Was ist FDM-3D-Druck und wie funktioniert er?

Das Schmelzschichtverfahren (FDM) zählt heute zu den gängigsten 3D-Drucktechnologien. Es verwendet Filament aus thermoplastischem Material als Rohmaterial. Dieser Artikel erläutert das Grundprinzip des FDM-3D-Drucks, beschreibt die Funktionsweise der Technologie, den gesamten Prozessablauf Schritt für Schritt und die Materialauswahl.

Was ist FDM-3D-Druck?

Beim Schmelzschichtverfahren (FDM) wird thermoplastisches Filament als Rohmaterial verwendet. Das Filament wird erhitzt und geschmolzen, anschließend wird das flüssige Material durch eine feine Düse am Druckkopf extrudiert. Nach dem Extrudieren wird das Material auf die Bauplattform oder eine zuvor verfestigte Schicht aufgetragen. Sobald die Temperatur unter den Schmelzpunkt sinkt, beginnt das Material zu erstarren. Das fertige Bauteil entsteht durch das schichtweise Auftragen der einzelnen Materialschichten.

Wie funktioniert das Schmelzschichtverfahren (Fused Deposition Modeling)?

Bevor wir beschreiben, wie ein 3D-Drucker mit Schmelzschichtung (Fused Deposition Modeling, FDM) funktioniert, können wir uns zunächst folgende Szene vorstellen:

Sie halten eine Tube mit erhitzter Zahnpasta in der Hand. In der Tube ist die Zahnpasta flüssig, erstarrt aber sofort nach dem Herausdrücken. Dann halten Sie die Tube kopfüber und drücken die Zahnpasta mit horizontalen Handbewegungen auf den Tisch, ähnlich wie beim Schreiben mit einem chinesischen Pinsel. Nachdem Sie die erste Schicht aufgetragen haben, heben Sie die Tube etwas an und drücken die Zahnpasta auf die zweite Ebene. Die neu austretende Zahnpasta verbindet sich mit der vorherigen, die wiederum erstarrt und der nachfolgenden Schicht Halt gibt. Diesen Vorgang wiederholen Sie, bis Sie die gewünschte Form erreicht haben. Dies ist das Grundprinzip des FDM-Verfahrens und auch die Funktionsweise der neuen 3D-Druckstifte auf dem Markt.

Auf dieser Grundidee aufbauend verarbeiten die Ingenieure das Rohmaterial zunächst zu einem runden Filament mit einem bestimmten Durchmesser. Anschließend wird das filamentförmige Rohmaterial mithilfe des Filamentzuführungsmechanismus schrittweise in das Hotend eingeführt. Dort wird das Material erhitzt und geschmolzen. Unterhalb des Hotends befindet sich der Druckkopf, dessen Unterseite mit einer feinen Düse (Durchmesser üblicherweise 0.2 bis 0.6 mm) ausgestattet ist. Der durch die Extrusion des nachfolgenden Filaments entstehende Druck presst das flüssige Material im geschmolzenen Zustand heraus.

Aufgrund der Prozessanforderungen müssen vor dem Start des 3D-Drucks grundlegende Informationen wie Schichtabstand und Pfadbreite festgelegt werden. Anschließend zerlegt die Slicing-Engine das 3D-Modell in Schichten und generiert den Druckpfad. Unter der Steuerung der Host-Software und des Druckers bewegt sich die Druckdüse entsprechend den horizontalen Schichtdaten in X- und Y-Richtung, während die vertikale Bewegung in Z-Richtung von der Bauplattform ausgeführt wird. Gleichzeitig wird das Filament über die Zuführungskomponente zur Düse transportiert. Nach dem Erhitzen und Schmelzen – die Heiztemperatur liegt üblicherweise einige Grad über dem Schmelzpunkt des Rohmaterials – kühlt das Material beim Austritt aus der Düse und der Verbindung mit der Bauplattform schnell ab und erstarrt. Das gedruckte Material verschmilzt schnell mit der vorherigen Schicht. Nach Abschluss jeder Schicht senkt sich die Bauplattform um die Höhe einer Schichtdicke ab, und der Drucker druckt die nächste Schicht. Dieser Schritt wird wiederholt, bis das gesamte Modell fertiggestellt ist.

Der Schlüssel zum FDM-Verfahren liegt darin, die Temperatur des aus der Düse austretenden, geschmolzenen Rohmaterials knapp über dem Erstarrungspunkt zu halten, üblicherweise etwa 1 °C darüber. Ist die Temperatur zu hoch, führt dies zu Problemen wie geringer Genauigkeit und Verformung des gedruckten Modells. Ist die Temperatur hingegen zu niedrig oder instabil, verstopft die Düse leicht und der Druckvorgang schlägt fehl.

Schmelzschichtverfahren

Der Prozessablauf des Schmelzschichtverfahrens kann in 5 Schritte unterteilt werden: 3D-Modell erstellen >> In STL-Datei konvertieren >> Slicing >> Drucken >> Nachbearbeitung.

