 

Innovationen in Technologie und Werkstoffentwicklung haben dafür gesorgt, dass der FDM-3D-Druck nicht mehr nur für Kunststoffe genutzt werden kann. FDM-gedruckte Bauteile mit Kohlefaserverstärkung weisen eine vergleichbare Festigkeit zu Aluminium auf, wie das Filament FDM Nylon 12 Carbon Fiber von Stratasys.
Andere Innovationen betreffen die Integration von Elektronik in FDM-gedruckte Bauteile. Dabei werden metallgefüllte Pasten verwendet, aus denen integrierte Schaltkreise, Batterien und Leiter gemacht werden. Ein Beispiel ist The Virtual Foundry, ein Unternehmen aus dem US-Bundesstaat Wisconsin, das FDM-Filamente mit Metall-, Glas- und Keramikpartikeln herstellt. Nach dem Entbindern und Sintern zum Herausschmelzen des Kunststoffs entstehen Bauteile, die die Festigkeit und den thermodynamischen Eigenschaften von Metallen und anderen stabilen Werkstoffen aufweisen.

Fachleute nutzen den FDM-3D-Druck lange nicht mehr nur für den Industriemodellbau, sondern zum Beispiel auch für Großserienfertigungen und den Bau hochkomplexer Bauteile. Besonders gut eignet er sich für die Produktion von Vorrichtungen in Branchen wie dem Automobilbau oder der Luftfahrt. 

Das US-Luftfahrtunternehmen Liberty Electronics aus Pennsylvania produziert mit 3D-Druckern von Stratasys Bauteile für den Raketensektor und konnte damit Kosten und Lieferzeiten für die Kunden um 75 % senken. Viele Fahrzeughersteller nutzen den FDM-Druck für ganz unterschiedliche Dinge wie Prototypen oder sogar Ersatzteile für Oldtimer. Ein beachtenswertes Beispiel ist die deutsche Firma BigRep, die mit ihren FFF-3D-Druckern ein voll funktionsfähiges Motorrad, das NERA, gefertigt hat.

Mit der Weiterentwicklung des 3D-Drucks sind andere Verfahren wie SLA und SLS als Alternativen zum FDM aufgekommen. Dennoch wird FDM so bald nicht verschwinden. FDM ist und bleibt die einfachste 3D-Druck-Methode, die gerade im Hobby- und Schulbereich beliebt ist. Unternehmen wie MakerBot vermarkten ihre Produkte schon lange als originelle und effiziente Möglichkeit für Schüler, etwas über verschiedene Themen zu lernen.

Und da der FFF-3D-Druck kostengünstig und gut verfügbar ist, macht er schnelle und bedeutsame Innovationen in Bereichen wie der Medizin möglich. Während der Coronapandemie wurden FDM-Drucker weltweit dafür genutzt, N95-Atemschutzmasken, transparente Visiere und Tupfer für Coronatests zu produzieren. 

Was die Langlebigkeit betrifft, eignet sich der filamentbasierte 3D-Druck zum aktuellen Zeitpunkt nach wie vor am besten für den Prototypenmbau. Wie die oben genannten Beispiele zeigen, nutzen viele Firmen aber neue Arten von Filamenten für die Materialextrusion. Solche Innovationen werden sicherlich zunehmen und den FDM-3D-Druck noch viele Jahre lang zu einer wichtigen additiven Technologie machen.