3D-Druck-Verfahren vorgestellt Was kann Fused Deposition Modeling (FDM)?

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Vom Namen her sind die meisten Verfahren zur additiven Fertigung mit Metall und Kunststoff bekannt. Doch wie funktionieren sie? Was sind ihre Stärken, was ihre Schwächen? Was ist beim Bauteildesign zu beachten? Und für welche Anwendungen sind sie geeignet? 3D-Druck-Spezialist Materialise gibt einen Überblick. Teil 4: Fused Deposition Modeling (FDM)

Das Fused Deposition Modeling (FDM), auch Fused Filament Fabrication (FFF) genannt, zu deutsch Schmelzschichtung, zählt heute zu den beliebtesten 3D-Druck-Verfahren für die additive Fertigung von Bauteilen aus Kunststoff. Entwickelt wurde die Technologie bereits 1989 von S. Scott Crump, dem Mitbegründer von Stratasys.

FDM basiert auf thermoplastischem Modellierfilament, das heißt, auf schmelzfähigem Kunststoff, der in Drahtform auf Rollen bereitgestellt wird. Das Filament wird durch eine Extruderdüse geführt, in der das Material erwärmt und anschließend auf einer Bauplattform auf den erforderlichen Bereichen schichtweise aufgebracht wird. Sind alle Bereiche einer Schicht aufgebracht, wird die Düse nach oben verschoben und die nächste Schicht auf die darunterliegende gedruckt. Durch laufende Wiederholung dieses Prozesses entsteht Schicht für Schicht das vollständige Bauteil. Nach dem Druck werden die gegebenenfalls mitgedruckten Stützstrukturen entfernt und die Oberflächen – sofern dies erforderlich ist – nachbearbeitet.

Eigenschaften und Anwendungsfelder

FDM ist ein 3D-Druck-Verfahren, mit dem sich nahezu jede erdenkliche Geometrie besonders verzugsarm erzeugen lässt, da aufgrund der nur punktuellen Erwärmung keine thermischen Spannungen in das Bauteil eingebracht werden. Die Bauabmessungen sind im Prinzip unbegrenzt, da die Komponenten aus verschiedenen Segmenten bestehen können, die nach dem Druck sehr gut zusammenfügbar sind.

Zu den großen Vorteilen des Verfahrens zählt, dass die mechanischen Eigenschaften der mit FDM-verwendbaren Werkstoffe im Laufe der Zeit stabil bleiben. Die Bauteile haben so nicht nur eine hohe Qualität, sondern halten auch außerordentlich lange. Darüber hinaus gibt es auch eine große Auswahl an technischen Werkstoffen mit zum Teil sehr spezifischen Eigenschaften, sodass sich für die meisten Anwendungen optimal geeignete Materialien finden lassen. Ein Wechsel zwischen den Materialien auf einer Maschine ist problemlos möglich, sodass ein Bauteil in verschiedenen Werkstoffen realisierbar ist.

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Im Bereich des Kunststoff-3D-Drucks ist FDM ein Verfahren mit hoher Genauigkeit. Sie beträgt plusminus 0,15 % vom Nennmaß mit einer Untergrenze von 0,2 mm. Mit einer Schichtstärke von 0,18 bis 0,33 mm – je nach Material und Düse – und einer empfohlenen Mindestwandstärke von 1 mm erfüllt der Detaillierungsgrad die Anforderungen vieler Anwendungen.

Unbearbeitete Bauteile haben je nach Düsenstärke eine unterschiedlich fein geriffelte Oberfläche. Die Oberflächen lassen sich jedoch nahezu beliebig nachbearbeiten. Unter anderem können sie geglättet, lackiert oder beschichtet werden. Je nach Anforderung lassen sie sich zudem mit Dichtungsmittel behandeln, wodurch eventuell im Bauteil verbliebene Poren versiegelt werden.

FDM eignet sich unter anderem für die Produktion komplexer Funktionsteile in geringer Stückzahl sowie für detaillierte funktionale Prototypen. Auch ist das Verfahren für große, dickwandige und voluminöse Bauteile nutzbar. Prototypen können dank der großen Werkstoffauswahl dabei zum Teil direkt in den späteren Produktionsmaterialien erstellt werden.

Materialien

Zu den industriell am meisten genutzten Materialien für das FDM zählen spritzgusstypische Werkstoffe wie ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol, PC (Polycarbonat) und PC-ABS. Sehr interessant ist zudem der Werkstoff Ultem.