1. Ein 3D-Modell erstellen

Im Allgemeinen erstellen Konstrukteure das benötigte dreidimensionale digitale Modell mithilfe von CAD-Software (Computer-Aided Design) gemäß den Produktanforderungen. Zu den gängigen Konstruktionsprogrammen gehören Pro/Engineering, SolidWorks, MDT, AutoCAD, UG usw.

2. Konvertieren Sie das Modell in das STL-Format.

Ein gut konstruiertes Modell weist in der Regel viele unregelmäßige, gekrümmte Oberflächen auf. Vor dem Drucken müssen diese Oberflächen angenähert und angepasst werden. Die gängigste Methode hierfür ist die Konvertierung und Speicherung im STL-Format. Das STL-Format wurde von der amerikanischen Firma 3D Systems für 3D-Druckgeräte entwickelt. Es verwendet eine Reihe verbundener kleiner Dreiecksflächen, um die gekrümmten Oberflächen anzunähern und so eine dreidimensionale, approximative Modelldatei zu erzeugen, die schnell gedruckt werden kann. Die meisten gängigen CAD-Programme, wie beispielsweise Pro/Engineering, SolidWorks, MDT, AutoCAD und UG, bieten die Möglichkeit, STL-Dateien zu exportieren.

3. Modell zerteilen und Stützstrukturen hinzufügen

Da beim 3D-Druck das Modell in seine Einzelteile zerlegt, dann Schicht für Schicht entsprechend den einzelnen Abschnitten aufgebaut und schließlich wieder zusammengesetzt wird, muss das dreidimensionale Modell im STL-Format zunächst in Schichten zerlegt und in ein für den 3D-Drucker verständliches Schichtmodell umgewandelt werden. Viele 3D-Drucker auf dem Markt verfügen über eine eigene Software zur Schichtverarbeitung. Nach der Konfiguration der grundlegenden Parameter berechnet die Software automatisch die Abschnittsinformationen des Modells.

4. Starten Sie den Druck

Gemäß dem im vorherigen Abschnitt erläuterten FDM-Druckprinzip ist es bei größeren Spannweiten notwendig, Stützstrukturen hinzuzufügen. Andernfalls würde ein Teil der später gedruckten oberen Schicht, wenn diese sich im Vergleich zur unteren Schicht stark vergrößert, in der Luft hängen, was zu einem teilweisen Einsturz oder einer Verformung führen und die Formgenauigkeit des gedruckten Modells erheblich beeinträchtigen könnte. Daher besteht das fertige Druckmodell in der Regel aus zwei Teilen: dem Stützbereich und dem massiven Teil. Die Slicing-Software berechnet automatisch, ob Stützstrukturen benötigt werden, abhängig von der Form des zu druckenden Modells.

Gleichzeitig erfüllen Stützstrukturen noch einen weiteren wichtigen Zweck: Sie bilden die Basisschicht. Vor dem eigentlichen Druckvorgang wird also zunächst eine Basisschicht auf der Bauplattform gedruckt, auf der dann das Modell gedruckt wird. Dadurch wird die Unterseite des gedruckten Modells ebener und das fertige Modell lässt sich leichter ablösen. Daher ist das Erstellen von Stützstrukturen ein entscheidender Schritt beim FDM-Druck. Eine gute Basisschicht bietet eine präzise Referenzebene für den gesamten Druckprozess und gewährleistet so die Genauigkeit und Qualität des gedruckten Modells.

5. Entfernen der Stützstruktur und Nachbearbeitung

Bei FDM-Modellen besteht die Nachbearbeitung hauptsächlich aus dem Entfernen der Stützstrukturen und dem Schleifen der Außenfläche. Zuerst werden die Stützstrukturen des Modells entfernt, anschließend wird die Außenfläche geschliffen, um die geforderte Genauigkeit und Oberflächenrauheit zu erreichen.

Die praktische Produktionserfahrung zeigt jedoch, dass sich die Stützstrukturen von Modellen, die mittels FDM-Technologie an komplexen und feinen Strukturen hergestellt werden, nur schwer vollständig entfernen lassen, ohne das Modell zu beeinträchtigen. Die Oberfläche des Prototyps kann leicht beschädigt werden, was die Oberflächenqualität des Modells erheblich mindert. Um dieses Problem zu lösen, entwickelte der 3D-Druck-Riese Stratasys 1999 ein wasserlösliches Stützmaterial. Durch Abspülen des gedruckten Modells mit einer Lösung, die das Stützmaterial auflöst, ohne das Modell zu beschädigen, wurde dieses Problem effektiv gelöst. Aktuell können in China entwickelte FDM-Druckanlagen dies jedoch noch nicht leisten, und die Nachbearbeitung der gedruckten Modelle ist nach wie vor ein relativ aufwendiger Prozess.

Materialien, die beim Schmelzschichtverfahren (Fused Deposition Modeling) verwendet werden

Aktuell werden hauptsächlich ABS, PLA, Kunstgummi, Wachs und Polyesterthermoplaste als Filamentmaterialien verwendet. Manche Geräte benötigen zwei Materialien: ein Modellierungsmaterial für den Druck des massiven Bauteils und ein Stützmaterial für die Herstellung von Hohlräumen oder freitragenden Teilen.

