Filament 3D-Druck (FDM/FFF): Das Verfahren

Der Filament 3D-Druck (auch „Fused Deposition Modeling“ (FDM) oder „Fused Filament Fabrication“ (FFF)) wird häufig im Heim- und Hobbybereich eingesetzt. Das Verfahren wurde in den späten 1980er Jahren entwickelt und ist eines der älteren Verfahren des 3D-Drucks. Die unterschiedlichen Bezeichnungen sind aufgrund markenrechtlicher Konflikte entstanden. Die Begriffe „Fused Desposition Modeling“ (auch die Kurzform FDM) sind Eigentum der Firma Stratasys. Der Begriff „Fused Filament Fabrication“ (FFF) ist geprägt worden durch das OpenSource Projekt „RepRap“.


FDM/FFF Schnellübersicht

Der FDM Druck gehört nicht zu unserem Dienstleistungsportfolio. Für die additive Fertigung von stabilen Funktionsteilen aus Thermoplasten empfehlen wir Ihnen das HP Jet Fusion Verfahren (Material HP PA12) bzw. das Lasersinterverfahren (Material PA2200).

Weitere Rapid-Prototyping Verfahren

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Beim FDM wird, vereinfacht gesagt, geschmolzener Kunststoff auf eine Werkplattform aufgetragen. Wie bei jedem 3D-Druck Verfahren ist auch hier die Grundvoraussetzung ein druckfähiges, digitales 3D-Modell. Dieses Modell wird von einem Computerprogramm in eine Vielzahl von Schichten zerlegt (slicen). Diese Schichten werden abschließend von einem Extruder auf eine Werkebene aufgetragen. Der Extruder ist eine beheizbare Düse. Die Kunststofffäden (sog. Filament), mit denen gedruckt wird, werden durch den Extruder erhitzt, bis sie sich verflüssigen. Dieses flüssige Thermoplast wird durch den Extruder entsprechend der Schichten des 3D-Modells auf die Werkebene aufgetragen. Sobald das Material abkühlt, härtet es schnell aus. Auf eine ausgehärtete Schicht wird die nächste Schicht des flüssigen Kunststoffs aufgetragen. So entsteht Schicht für Schicht, das reale Abbild des 3D-Modells. Volumenkörper werden bei dem Verfahren nicht solide, sondern mit Füllstrukturen gedruckt (‚Infill‘). Für überhängende Elemente müssen Stützstrukturen mitgedruckt werden. Sie können sich diesen Vorgang ähnlich der Benutzung einer Heißklebepistole vorstellen, bei der die Klebesticks durch die Düse erhitzt und auf, das zu klebende Werkstück, aufgetragen werden.

Visualisierung des FDM/FFF-Prozesses; Quelle: youtube.com / The 3D Printing Professor


Finishing

Von den Werkstücken werden die Supportstrukturen entfernt. Auf Wunsch sind folgende zusätzliche Optionen möglich:

  • Schleifen
  • Lackierung

Funktionsteile/Frühe Prototypen

Fdm-3d-Druck-Beispiel-pla

Das Verfahren des FDM (im Vergleich der 3D-Druck-Verfahren) ist sehr kosten­günstig und relativ schnell im Druck. Dadurch können frühe Prototypen nahezu problemlos erstellt, getestet und korrigiert werden. Aufgrund der hohen Ungenauigkeit des Verfahrens, sind bei fortgeschrittenen Prototypen oder Kleinserien andere Verfahren vorzuziehen (z.B. Lasersintern, Stereolithografie, Polyjet).


Modellbau

Fdm-3D-Druck-Modellbau-Leitkiel-Slotcar

ABS ist ein beliebter Kunststoff für den Modellbau. Die gute Ober­flächenhärte und Schlag­festigkeit sowie vielfältige Be­arbeitungs­­möglichkeiten machen ABS zu einem gut geeigneten Material für Funktionsmodelle und Modelle, die genutzt werden.


Vorrichtungen und mechanische Teile

FDM-3D-Druck-Zahnrad

Durch die hohe Stabilität eignet sich ABS um einfache Vorrichtungen oder mechanische Teile (bspw. als Ersatzteile) herzustellen.

