Ein additives Fertigungsverfahren, welches dank des US-amerikanischen Erfinders Scott Crump seit mittlerweile mehr als drei Jahrzehnten auf dem Markt ist und sich seither stets weiterentwickelt hat, ist der Kunststoff 3D-Druck mit dem FDM Drucker.
FDM Drucker - Technologie für Kunststoffe
Die FDM-Technologie mit hochwertigen thermoplastischen Kunststoffen ist die beste 3D-Drucktechnologie für die Herstellung robuster, langlebiger und formstabiler Bauelemente mit perfekter Präzision und Reproduzierbarkeit.
Bei diesen 3D Druckern wird ein schmelzfähiger Kunststoff im FDM-Verfahren aufgeschmolzen und schichtweise zu einem fertigen Bauteil gefertigt.
3D-Druckerkonfigurator
Druckvorbereitung
Die Bauvorbereitungssoftware generiert aus einer 3D-CAD-Datei die Schichten und die Positionierung und berechnet die Materialwege für den extrudierten Thermoplast und eventuell notwendiges Stützmaterial
Produktion
Im 3D-Drucker wird der Thermoplast erwärmt, bis er einen halbflüssigen Zustand erreicht. Anschließend wird er in kleinsten Tröpfchen entlang dem Extruderweg abgesetzt. An den Stellen, die Stützen oder Abgrenzungen benötigen, erzeugt der 3D-Drucker Gerüste aus entfernbarem Material.
Nachbearbeitung
Der Anwender entfernt das Supportmaterial mechanisch oder löst es mit einem Reinigungsmittel und Wasser auf. Anschließend ist das Bauteil einsatzbereit.
Stratasys FDM Drucker
hier die verschiedenen Stratasys 3D Drucker
Möchten Sie eine FDM Drucker Auswahl sehen?
- Was ist ein FDM Drucker?
- Wie funktioniert ein FDM Drucker?
- Nachteile der FDM Drucker
- Anwendungsgebiete des FDM 3D Drucks
- Möglichkeiten mit einem FDM 3D Druckverfahren
- FAQ
Was ist ein FDM Drucker?
Unter einem FDM 3D Druckern versteht man Geräte, die sich durch Hitze verformbare Materialien verarbeitet und nach dem sog. „Fused Deposition Modeling“ (FDM) Prinzip funktioniert (Schmelzschichtung). Hierbei wird das zu verarbeitende Material (Filament) als Faden aufgerollt auf einer Rolle verarbeitet.
Mittels eines Schmelzprozesses in der beheizten Druckdüse der 3D Drucker wird das Material verflüssigt und durch die Düse auf eine Kunststoff-Trägerplatte aufgebracht. Hier kühlt das es ab und härtet aus.
Sind die Entwicklung und Fertigung bzw. die Prototypen-Abteilung örtlich voneinander getrennt, vereinfachen 3D Drucker interne Prozesse und bieten allen Beteiligten viel Flexibilität. Da die FDM 3D-Drucker keine Ansprüche an ihren Aufstellort haben, können sie in jedes Büro gestellt werden. So können Konstrukteure und Produktentwickler ihre Prototypen direkt selbst vor Ort kreieren, erschaffen und wenn nötig direkt verbessern, ohne dafür weite Wege an den nächsten Standort des Unternehmens auf sich nehmen zu müssen.
Wie funktioniert ein FDM Drucker
Wie bei allen 3D-Druckern oder alternativen Fertigungsprozessen üblich, beginnt die Herstellung eines Bauteils mit der Erstellung einer 3D Datei des Teils. Anhand dieser Datei kann im Anschluss eine CAD-Software diese in ein für den 3D Druck kompatibles Dateiformat konvertieren. Nun wird daraus der Materialbedarf und die Druckdauer durch die Software errechnet.
Ist dies geschehen, wird die Druckdatei an den 3D-Drucker gesendet und der Drucker kann für den Auftrag vorbereitet werden. Dazu muss geprüft werden, ob genug Material für den anstehenden Druck vorhanden ist und ob eine neue Druckplatte auf der Druckplattform eingesetzt bzw. ob dieses sauber ist. Hat sich der 3D Drucker auf Betriebstemperatur aufgeheizt, kann der Druck starten. Das Aufheizen des Bauraums und des Betts ist wichtig, damit die einzelnen Druckschichten untereinander und die erste Schicht des Filaments auf der Trägerplatte eine bessere Haftung erreichen können.
