FDM – Fused Deposition Modeling

Das Fused Deposition Modeling ist ein additives Fertigungsverfahren. Mit dieser neuen 3D-Druck Technik können Bauteile schichtweise aufgebaut werden. So ist eine völlig neue Konstruktionsmethodik möglich. Was ist FDM aber eigentlich genau und wie funktioniert es? Welche Materialien kann ich damit verarbeiten? Und welche Vorteile habe ich davon? All das erfahrt ihr in diesem Artikel.

Geschichte FDM

Fused Deposition Modeling (FDM) ist ein Verfahren zur Herstellung 3-dimensionaler Strukturen auf Kunststoffbasis und wurde in den 1990er Jahren entwickelt. Erfinder dieser Technik ist der US-Amerikaner Scott Crump, welcher auch gleichzeitig Gründer des 3D-Druckerherstellers Stratasys ist. Weiterhin bekannt ist dieses Verfahren auch als „Fused Filament Fabrication“ (FFF) sowie als „Plastic Jet Printing“ (PJP).

Funktionsweise des Verfahrens

3D-Drucker mit FDM-Technologie erzeugen Bauteile schichtweise und zwar von unten nach oben. Dabei werden meist thermoplastische Kunststofffilamente verwendet, die erwärmt und über eine Düse extrudiert werden. Anschließend wird das Material Schicht für Schicht auf ein Druckbett appliziert und formt so ein dreidimensionales Bauteil. Dieses Verfahren ist dadurch auch relativ einfach, die Verfahrensschritte sind grob aufgeteilt in:

Druckvorbereitung

Zunächst wird eine Bauteilidee oder -vorlage am PC visualisiert. Dazu wird heutzutage meist moderne CAD-Software eingesetzt. Die damit erstellten 3D-CAD-Dateien werden anschließend mit einer Druckvorbereitungssoftware (auch „Slicer“ genannt) in ein für den Drucker lesbares Format überführt. Dabei werden die Dateien in Schichten aufgeteilt und positioniert, das notwendige Material und die Verfahrwege des Druckkopfes sowie eventuell notwendige Stützstrukturen eingefügt und berechnet.

Druck

Im Drucker wird das Material (–> Thermoplaste) solange erwärmt, bis ein zähflüssiger Zustand erreicht ist. Anschließend wird die Kunststoffmasse in kleinsten Tröpfchen/ Fäden über eine feine Düse entland dem Extrudierweg abgelegt. Ist eine Schicht fertig gedruckt, so fährt das Druckbett der Maschine automatisch um eine Schichtdicke herunter, sodass die nächste Schicht Material aufgetragen werden kann. Demnach „wächst“ das Bauteil von unten nach oben.

Drucknachbereitung

Eine Nachbearbeitung ist notwendig, wenn Stützstrukturen zum Druck hinzugefügt wurden. Dies ist vor allem bei Bauteilen mit Überhängen der Fall, da diese sonst durchfallen würden. Stützstrukturen sind also nicht Bestandteil des eigentlichen Bauteils, aber manchmal notwendig für einen gelungenen Druckvorgang. In der Drucknachbearbeitung werden die Strukturen dann mechanisch entfernt, oder mit einem Reinigungsmittel und Wasser aufgelöst. Weitere Nachbehandlungsschritte können je nach Notwendigkeit folgen.

Wie das Fused Deposition Modeling in bewegten Bildern aussehen kann, sehr ihr auch in folgendem Video von Solid Concepts:

Verwendete Materialien

FDM eignet sich besonders für thermoplastische Kunststoffe wie ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere) und PLA (Polylactide). Damit lassen sich bspw. Motorradhelme, Legosteine und Luftpolsterfolien herstellen. Weiterhin können auch PC (Polycarbonate) und Polyester, also schmelzbare Kunststoffe, verarbeitet werden. Durch Beimischungen von feinen Pulvern sind ebenfalls holz- und sandsteinartige sowie keramische Materialqualitäten möglich. Das Material liegt in den meisten Fällen als sehr dünnes Filament vor. Dieses wird über eine Düse aufgeschmolzen und durch einen Steuermechanismus punktuell oder linienförmig schichtweise auf eine Unterlage abgelegt.

Vorteile und Nachteile von FDM

Vorteile FDM-Druck

• Das Verfahren ist einfach, praktisch und sauber, somit auch geeignet für Anwendungen im Büro oder Zuhause
• Die verwendeten Thermoplaste sind beständig gegenüber mechanischen und umweltbedingten Einwirkungen
• Komplizierte Konstruktionen und Höhlräume stellen keine Probleme dar
• 3D-Drucker mit FDM-Technologie sind weit verbreitet und auch für Privatanwender bezahlbar

Nachteile FDM-Druck

• Die Oberflächengenauigkeit hängt vom Durchmesser der verwendeten Düse ab, allgemein besitzt dieses Verfahren nur eine mittlere Fertigungsgenauigkeit
• Der Fertigungsprozess ist relativ langsam
• Stützkonstruktionen und Nacharbeiten sind zumeist notwendig
• Baugröße noch relativ gering

3D-Drucker

Kurz und knapp: es gibt eine vielzahl verschiedener 3D-Druckanlagen auf dem Markt. 3D-Drucker als Bausatz gibt es bereits für unter 400 €. Höherwertige Geräte kosten zwischen 2000 – 3000 € und industriell eingesetzte Fertigungsmaschinen beginnen ab ca. 10.000 €.

Die Drucker unterscheiden sich dabei auch noch bei dem jeweiligen Druckverfahren. So gibt es neben FDM-Druckern auch noch Drucker die nach dem Prinzip der Stereolithografie arbeiten, MJM-Drucker, SLA-Drucker und selektive Lasersinteranlagen. Alle Verfahren verarbeiten Kunststoffe, manche Verfahren können aber auch mit metallischen Materialen arbeiten.