FDM-Technologie und ihre Weiterentwicklungen

fdm-drucker

Die FDM-Technologie wurde in den 1980er Jahren von Scott Crump entwickelt. Sie ist auch unter den Namen FFF (Fused Filament Fabrication) oder als Schmelzschichtverfahren bekannt. Die Erfindung mündete in der Gründung der Firma Stratasys und der Entwicklung des ersten kommerziellen FDM-Druckers im Jahr 1991. Ausgehend von diesem Produktionsverfahren wurden viele verschiedene Varianten entwickelt. Diese Ableger haben die unterschiedlichsten Nischen erobert und sich dort etabliert. In diesem Beitrag wollen wir uns dieser Pioniertechnologie widmen und ihre Auswirkungen auf den aktuellen Markt untersuchen.


Grundlagen der Technologie

Der FDM-3D-Druck funktioniert nach dem Prinzip, dass ein erhitzter (flüssiger) Kunststoff aus einer Düse extrudiert wird. Diese Düse bewegt sich, bei den gängigsten FDM-Verfahren, nur auf den X- und Y-Achsen. Die Bauplattform vollzieht die Bewegung in der Z-Achse. Weitere Varianten finden Sie hier. Neben Kunststoffen sind mittlerweile auch andere Materialien möglich. (Mehr dazu im Abschnitt „Anwendungen jenseits von Kunststoffen“)

FDM-Schema

Schema des FDM-3D-Drucks.

Quelle: 3druck.com

Besonderheiten des FDM-3D-Drucks

Auch wenn das FDM-Verfahren „nur“ die zweite 3D-Druck-Technologie (nach der Stereolithografie) war, hat es den 3D-Druck revolutioniert. Das lag daran, dass FDM mit echten Thermoplasten arbeiten konnte. Lange Zeit gab es aber entscheidende Nachteile:

  • Produktionsgeschwindigkeit relativ gering
  • Geringe Präzision
  • Geringe Materialauswahl
  • Mäßige Oberflächenqualität

Die Genauigkeit der FDM-Drucker hat sich mittlerweile stark verbessert. Auch die verfügbaren Materialien und damit die möglichen Eigenschaften haben sich enorm verbessert. Insbesondere beim FDM-Druck bleibt es wichtig, in welcher Orientierung gedruckt wird (Anisotropie). Der große Vorteil gegenüber pulverbettbasierten 3D-Druckverfahren (wo nur teilkristalline Polymere eingesetzt werden können) ist, dass beim FDM-Druck fast alle Polymere (auch PC) verwendet werden können. Die FDM-Anlagen sind im Vergleich mit den pulverbasierten relativ kostengünstig. Daher rührt auch die Beliebtheit des Verfahrens bei privaten Nutzern und bei Firmen, die erste Schritte im Bereich der additiven Fertigung gehen wollen. In der Serienfertigung hat sich das FDM-Verfahren noch nicht durchgesetzt- außer wenn Polymere benötigt werden, die auf pulverbettbasierten Maschinen nicht möglich sind.

Spielarten der Technologie

Bis heute liegt eine Hauptanwendung für die FDM-Technologie in der Herstellung von Prototypen aus Kunststoffen. Nachdem viele Patente der FDM-Technologie um die Jahrtausendwende ausliefen, kam Bewegung in den Markt für FDM-Drucker. Es wurden zahlreiche standardisierte Bauteile für den Bau von FDM-Druckern entwickelt und die Preise sanken spürbar. Dies führte dazu, dass eine Vielzahl von Herstellern auf den Markt kam. Der Konkurrenzdruck war hoch und es setzte eine spürbare Marktbereinigung ein. Zahlreiche Hersteller von FDM-Druckern verschwanden und einige entwickelten sich zu Marktgrößen (Ultimaker, Makerbot). Andere spezialisierten sich auf bestimmte Nischen.
Die Preise für die FDM-3D-Drucker liegen im untersten Segment mittlerweile bei < 100 EUR. Dies sind allerdings sehr einfache Geräte, häufig zum selbst zusammenbauen. Das mittlere Preissegment wird von den Branchengrößen Ultimaker und Makerbot bestimmt, deren 3D-Drucker kosten wenige Tausend EUR und sind für den privaten und den kommerziellen Gebrauch geeignet. Am oberen Ende der Preisskala liegen die Industriellen FDM-Drucker, meist von Stratasys, zu Preisen von mehreren 100.000 EUR.
Der Unterschied zwischen diesen Geräten zeigt sich meist in der Genauigkeit der Produkte, den verwendbaren Materialien, der Produktionsgeschwindigkeit und der Einheitlichkeit (Präzision) der hergestellten Objekte.

