FDM-3D-Druck-Funktionsbild
Das Schmelzschichtverfahren (Fused Deposition Modeling, FDM) ist ein additives Fertigungsverfahren, das dreidimensionale Modelle auf Basis von CAD-Konstruktionen erzeugt. Die Materialfilamente werden durch eine beheizte Düse geführt, die das extrudierte Filament schmilzt und Schicht für Schicht auf der Bauplattform des Druckers abträgt.
FDM ist die am weitesten verbreitete 3D-Druckmethode, nicht nur für Hobbyisten und die Entwicklung von Konzeptprototypen, sondern sie hat sich auch als bedeutendes Fertigungsverfahren für die Prüfung von Prototypen, Werkzeugen, Lehrmodellen, Schmuck und anderen Anwendungen etabliert.
Dieser Artikel behandelt die Grundlagen des FDM-3D-Drucks, sein Funktionsprinzip, kompatible Materialien und industrielle Anwendungen.
Lass uns loslegen!
Wichtige Erkenntnisse
- Beim FDM-3D-Druck wird thermoplastisches Filament geschmolzen und durch eine beheizte Düse extrudiert. Die nacheinander aufgetragenen Schichten verbinden sich miteinander und bilden so das fertige Bauteil.
- Desktop-3D-Drucker eignen sich gut für Prototypen im Frühstadium und schnelle Designiterationen, während industrielle FDM-Drucker besser für größere Teile, funktionale Prototypen, Werkzeuge und Kleinserien geeignet sind.
- Schichthöhe, Düsen-/Betttemperatur, Druckgeschwindigkeit, Kühlung, Rasterwinkel, Material und Bauorientierung sind entscheidende Faktoren, die beim FDM-3D-Druckverfahren berücksichtigt werden müssen.
- Wählen Sie FDM für schnelle Prototypen, Funktionsmodelle, Werkzeuge, Vorrichtungen, Gehäuse, Halterungen und kundenspezifische Bauteile in kleinen Stückzahlen.
- SLA und SLS sind zwei Alternativen zu FDM. SLA eignet sich besser für kleine Strukturen, dünne Wände, hohe Detailgenauigkeit und Anwendungen, die eine glattere Oberfläche erfordern, während SLS für komplexe, nicht stützende Funktionsteile verwendet wird.
Grundlagen des FDM-3D-Drucks
Grundlagen des FDM-3D-Drucks
Beim FDM-3D-Druck werden die entworfenen Modelle von mechanischen Teilen und Produkten Schicht für Schicht nach einem vorgegebenen Slicing-Muster auf dem 3D-Drucker gedruckt. So lassen sich komplexe und filigrane Geometrien wie geschwungene Kurven, Strömungskanäle, tiefe Ecken, wellenförmige Gitterstrukturen, ineinandergreifende Verbindungen und Hinterschneidungen realisieren. Die Hauptbegrenzung ist die Düsengröße, typischerweise 0.4 mm oder größer. Das gewünschte Merkmal muss also größer als der Düsendurchmesser sein.
Mit dem FDM-Verfahren lassen sich verschiedene Thermoplaste verarbeiten, darunter PLA, ABS, PA, TPU, PEEK und PEI. Je nach Materialart müssen Vorschubgeschwindigkeit, Düse, Schichthöhe, Kühlintensität und weitere Parameter angepasst werden. Die Druckgröße hängt von den Leistungsmerkmalen des 3D-Druckers ab. Im Gegensatz zu Desktop-Druckern bietet ein industrieller FDM-Drucker ein Bauvolumen von 1 x 1 x 1 m.
Wie funktioniert der FDM-Druck? Mechanismus & Schritte.
Funktionsweise des FDM-3D-Druckers
FDM, auch Fused Filament Fabrication (FFF) genannt, ist ein additives Fertigungsverfahren, das auf Materialextrusion basiert. Dabei schmilzt ein Heizelement den kontinuierlichen thermoplastischen Faden, und eine Düse trägt das Material schichtweise auf. Die endgültige Form entsteht durch die Bildung von Zwischenschichthaftungen.