Nun fährt die Druckplattform nach oben zum Druckkopf und der Druck kann beginnen. Der Materialförderer des Druckers schiebt das Filament nach oben zum Druckkopf, wo es im sog. Extruder so stark erhitzt wird, bis es schmilzt. So kann der Kunststoff durch die Druckdüse gepresst werden und die erste Schicht des Bauteils wird auf die Druckplatte gelegt. Nun wird schichtweise aufgetragen. Besitzt der 3D Drucker einen Dual-Extruder (beide Düsen sitzen direkt nebeneinander im Kopf), so wird auf jeder Ebene sowohl das Filament als auch das Stütz- bzw. Support-Materialgedruckt. Da, sobald eine Lage fertig gedruckt wurde, im Anschluss nicht noch einmal in der Höhe korrigiert werden kann, muss jede noch so kleine Stelle in jeder Schicht gedruckt werden. Dies geschieht nicht gleichzeitig, sondern kann nur nacheinander erfolgen.
Ist eine Schicht fertig gedruckt, fährt die Bauplattform um die Schichtstärke nach unten (Z-Achse). Nun kann die nächste Lage aufgetragen werden, indem der Druckkopf Bewegungen in der X- und Y-Achse ausführt, sich also nach vorne & hinten und links & rechts bewegt. So wird nach und nach das Bauteil erstellt. Ist der 3D Druck abgeschlossen, fährt der Druckkopf in seine Parkposition und die Plattform ganz nach unten. Nun kann die Trägerplatte herausgenommen und das Bauteil von der Druckplatte gelöst werden, damit es direkt für den vorhergesehenen Verwendungszweck eingesetzt werden kann.
Das sog. Support- bzw. Stützmaterial dient dazu, Überhänge oder oben verschlossene Hohlstrukturen zu stützen. Da der 3D Drucker kein Bauteil freischwebend in den Raum drucken kann, sondern die nächstfolgende Schicht immer auf einer vorher gedruckten Schicht aufliegen muss, muss es von einem zweiten Material unterstützt und stabilisiertwerden. Dafür befindet sich im Dual-Extruder neben der Materialdüse eine weitere für das Supportmaterial, welche auf der gleichen Schicht des Hauptmaterials mit baut.
Wurde mit einem Stützmaterial gearbeitet, muss dieses nun entfernt werden. Dafür gibt es unterschiedliche Methoden. Welche hier zum Einsatz kommt, hängt vom gedruckten Bauteil ab. Wurde das Supportmaterial nur außen verwendet, kann es einfach abgebrochen werden.
Feine Reste oder dünne Schichten können auch abrasiv durch Schleifen entfernt werden. Als weitere Methode wird häufig ein chemisches Bad eingesetzt. Dieses löst das Supportmaterial auf, lässt das eigentliche 3D Druckmaterial dabei jedoch unberührt. Eingesetzt wird diese Methode in der Regel, wenn innenliegende, nicht sichtbare oder nicht erreichbare Stützstrukturen entfernt werden müssen. Nach dem Bad muss das Teil lediglich mit Wasser abgewaschen werden und kann nun zum Einsatz kommen.
Nachteile von FDM 3D Druckern
Wie jedes andere Fertigungsverfahren oder Maschine haben auch FDM Drucker nicht nur Vorteile und kommen bei manchen Anforderungen an ihre Grenzen. Dies ist häufig der Fall, wenn das Bauteil über größere Überhänge verfügt. Zwar kommt hier in der Regel Stützmaterial zum Einsatz, jedoch ist auch dies nicht immer möglich. Eine weitere Schwachstelle hat der FDM 3D-Druck im Vergleich zu anderen Druckern und Druckverfahren, wenn es um den Druck sehr dünner und feiner Strukturen und Materialien geht. Es ist möglich, jedoch sind hier Verfahren wie der Druck mit der SLA-Technologie besser geeignet.
FDM 3D Druck ist nur für den Kunststoffruck geeignet, jedoch gibt es hier eine riesige Auswahl an unterschiedlichsten Materialien und Verbundwerkstoffen. Werden stabilere Werkstücke aus Metall benötigt, muss man zu einem Metalldrucker greifen. So können dank anderer Drucker und Technologien wie dem SLA Drucker bessere Oberflächengüten erreicht werden. Diese Schichtlinien sind bei einem FDM Drucker aufgrund des Schicht für Schicht erfolgten Aufbaus bei einer Schichtdicke im Bereich von 0,1mm immer sichtbar und vor allem spürbar. Während des Drucks kann die Farbe des Materials nicht gewechselt werden, was für manche Anwendungen Probleme darstellen kann.