Additive Fertigung

Verfügbare Kunststoffe für den 3D-Druck

ABS kombiniert eine hohe Haltbarkeit mit der Möglichkeit, sehr feine Details zu realisieren. Gedrucktes ABS besitzt in der Standardvariante dabei bis zu 80 % der Festigkeit von spritzgegossenem ABS, wodurch es sich besonders für funktionale Anwendungen eignet. Zudem gibt es ABS-Varianten, die zum Beispiel elektrostatische Ladungen ableiten, sodass sie sich etwa für elektronische Produkte mit Leiterplatten anbieten. Es existieren auch ABS-Varianten, die schon im Rohzustand biokompatibel sind, was sie für den Einsatz in der Lebensmittel- und Medizinbranche prädestiniert. Weitere ABS-Mischungen sind transluzent oder nochmals fester als standardmäßiges ABS.

Polycarbonat zeichnet sich durch eine hervorragende Stoßfestigkeit und Temperaturbeständigkeit aus. Aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften eignet sich das Material vor allem für anspruchsvolle Umgebungen, wenn eine hohe Biege- und Zugfestigkeit erforderlich ist.

PC-ABS ist eine Mischung aus Polycarbonat und ABS. Das Material kombiniert relativ hohe Flexibilität mit relativ hoher Stoßfestigkeit und Wärmebeständigkeit und eignet sich damit für Bauteile, die alle drei Eigenschaften vereinen sollen. Zu den Einsatzbereichen zählen Funktionsteile, Vorrichtungen und Befestigungen, Konzeptmodelle und Form-, Eignungs- und Funktionstests.

Ultem 9085 ist ein Thermoplast, das nicht nur stark und leicht, sondern auch dauerhaft flammhemmend ist und die Anforderungen des UL 94 V0-Tests erfüllt. Mit seiner hervorragenden mechanischen Leistung und dem optimalen Stärke-Gewicht-Verhältnis eignet sich Ultem 9085 unter anderem für Funktionsteile in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie. Andere Einsatzgebiete sind funktionale Prototypen und Produktionswerkzeuge.

3D-Druck

Filamente für Hochtemperatur- und medizinische Anwendungen

Designtipps

Die Mindestwandstärke hängt unter anderem von der Größe des Bauteils ab. Für Bauteile, die die Abmessungen von 250 x 250 x 300 mm nicht überschreiten, empfiehlt sich eine Wandstärke von wenigstens 1 mm. Sind die Bauteile größer, sollte mit einer Mindestwandstärke von 1,2 mm konstruiert werden. Es hat sich bewährt, Wandstärken ab 6 mm ihn Hohlbauweise mit Verstrebungen zu konstruieren, sodass Material gespart wird.

Nicht beim Design, aber bei der Platzierung im Bauraum sollte auf die Ausrichtung des Bauteils geachtet werden. Durch das schichtweise Aufbringen des Materials können sogenannte Treppeneffekte entstehen. Oberflächen, die besonders eben sein sollen, sollten daher horizontal oder vertikal gedruckt werden.

VDI-Richtlinie

Gestaltungsempfehlungen für die Materialextrusion (FDM/FLM)

Wie bei vielen anderen additiven Fertigungsverfahren sind auch beim FDM – abhängig von der Geometrie des Bauteils und seiner Ausrichtung im Bauraum – Stützstrukturen (Supports) notwendig. Während der Fertigung halten sie das Teil und seine Komponenten an ihrem Platz und verhindern, dass sich Teile aufgrund ihres Eigengewichts verformen. In jedem Fall eingeplant werden sollten diese Supports bei allen innen- und außenliegenden Wänden des Objekts, deren Winkel zueinander weniger als 45° betragen und bei denen das Eigengewicht des oben liegenden Bauteilabschnitts dieses nach unten drückt. Ein Winkel unter 45°, der nach oben "offen" ist und über dem auch kein weiterer Bauabschnitt liegt, benötigt dagegen keine Supports.

Bei FDM ist weiterhin die verfahrensbedingte Anisotropie zu beachten. Der schichtweise Aufbau während des Drucks führt dazu, dass im Bauraum in der Ebene gedruckte Abschnitte des Bauteils stabiler miteinander verbunden sind als vertikal übereinander gedruckte Abschnitte. Dies sollte bei der Konstruktion oder der Ausrichtung des Bauteils im Bauraum ebenfalls Beachtung finden.

Mit den ABS-Werkstoffen lassen sich ineinandergreifende und bewegliche Bauteile wie Scharniere oder Kugellager drucken, da das dafür verwendete Supportmaterial wasserlöslich ist. Zwischen den beweglichen beziehungsweise ineinandergreifenden Elementen der Bauteile muss ein Mindestabstand von 0,4 mm liegen um ausreichend Spiel zu gewährleisten. Bei Polycarbonat und Ultem lässt sich das Supportmaterial nicht mit Wasser lösen, sodass damit keine ineinandergreifenden, beweglichen Bauteile realisierbar sind.

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* Nils Torke, Marketing, Materialise GmbH

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