Lassen Sie uns den FDM-3D-Druckprozess genauer betrachten.
CAD-Modellvorbereitung und -Slicing
Der erste Schritt im FDM-Verfahren ist die Erstellung eines 3D-Konstruktionsmodells (.STL- oder .3MF-Datei) des gewünschten Bauteils/Produkts in einer Konstruktionssoftware wie SolidWorks, CATIA oder AutoCAD.
Der nächste Arbeitsschritt ist das Slicing des Designs, bei dem das Modell in Tausende von dünnen horizontalen Scheiben (Schichten) zerlegt wird, um präzise G-Codes für die Düsenbewegung, die Temperaturregelung und die Extrusionsrate zu erhalten.
Einstellen der Druckparameter für den FDM-3D-Drucker
Sie müssen verschiedene FDM-3D-Druckparameter einstellen, darunter Düsentemperatur, Betttemperatur, Schichthöhe, Ablagerungsgeschwindigkeit (Druckgeschwindigkeit), Lüfterdrehzahl und Bauausrichtung, wie nachfolgend zusammengefasst.
| Parameter | Typischer Bereich | Einflussfaktoren |
| Schicht höhe | 0.05 zu 0.5 mm | Die Schichthöhe hat einen erheblichen Einfluss auf die Maßgenauigkeit. |
| Düsentemperatur | PLA ~190–220 °C, ABS ~220–260 °C | Hängt vom Material, Rasterwinkel, Bauteiltyp und anderen Faktoren ab. |
| Betttemperatur | Wird als Kontrollfaktor verwendet | Hängt vom Material, der Dicke und dem Prozessverhalten ab. |
| Rasterwinkel | 0 ° –90 ° | Es definiert die Richtung der Schichtablagerung (Düsenbewegung) in Bezug auf die X-Achse des Druckbetts. |
Filamentzufuhr
Der Walzenantriebsmechanismus führt das Filament kontinuierlich in das Verflüssigungsheizsystem (Extrusionskopf, der mit der Düse verbunden ist) zu. Gleichzeitig wird die Düse auf eine bestimmte Temperatur erhitzt.
Das Filament wird in den Verflüssiger gegeben.
Mithilfe eines Verflüssigungsmechanismus werden die festen Filamente durch eine elektrische Kartusche in eine viskose, halbfeste oder flüssige Form geschmolzen.
Schichtabscheidung durch Düse
FDM-3D-Druck
Das Extruderzahnrad schiebt kontinuierlich festes Filament vor, während der durch das Filament erzeugte Extrusionsdruck das geschmolzene Filament durch die Düse presst und die Schicht auf das Druckbett aufträgt. Die Düse ist fest mit dem Druckkopf verbunden, der sich entlang der X-, Y- und Z-Achse (gemäß den G-Codes) bewegt und die Schicht präzise aufträgt.
Jede Schicht ist durch Hitze und Druck molekular miteinander verbunden. Jede molekulare Interdiffusion bildet die lasttragende Bindung.
Verfestigung und Teileentnahme
Sobald das gedruckte Objekt auf Raumtemperatur abgekühlt ist, wird es von der Bauplattform entfernt. Je nach Druckgröße kann dies manuell oder robotergestützt erfolgen. In diesem Schritt werden auch die Stützstrukturen entfernt. Anschließend müssen die gedruckten Teile noch beschnitten und nachbearbeitet werden.
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FDM 3D-Druckmaterialien
FDM 3D-Druckmaterialien
Polymilchsäure (PLA), Polyethylenterephthalatglykol (PETG) und Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) sind die gängigsten Materialien für den FDM-3D-Druck. Daher werden auch PEI, PEEK, PC und andere Thermoplaste verwendet. Sie können Filamente dieser Materialien in der gewünschten Farbe und Größe auswählen.