Vorteile

  • Relativ kostengünstig
  • Formstabil
  • Schnelle Lieferzeiten

Nachteile

  • Geringe Genauigkeit
  • Einschränkungen in der Komplexität – für sehr komplexe Geometrien ist das Lasersintern vorzuziehen.
  • Bei dem Material ABS können sich sehr dünne Teile verbiegen (sog. ‚Warp-Effekt‘).
  • Volumenkörper werden nicht solide gedruckt, sondern mit einer Füllstruktur (‚Infill‘). Sofern nicht anders angegeben, beträgt die Füllung ca. 20%.
  • Druckschichten sind deutlich sichtbar.

Es gibt eine Vielzahl von Stoffen, die für die Fertigung von 3D-Druckerzeugnissen mittels des FDM/FFF-Verfahrens zur Anwendung kommen können. Viele Kunststoffe werden mit Additiven versehen, um neben den grundlegenden Eigenschaften noch bestimmte Materialeigenschaften zu erzielen. Diese können beispielsweise Feuerfestigkeit, chemische Beständigkeit, Bruchfestigkeit, Hitzebeständigkeit u. a. sein.

Grundsätzlich sind fast alle Thermoplaste für das Verfahren geeignet. Besonders häufig genutzt werden:

  • ABS: ABS ist ein sehr breit eingesetzter industrieller Kunststoff. Insbesondere in der Automobil- und Luftfahrtindustrie ist 3D-gedrucktes ABS ein beliebter Werkstoff. Nicht selten wird ABS dabei im Gemisch mit PC (Polycarbonat) verwendet (ABS-PC).
  • Polyimide: Insbesondere Ultem erfreut sich beim professionellen 3D-Druck sehr großer Beliebtheit. Das Material zählt als enorm widerstandsfähig und langlebig.
  • PEEK: PEEK wird insbesondere für Hochtemperaturanwendungen verwendet. Der Druck von PEEK ist nicht einfach, dafür benötigt es spezielle Maschinen, welche derartige Materialien verarbeiten können.
  • PA6/PA66: Nylon ist breit einsetzbarer technischer Kunststoff, mit Einsatz quer durch alle Industrien. Im Gegensatz dazu, werded in pulverbasierten additiven Fertigungssystemen, wie dem HP Jet Fusion Verfahren, in aller Regel andere Polyamide, wie PA12 oder PA11 verwendet.

Es gibt darüber hinaus viele weitere Polymere die im FDM Druck zum Einsatz kommen. Dazu zählen im industriellen Bereich bspw. Polycarbonat, TPU, PET oder Polypropylen. Überwiegend im privaten bzw. nicht-technischem Einsatz wird das Material PLA (Polymilchsäure) verwendet. Letzteres ist leicht druckbar und wird aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt, erfüllt aber häufig nicht hohe technische Ansprüche an mechanische und thermische Stabilität.

3D-Druck-Filamentrolle-ABS

Filamentrolle mit FFF-Material ABS

Die Entwicklung der FDM-Drucktechnologie begann in den späten 1980er Jahren, mit einem Spielzeugfrosch. S. Scott Crump suchte nach einem Geschenk für seine Tochter. Dabei kam ihm die Idee, den Prozess des Fräsens einfach umzukehren und mit geschmolzenem Kunststoff ein Modell Schicht-für-Schicht aufzubauen, anstatt es aus einem Block herauszufräsen. Mit seiner Frau Lisa Crump entwickelte er damit das erste Verfahren des FDM-Druckens. Das Verfahren wurde patentiert und 1992 wurde der erste funktionierende 3D-Drucker hergestellt. Parallel dazu wurde auch die Firma Stratasys gegründet. Im Jahr 2007 wurde von Mitgliedern des OpenSource Projektes „RepRap“ ihr erster 3D-Drucker namens Darwin entwickelt. Parallel wurde eine alternative Bezeichnung dieses Verfahrens eingeführt: Fused Filament Fabrication (FFF). Somit wurde durch die Mitglieder des RepRap-Projektes ein markenrechtsfreier Wortgebrauch ermöglicht. 2009 lief der Patentschutz für das FDM -Verfahren aus. Es kam es zu einer weiteren Öffnung des Marktes für FDM-Drucker. Dies ermöglichte u.a. Makerbot, ihre Bausätze von 3D-Druckern den Nutzern anzubieten.

MakerBot_ThingOMatic_Bre_PettisMakerBot ThingOMatic von Bre Pettis – auf Flickr; Wikipedia-Lizenz CC BY 2.0