Auch die Berechnung vorab ist bei der Verwendung von 3D Drucktechnologien mit FDM 3D-Druckern entscheidend und sehr wichtig. So entscheidet die Richtung der Druckschichten darüber, in welche Richtung Kräfte wirken können und wie stabil das Druckteil am Ende wird. Verlaufen die Zugkräfte senkrecht zur Druckrichtung, lösen sich die einzelnen Druckschichten als schwächste Stelle des Teils schnell voneinander und das Bauteil geht kaputt.
Anwendungsgebiete des FDM 3D Drucks
3D Druck wird in den verschiedensten Bereichen und für unterschiedlichste Anwendungen eingesetzt. Ihr Haupteinsatzgebiet liegt jedoch in der entwickelnden Industrie und im Prototypenbau. Hier wird das 3D Druckverfahren der FDM-Technologien eingesetzt, um erste Prototypen bei Konzeptumsetzungen zu erstellen. Diese dienen in der Regel als Anschauungsmaterial und können auch für Funktionstests verwendet werden. Oftmals finden sich die Teile aus dem FDM 3D-Drucker als „Platzhalter“ für Formtests in Baugruppen wieder. Sie erfüllen hier die mechanische Funktion, sind jedoch nicht so stark belastbar wie das originale Teil.
Der große Vorteil von 3D Druckern für die Entwicklung ist die Flexibilität. Es können schnell und kostengünstig Anpassungen und Änderungen der Anwendungen vorgenommen werden. So erreicht man ein perfekt funktionierendes Endprodukt, welches nach mehreren Entwicklungsstufen als finales Funktionsteil vorgestellt werden kann. Diese Möglichkeiten machen die Technologie kostensparend und sehr effizient.
Doch auch in der fertigenden Industrie werden FDM Drucker eingesetzt. Beschränkt auf kleinere Serien werden hier nicht mehr lieferbare oder nur schwer zu fertigende Ersatzteile schnell und kostengünstig angefertigt. Besonders für komplizierte Bauteile eignet sich die Fertigung mit dem FDM 3D-Drucker bestens. Diese Vorteile werden auch häufig im Modell- und Formenbau genutzt.
Möglichkeiten mit einem FDM 3D Druckverfahren
Mit einem FDM Drucker hat man vielseitige, nahezu unbegrenzte Möglichkeiten, komplizierte Bauteile einfach, schnell und kostengünstig herzustellen. So können erste Prototypen unmittelbar von der Theorie als 3D Datei in die Praxis in Form des fertigen Druckteils umgewandelt werden. Dank der großen Farb- und Materialauswahl der Filamente ist eine umfassende Flexibilität und die Eignung für unterschiedlichste Ansprüche an das Material und Bauteil gegeben.
Einen FDM 3D Drucker gibt es außerdem noch in weiteren Ausbaustufen als die bisher bekannten eingehausten Geräte. Müssen größere Bauteile gedruckt werden, können auch Roboterarme mit der FDM Drucker Technik ausgestattet werden. Dies ist ebenfalls als Erweiterung bei modernen 5-Achs Fräsmaschinen möglich. Dadurch schaffen sich für viele fertigende Industriefirmen und Betriebe eine Vielzahl neuer Möglichkeiten.
Sind die Entwicklung und Fertigung bzw. die Prototypen-Abteilung örtlich voneinander getrennt, vereinfachen FDM Drucker interne Prozesse und bieten allen Beteiligten viel Flexibilität. Da die FDM 3D-Drucker keine Ansprüche an ihren Aufstellort haben, können sie in jedes Büro gestellt werden. So können Konstrukteure und Produktentwickler ihre Prototypen direkt selbst vor Ort kreieren, erschaffen und wenn nötig direkt verbessern, ohne dafür weite Wege an den nächsten Standort des Unternehmens auf sich nehmen zu müssen.
Warum FDM 3D Drucker?
FDM Drucker kommen immer häufiger in den verschiedensten Bereichen zum Einsatz. Das liegt unter anderem daran, dass man dank einer großen Materialauswahl und der simplen Funktionsweise kostengünstig, schnell und einfach Muster, Prototypenteile und Kleinserien herstellen kann.
Welche Materialien kann ein FDM Drucker drucken?
Eine große Auswahl verschiedenster Kunststoffe und Kunststoff-Verbundwerkstoffe sind mittlerweile auf dem Markt und mit einem FDM Drucker verarbeitbar. Je nach Materialanspruch und den gewünschten technischen Eigenschaften und Technologien steht eine breite Auswahl an Materialien für FDM 3D-Drucker zur Verfügung.