Die Materialauswahl hängt maßgeblich von der beabsichtigten Anwendung und den funktionalen Anforderungen, den Betriebsbedingungen, der gewünschten Oberflächenbeschaffenheit und der Kompatibilität mit dem 3D-Drucker ab. PLA bietet Festigkeit und Steifigkeit und eignet sich für visuelle Prototypen. ABS ist gut geeignet für Außenteile, Autoteile, Gehäuse und Funktionsprototypen. Daher ist PETG eine gute Alternative zu ABS-Kunststoff für Desktop-Drucker.
| Material | Ihre Vorteile: | Einschränkungen |
| Polymilchsäure (PLA) | Geringer Verzug, einfach zu drucken, relativ erschwinglich und mit detaillierter Oberflächenstruktur. | Geringere thermische Stabilität und Schlagzähigkeit. |
| Polyethylenterephthalatglykol (PETG) | Robuster, flexibler und feuchtigkeitsbeständiger Kunststoff. | Geringere thermische Stabilität als Polycarbonat, ABS und einige andere Thermoplaste. |
| Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) | Es sind biokompatible Sorten (z. B. ABS-M30i) erhältlich, die robuster als PLA sind und eine gute Wärmebeständigkeit aufweisen. | Beim Drucken entstehen starke Dämpfe, und es besteht die Gefahr von Verformungen. |
| Polyetherimid (PEI / ULTEM) | Ausgezeichnete Wärmebeständigkeit, hohe Festigkeit und chemische Beständigkeit | Höhere Glasübergangstemperatur und teure Rohstoffe |
| Polyetheretherketon (PEEK) | Biokompatible Güteklassen und hohe mechanische Festigkeit. | Hohe Verarbeitungstemperatur |
| Polycarbonat (PC) | Schlagfestigkeit, Dimensionsstabilität, optische Klarheit und elektrische Isolation. | Hygroskopisch, anfällig für Verformung und hohe Düsentemperatur |
| Kunststoffbälle | Mechanische Festigkeit, Zähigkeit und chemische Beständigkeit. | Hygroskopisch und erfordert kontrollierte Trocknung. |
| Thermoplastisches Polyurethan (TPU) | Chemische Beständigkeit, geringe Reibung und Abriebfestigkeit. | Niedrige Druckgeschwindigkeit und strenge Kontrolle der Prozesstemperaturen sind erforderlich. |
| Verstärkte Kunststoffe | Ausgezeichnetes Steifigkeits-Gewichts-Verhältnis, geringes Verformungsrisiko im Vergleich zu ungefüllten Filamenten | Erfordert wärmebehandelte Düsen und birgt das Risiko der Bildung von Mikroporen. |
Wichtige Überlegungen zum FDM-3D-Druck
Bei der FDM-3D-Drucktechnik sind die Auswahl des 3D-Druckers, die minimale Wandstärke, die Strukturgrößen, die Nachbearbeitung, der Materialverzug und die Materialauswahl wichtige Faktoren, um Genauigkeit, Festigkeit und Bauqualität zu gewährleisten.
Desktop- vs. Industrie-3D-Drucker
Desktop-3D-Drucker bieten typischerweise eine Bauplattform von nur 0.2 x 0.2 x 0.2 m, die für Konzeptmodelle und erste Prototypen geeignet ist. Industrielle 3D-Drucker hingegen eignen sich für die Fertigung von Testprototypen, Kleinserien und funktionalen Bauteilen.
Design für Verzug optimieren
Optimieren Sie Ihr Design, um Verformungen zu minimieren, indem Sie scharfe Ecken reduzieren, eine gleichmäßige Wandstärke beibehalten und Spannungsentlastungsabschnitte einsetzen.
Material sorgfältig auswählen
Bei der Auswahl des Materials für Ihre 3D-gedruckten Teile sollten Sie die erforderliche Funktionalität, die Betriebsumgebung, die einfache Druckbarkeit und die Kosten berücksichtigen.