Im Vergleich zu anderen 3D-Drucktechnologien ist die Auswahl an Rohmaterialien für den FDM-Druck relativ groß. Bei der Materialauswahl für das Modellbauteil sind vor allem folgende Faktoren zu berücksichtigen:

• Viskosität: Je niedriger die Viskosität, desto geringer der Widerstand, was die Bildung erleichtert und die Wahrscheinlichkeit eines Verstopfens der Düse verringert.
• Schmelzpunkt: Je näher die Schmelzpunkttemperatur an der Raumtemperatur liegt, desto geringer ist der Stromverbrauch beim Drucken. Dies wirkt sich positiv auf die mechanische Lebensdauer der Maschine aus, reduziert die thermische Belastung und verbessert somit die Druckgenauigkeit.
• Haftung: Die Haftung des Materials bestimmt die Verbindungsstärke zwischen den Schichten des gedruckten Artikels.
• Schrumpfung: Je geringer die Schrumpfungsrate des Materials, desto höher ist die Genauigkeit des Druckprodukts.

Für die Stützmaterialien gelten beim FDM-Verfahren im Wesentlichen folgende Anforderungen:

• Je nach Art des Feststoffs muss das Trägermaterial einer bestimmten hohen Temperatur standhalten können.
• Um die Nachbearbeitung zu erleichtern, sollte zwischen dem Trägermaterial und dem Festmaterial keine Feuchtigkeit auftreten.
• Wie das feste Material benötigt es eine gute Fließfähigkeit.
• Am besten sind Eigenschaften wie Wasserlöslichkeit oder Säurelöslichkeit.
• Eine niedrigere Schmelztemperatur ist vorzuziehen.

Typische Ausrüstung

Die für den FDM-Druck verwendeten Materialien sind in der Regel Thermoplaste wie Wachs, ABS, PC, Nylon usw. Standardmäßige Druckmaterialien bestehen üblicherweise aus Filamenten und sind in der Regel kostengünstig. Der Kilogrammpreis für ABS oder PLA liegt meist unter 100 RMB (ca. 15 US-Dollar). Im Vergleich zu Druckgeräten, die mit Pulver- und Flüssigmaterialien arbeiten, ist Filament sauberer, einfacher zu wechseln und zu lagern, und es entstehen keine Pulver- oder Flüssigkeitsrückstände.

Es gibt zahlreiche 3D-Drucker mit Schmelzschichtung (FDM) auf dem Markt, insbesondere Desktop-Drucker für den alltäglichen Gebrauch. Die Welt des FDM ist fast schon eine eigene Welt. Die bekanntesten Modelle, wie der MakerBot Thing-O-Matic, die Drucker der Replicator-Serie und der Cube von 3D Systems, sind allesamt Einsteiger-3D-Drucker, die auf der FDM-Technologie basieren.

Toleranz und Kapazitäten

Bei Getzshape, unser 3D-Druckdienste Wir decken vier Haupttechnologien ab: SLA, SLS, SLM und FDM. Unsere Toleranzen und Kapazitäten für den FDM-3D-Druck sind unten aufgeführt.

Oberflächenbehandlungen für FDM-gedruckte Bauteile

• SchleifenEin grundlegender und wichtiger Schritt zur Oberflächenbearbeitung von FDM-gedruckten Teilen. Dabei werden Schleifpapiere unterschiedlicher Körnung verwendet, um die sichtbaren Schichtlinien zu entfernen und die Oberfläche zu glätten.
• LackierungZuerst wird die Oberfläche geschliffen, um sie zu glätten. Anschließend wird eine Grundierung aufgetragen, damit die Farbe besser haftet. Danach wird die Farbschicht aufgesprüht oder gestrichen. Durch das Lackieren lassen sich Schichtübergänge vollständig kaschieren, dem Bauteil eine schöne Farbe verleihen und die Oberfläche glatt gestalten. Das Verfahren findet breite Anwendung bei Ausstellungsmodellen, Prototypen und Endprodukten.
• PolierenDie Oberfläche von FDM-Teilen wird geglättet und glänzend gemacht. Nach dem Grundschleifen wird die Oberfläche mit speziellen Polierpasten oder -werkzeugen bearbeitet. Dadurch werden kleine Kratzer entfernt und das Teil erhält einen glänzenden Look. Polieren eignet sich gut für Materialien wie PLA und ABS.
• DampfglättungEin spezielles chemisches Veredelungsverfahren, das hauptsächlich für ABS-Teile verwendet wird. Das gedruckte Teil wird in einen geschlossenen Behälter mit Lösungsmitteldampf gegeben. Der Dampf schmilzt die Oberfläche des Teils leicht an, wodurch die Schichtlinien ineinanderfließen und eine glatte Oberfläche entsteht. Nach dem Verfahren weist das Teil eine sehr glatte, glänzende Oberfläche ohne sichtbare Schichten auf.