Fachmagazin über 3D Druck

Fused-Deposition-Modelling (FDM)

Im Jahr 1991 entwickelte die Firma Stratasys um dessen Gründer Scott Crump das Verfahrensprinzip des Fused-Deposition-Modelling, kurz FDM. Wie beim selektivem Sintern verfügt auch das FDM über zahlreiche Verfahrensbezeichnunge (je nach Anbieter) – z.B. 3D-Plotter, Model Maker, Multi Jet Modeling (MJM), Thermo-Jet, Fused Layer Modeling (FLM) oder Extruder-/Extrusionsverfahren.
Aufgrund seiner Funktionsweise und des einfachen Aufbaus der 3D-Drucker dieses Verfahrens findet es in unzähligen Varianten auf der ganzen Welt Anwendung. Gerade durch das Open Source Projekt „RepRap“ trug maßgeblich zu dieser Entwicklung bei.

Verfahrensprinzip des Fused-Deposition-Modelling

Sehr vereinfacht ausgedrückt lässt sich das FDM mit der Funktionsweise einer Heißklebepistole veranschaulichen. In beiden Fällen wir mittels Hitze thermoplastisches Material (bei der Heißklebepistole Hotmeld-Klebstoff – beim FDM Kunstsoff) aufgeschmolzen und durch eine Düse oder Extruder punktuell bzw. schichtweise extrudiert /aufgetragen. Das Thermoplast wird sowohl beim FDM als auch bei der Heißklebepistole nicht vollständig verflüssigt sondern nur so weit erhitzt bis es eine weiche, pastöse Konsistenz erreicht hat.
Der Auftrag des thermoplastischen Werkstoffs beim FDM (häufig ABS- oder PLA-Kunststoff) erfolgt dabei durch punktuelles Ausstoßen der Materialschmelze aus einem Extruder heraus auf die Bauplattform. Sobald eine Schicht komplett aufgetragen wurde (die Höhe der Materialschicht richtet sich nach dem Durchmesser der Extruderdüse), fährt der Extruder um genau die Höhe einer Einzelschicht nach oben und beginnt mit dem Druck der nächsten – solange bis ein vollständiges 3D-Modell gedruckt ist. Das Druckmaterial wird in den meisten Fällen auf eine Spule gewickelte und so dem 3D-Drucker und dem Extruder zugeführt. Materialsticks oder Granulat sind aber ebenfalls gebräuchlich. Damit sich die einzelnen Schichten beim Druckprozess auch gut miteinander verbinden, wird der Abstand zwischen der bereits gedruckten Schicht und dem Extruder so gewählt, dass die neue Schicht mehr oder weniger auf die Bauteiloberfläche gedrückt bzw. gequetscht wird. Dadurch ist das FDM das bislang einzige hier erwähnte Druckverfahren, welches nicht berührungslos arbeitet.
Die Firma 3D Systems hat jedoch mit ihrer Version bzw. Abwandlung des FDM, dem sog. Multi-Jet-Modeling (MJM), eine berührungslose Alternative entwickelt. Mittels auf Injekt-Technik basierten Druckdüsen wird das Baumaterial nicht in einem Strang sondern Tröpfchenweise punktuell ausgestoßen. Das Verfahren des MJM erinnert dabei sehr stark an die PolyJet-Technologie der Firma Objet bzw. Stratasys. Mittels MJM werden daher auch Photopolymere (Stereolithographie) verarbeitet und durch eine nachgeschatete UV-Lampe umgehend verfestigt. Multi-Jet-Modeling ist daher mehr als Konkurrenz-Verfaren zum PolyJet-Prinzip anzusehen, als als berührungslose FDM-Methode.
Ganz gleich ob berührungslos oder nicht, beide Varianten benötigen Stützkonstruktionen um überstehende Modellabschnitte realisieren zu können. Die Stützen können dabei sowohl aus dem Baumaterial als auch aus einem anderen Werkstoff bestehen. Hierzu  benötigt das FDM jedoch für jedes Material einen eigenständigen Extruder.
Inzwischen gibt es bereits erste Versuche mittels mischen verschiedenfarbiger Materialstränge im Extruder eine vollfarbiges 3D-Modell mit dem FDM zu erzeugen.

Die Stärken und Schwächen des FDM

Die nachfolgende Tabelle soll die Stärken und Schwächen des FDM gegenüberstellen und veranschaulichen.

Stärken Schwächen
mehrfarbige Objekte* Stützkonstruktionen notwendig
große Materialvielfalt Materialfäden
kleine, günstige 3D-Drucker Geruchsbelästigung
Open Source-Projekte + Community Geringe Feinheit**
Erkennbarer „Treppenstufeneffekt“

*   Bei Verwendung mehrere Extruder.
** Bei 3D-Druckern im „Hausgebrauch“

 

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