Anwendungen jenseits von Kunststoffen

Auf Grundlage des FDM-Prinzips für Kunststoffe entstanden viele Varianten in anderen Bereichen und Industrien. Dabei kommt immer eine Materialextrusion zur Anwendung. Die bekanntesten Beispiele sind der 3D-Druck von:

  • Nahrungsmitteln, z. B. Schokolade, Pasta, „Gummibärchenartiges“ und alles, was sich pürieren lässt.
  • Bauwerken, z. B. Häuser, Brücken, Mauern.
  • Bio-Drucker für den Druck von bestimmten Gewebestrukturen (zurzeit meist Knochen) als Ersatz für zerstörtes Gewebe oder für pharmazeutische Tests. In Zukunft sollen auch Organe oder Mehrmaterialstrukturen gedruckt werden können.
Beispiele 3D-gedruckte Lebensmittel

3D-gedruckte Lebensmittel. Foto: Kārlis Dambrāns; Flickr; Lizenz: CC by 2.0

Ein wichtiger Bereich ist der 3D-Druck von Metallobjekten. Auch in diesem Bereich gibt es auf Grundlage der FDM-Funktionsweise neue Entwicklungen. Das interessanteste Verfahren ist dabei das Metal-Binder-Jetting. Dabei wird eine Metallpaste auf die Bauplattform gedruckt und anschließend das Füllmaterial (meist ein Kunststoff) mithilfe einer chemischen Reaktion entfernt (Debindering). Danach kommt der Rohling in einen Sinterofen und wird bis kurz unter die Schmelztemperatur erhitzt. Die Bauteile haben bei diesem Verfahren eine Dichte von über 95 %. Mit dem Verfahren können Metallbauteile im Vergleich sehr günstig hergestellt werden. Führend sind zurzeit Markforged sowie Desktop Metal, aber auch AIM3D aus Rostock ist seit Kurzem (2017) in diesem Segment auf dem Markt.


Industrielle Anwendungen

Die FDM-Technologie ist im Vergleich mit den pulverbettbasierten Verfahren meist weniger wirtschaftlich. Um die Potenziale der Technologie zu nutzen, wurden einige interessante Nischen „besetzt“. Diese haben wir nachfolgend für Sie zusammengefasst.

Materialien

Die wichtigen technischen Kunststoffe ABS, PC, PC/ABS, PI, PEI und viele weitere Kunststoffe können beim FDM-3D-Druck verwendet werden. Dafür stehen unterschiedliche Anlagen verschiedener Hersteller bereit. Diese Anlagen werden meist für die Herstellung von Prototypen aus dem späteren Serienmaterial verwendet. Aber auch für die Produktion von Kleinstserien findet das FDM-Verfahren mit dem o. g. Materialien Anwendung.

Komposite, wie z. B. mit Kurzfasern verstärkte Kunststoffe, werden von vielen Anbietern bereitgestellt. Mit Langfasern versetzte Bauteile sind auch möglich, hier ist Markforged mit Maschinen und Material zurzeit führend. Zur Anwendung kommen Komposite insbesondere im Leichtbau. Hier kann nahezu die Festigkeit von Aluminium erreicht werden, bei einem deutlich geringeren Gewicht.

Mittlerweile gibt es auch einige Anbieter von Hochtemperaturmaterialien insbesondere PEEK. Allerdings sind für die Verwendung der meisten Hochleistungsmaterialien spezielle 3D-Drucker oder Vorrichtungen an bestehenden Druckern notwendig. Verwendet wird PEEK ebenfalls im Leichtbau insbesondere dort, wo das Material hohen Temperaturen ausgesetzt ist.