Minimale Wandstärke
Die minimale Wandstärke beim FDM-3D-Druck sollte das 2- bis 3-fache des Düsendurchmessers betragen.
Oberflächenveredelung berücksichtigen
Vor der Wahl des Oberflächenbearbeitungsverfahrens sollten Sie die Oberflächenrauheit und die ästhetischen Anforderungen ermitteln. Dampfpolieren, Nassschleifen und Epoxidbeschichtung sind einige gängige Optionen.
Funktionsgröße
Die Größe des geometrischen Merkmals in Ihrem Entwurf sollte größer sein als die effektive Auflösungsgrenze des Verfahrens.
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Wann sollte man einen industriellen FDM-3D-Drucker einem Desktop-3D-Drucker vorziehen?
Desktop-3D-Drucker eignen sich für Hobbyprojekte, kleine Visualisierungsmodelle und Konzeptmodelle. Industrielle FDM-3D-Drucker hingegen bieten größere Bauräume (ca. 1 x 1 x 1 m), höhere Präzision und Wiederholgenauigkeit, die Möglichkeit, komplexe Designs zu drucken, und eine breite Materialkompatibilität.
Industrielle FDM-3D-Druckmaschinen eignen sich für:
- Funktionsmodelle
- Werkzeugteile
- Schnelle Prototypen
- Kleinserienfertigung von kundenspezifischen Bauteilen
Wählen Sie Desktop-3D-Drucker für:
Wenn Sie sich in der frühen Phase der Prototypenentwicklung befinden und bestimmte Funktionen validieren möchten, ermöglicht ein Desktop-Drucker schnelle Iterationszyklen.
Welche Oberflächenveredelungsoptionen gibt es für FDM-3D-gedruckte Prototypen?
Da FDM-3D-gedruckte Objekte durch das schichtweise Auftragen von Material entstehen, sind Schichtlinien und Oberflächenrauheit sichtbar. Um dieses Problem zu beheben, stehen verschiedene Nachbearbeitungstechniken zur Verfügung, wie beispielsweise Sandstrahlen, Dampfpolieren, Lackieren und Beschichten.
- Dampfpolieren: Ein Dampfstrom schmilzt das Oberflächenmaterial und bildet eine dünne, gleichmäßige und glänzende Schicht.
- Sandstrahlen: Sandkörner werden auf 3D-gedruckte Teile gestrahlt, wodurch Oberflächenunebenheiten beseitigt und eine gleichmäßige Oberfläche erzeugt wird.
- Malerei: Geeignete Klebefarben können zum UV-Schutz, für ästhetische Zwecke und für andere Anwendungen eingesetzt werden.
- Epoxid-Beschichtung: Es bietet eine glatte, langlebige und robuste Oberfläche für 3D-gedruckte Prototypen.
Welche Anwendungsgebiete hat FDM? 3D Druck?
Prototyping mit FDM
FDM-3D-gedruckte Teile und Prototypen finden in Branchen wie der Automobilindustrie, der Medizintechnik, der Unterhaltungselektronik, dem Werkzeugbau und der Robotik Anwendung. FDM ist eine effiziente und kostengünstige Lösung für Unternehmen und Produktentwickler, die schnell Prototypen für Passform-, Funktions- und Montageprüfungen erstellen möchten. Es eignet sich auch für Konzeptnachweise und visuelle Modelle.
Schauen wir uns Beispiele für FDM-3D-Druckanwendungen in verschiedenen Branchen an.
- Automobil: Prototypen für Luftkanäle, Innenausstattung, Instrumententafel und Montagevorrichtungen.
- Werkzeug: Testen von Prototypen für Montagevorrichtungen, Werkstückspannvorrichtungen, Verbundformen und weiche Spannbacken.
- Medizinisch: Prothesenprototypen, anatomische Modelle und Gerätegehäuse.
- Unterhaltungselektronik: Kundenspezifische Gehäuse, Montagevorrichtungen und Montagehalterungen.
- Robotik: Vorrichtungen, Spannmittel, End-of-Arm-Werkzeuge (EOAT) und Sensorhalterungen.
Was sind die Vorteile des FDM-3D-Drucks?
- Niedrige Installationskosten für FDM-3D-Drucker.
- Präzise Maßtoleranz bis hinunter zu ±0.25 mm
- Es ermöglicht die schnelle Entwicklung von Prototypen für technische Konstruktionen.
- Minimaler Werkzeugaufwand; keine Notwendigkeit für Schneidwerkzeuge und Formen.
- Kürzere Lieferzeiten, teilweise nur 1 Tag.
- Kompatibilität mit verschiedenen technischen Kunststoffen
- Hohe Anpassungsfähigkeit.
- Herstellung komplexer, leichter und interner Merkmale
Was sind die Nachteile des FDM-3D-Drucks?
- Sichtbare Schichtlinien an der Oberfläche und häufige Nachbearbeitungsschritte sind bei Prototypen erforderlich.
- Die Festigkeit des gedruckten Teils und die erreichbare Komplexität werden vom 3D-Druckmaterial beeinflusst.
- Für den Druck komplexer Geometrien ist eine Stützstruktur erforderlich, was den Nachbearbeitungsaufwand und den Rohmaterialverbrauch erhöht.
- Die Maßtoleranzen sind nicht so hoch wie bei der CNC-Bearbeitung und dem Spritzguss.
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FDM vs. SLA vs. SLS 3D Druck: Was sind die Unterschiede?
SLA und SLS sind zwei verschiedene Arten des 3D-DrucksNeben FDM gibt es noch die Stereolithographie (SLA), bei der UV-Licht oder ein Laserstrahl zur selektiven Aushärtung der Harzschicht eingesetzt wird, während beim selektiven Lasersintern (SLS) das Polymerpulver Schicht für Schicht selektiv gesintert wird, um die gewünschte Form aufzubauen.
Lassen Sie uns diese 3D-Druckverfahren hinsichtlich kompatibler Materialien, Komplexität, Präzision, Lieferzeit und Kosten vergleichen.
| Parameter | FDM | SLA | SLS |
| Materialien | PLA, ABS, PETG, PC, Nylon, TPU, PEI, PEEK und verstärkte Polymere. | Verschiedene lichtempfindliche flüssige Duroplaste | Thermoplaste in Pulverform, einschließlich PA11, PA12, TPU und PP. |
| Komplexität | Mittlere Komplexität, erfordert eine unterstützende Struktur für interne und komplexe Funktionen. | Hervorragend geeignet für kleine Bauteile und dünnwandige Abschnitte | Ausgezeichnet. Das ungesinterte Pulver selbst stützt die Druckstruktur. |
| Kosten | Niedriger als SLA und SLS | Moderat | Hoch |
| Präzision | ±0.2 bis ±0.5 mm | ~±0.025 bis ±0.1 mm | ~±0.1 bis ±0.3 mm |
| Zeit | Schnelle Lieferzeiten | Die Druckgeschwindigkeit hängt von der Druckerarchitektur, der Teilehöhe, dem Stapellayout und dem Prozess ab. | Hoch, bei der Herstellung von Prototypen oder einer Serienfertigung |
| Wann wählen? | Setzen Sie auf kostengünstige Prototypen mit schnellen Iterationen und Kleinserien. | Wählen Sie diese Option, wenn Endbearbeitung, Detaillierung und hohe Komplexität erforderlich sind. | Für funktionale mechanische Bauteile und Prototypen, Nylonteile und ungestützte komplexe Prototypen. |
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Referenzen
[1]. „Grundlagen des Schmelzschichtverfahrens (FDM)“, ResearchGate. ResearchGate – Grundlagen des Schmelzschichtverfahrens (FDM)