Dimensionen

FDM ist zurzeit das Verfahren, mit dem große Bauteile am wirtschaftlichsten hergestellt werden können. Es gibt praxisbewährte 3D-Drucker mit einer Bauraumdimension von einem Meter und mehr (BigRep). Insbesondere für die Herstellung großer Prototypen (> 50 cm), aber auch für große Bauteile in geringen Stückzahlen (Gehäuse) bietet sich der FDM-3D-Druck an.

BigRep ONE, GroßraumFDM-Drucker
Großraumdrucker von BigRep. Quelle: BigRep.com

Flexibilität

Durch die Verwendung von Industrieroboter(armen) als Führung für den Druckkopf ergeben sich neue Anwendungsmöglichkeiten der FDM-Technologie. Ein großer Vorteil dabei ist, dass der 3D-Druck damit direkt in der Fließbandproduktion eingesetzt werden kann. Es besteht auch die Möglichkeit, direkt auf schon bestehende Objekte „aufzudrucken“. Ein schneller und unkomplizierter Materialwechsel ist so möglich und damit auch die Kombination von mehreren Materialien.

Komplexität

Eine weitere Entwicklung geht dahin, das Druckbett flexibler zu machen. Dazu werden in mehreren Dimensionen bewegliche Plattformen verwendet, so werden Supportstrukturen überflüssig. Dies verkürzt den Produktions­prozess und die Nachbearbeitungszeit. Die Fraunhofer-Gesellschaft hat mit dem SEAM hier einen neuen Standard gesetzt.


Von Fraunhofer entwickelter 3D-Drucker SEAM. Quelle: Youtube/Fraunhofer-IWU


Zukunftsaussichten des FDM-3D-Druck

Materialien

Bei den Materialien geht die Entwicklung weg von den bisher bekannten Standardmaterialien hin zu für den 3D-Druck optimierten Spezialmaterialien, für eine bessere Wirtschaftlichkeit. Chemieunternehmen wie BASF, Evonik oder Clariant arbeiten mit Hochdruck an neuen Materialien und Verbesserungen für vorhandene Materialien.

Wirtschaftlichkeit

Bisher war die Geschwindigkeit des FDM-3D-Drucks immer noch ein Faktor, der die Wirtschaftlichkeit reduzierte. Es gibt mehrere Ansätze diesen Mangel zu beheben:

  • Kombination von 3D-Druck und CNC-Technologie (BigRep Edge)
  • Großformatdrucker: bei einfachen/geraden Geometrien wird mit hoher Geschwindigkeit gedruckt, für Details mit geringerer.
  • Mehrachsige/3D-bewegliche Druckplattformen

Diese Ansätze dienen dazu, die Kosten des FDM-3D-Drucks zu reduzieren bzw. den Output der Maschinen zu steigern.

Spezialisierung

Aktuell geht der Trend in der FDM-Technologie dazu, die Maschinen weiter zu spezialisieren. Vollfarbigkeit (da Vinci Color von XYZ) ist eine dieser Richtungen, Multimaterialsysteme ist eine andere. Wunderdinge sind aber nicht zu erwarten. Die Verbesserung der Zuverlässigkeit, Wirtschaftlichkeit und der Reproduzierbarkeit steht zurzeit im Fokus.

Automatisierung

Ein weiterer Schritt, die Konkurrenzfähigkeit von FDM zu erhöhen, ist die Automatisierung von Teilprozessen des 3D-Drucks. Insbesondere das automatische Bestücken der 3D-Drucker und das Entladen der Bauräume stehen hier im Fokus, der Automatisierungsbestrebungen.


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Über 3Faktur: 3Faktur ist Spezialist für 3D-Druck und Rapid Prototyping. Wir arbeiten mit zahlreichen 3D Druckverfahren und -systemen, sowie unzähligen Materialien im Prototypenbau und in der Kleinserienproduktion. Sollten Sie Fragen zu Ihrem Projekt haben, können Sie uns gern kontaktieren.

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