Fused Deposition Modeling

Fused Deposition Modeling (FDM) ist ein Fertigungsverfahren aus dem Bereich der additiven Fertigung, mit dem ein Werkstück schichtweise aus einem schmelzfähigen Werkstoff, i. d. R. einem thermoplastischen Kunststoff aufgebaut wird. Alternativ kann inzwischen Filament aus Metallpulver mit Bindemitteln aus Polymeren verwendet werden, wobei durch Ausschmelzen des Bindemittels und anschließendes Sintern ein Metallteil entsteht.

Der Ausdruck „Fused Deposition Modeling“ und seine Abkürzung FDM sind geschützte Marken der Firma Stratasys. Eine alternative Bezeichnung dieses Verfahrens lautet „Fused Filament Fabrication“ (FFF) und wurde von Mitgliedern des RepRap-Projektes geprägt, um einen markenrechtsfreien Wortgebrauch zu ermöglichen. Der VDI hat das Verfahren im August 2019 mit VDI 3405^[1] (in abweichender Schreibweise von Modeling mit Doppel-L) als „Fused Layer Modelling“ (FLM) festgelegt.

Dieses Verfahren wurde durch S. Scott Crump (dem Gründer von Stratasys) in den späten 1980er Jahren entwickelt und ab den 1990er Jahren kommerziell angewendet.

Das Verfahren ist vergleichbar mit einer CNC-gesteuerten Heißklebepistole. Hierbei wird durch einen Extruder ein drahtförmiger Werkstoff (Filament) durch eine beheizte Düse (Nozzle)^[2] geführt, aufgeschmolzen und auf eine Bauplattform bzw. eine bereits zuvor gedruckte Schicht aufgebracht und erstarrt dort wieder. Der Drucker trägt den Werkstoff in der Regel schichtweise (planar) auf und erzeugt ein für den FDM-Druck typisches, dreidimensionales Objekt mit einer Linienstruktur entsprechend der gewählten Schichtstärke.^[3]

Damit zuverlässig stabile Objekte aufgebaut werden können – und die Teile nicht während des Druckens verrutschen können – muss die erste vom Druckkopf aufgetragene Schicht eine gute Verbindung zur Bauplattform haben. Um die Haftwirkung zu erhöhen wird deshalb die Bauplattform beheizt, dabei kommt einer gleichmäßigen Temperaturverteilung auch deshalb eine wichtige Rolle zu, damit sich keine Spannungen im Druckmaterial bilden und sich das Objekt nicht verzieht (warping).

Die Schichtstärke sowie Breite der Extrusion hängen hauptsächlich vom Durchmesser der Düse ab. Die Schichtstärke beträgt im Mittel etwa 50 % des Düsendurchmessers, die Breite liegt etwa 20 % über dem Düsendurchmesser.^[4] Die meisten 3D-Drucker sind mit einer 0,4-mm-Düse ausgestattet, damit ergibt sich eine Schichthöhe von 0,2 mm bei einer Breite von 0,48 mm.^[4][5] Um Wandstärken zu erreichen, die über der maximalen Breite der Extrusion liegen, müssen mehrere Extrusionen nebeneinander gesetzt werden (wall loops).

Es können Vollkörper und Hohlkörper gefertigt werden, in der Praxis wird bei Vollkörpern jedoch im inneren eine Stütz-Struktur (Sparse Infill) mit einer reduzierten Dichte (zum Beispiel 10 bis 25 %) erstellt. Dies sorgt für eine Materialersparnis und auch für eine Verkürzung der Druckzeit. Auskragende Bauteile müssen durch eine entsprechende, durch den 3D-Drucker erstellte, äußere Stützstruktur (Support) gestützt werden. Diese kann nach dem Druck entfernt werden. Das Stützmaterial kann dabei entweder durch denselben Werkstoff wie das Modell hergestellt werden oder aus einem weiteren, zum Beispiel wasserlöslichen oder kostengünstigeren Werkstoff hergestellt werden. Für die Verarbeitung mehrerer Werkstoffe sind entweder mehrere Extruder notwendig oder das Filament muss während des Drucks (manuell oder automatisch) gewechselt werden, was die Druckdauer in der Regel signifikant erhöht.

Moderne 3D-Drucker mit entsprechender Geometrie bzw. Abstand um den Extruder können auch mit non-planarem G-Code angesteuert werden. Dies maskiert die für den FDM-Druck typischen Schichtlinien bzw. erlaubt es in bestimmten Fällen auf Stützstrukturen zu verzichten.^[6]

Für das FDM-Verfahren können Formwachse und Thermoplaste wie PLA, ABS, ASA, PA, PC, PP, PETG und thermoplastische Elastomere wie TPU (in diesem Kontext auch Flex genannt^[7][8][9]) eingesetzt werden.^[10] Mit einem Marktanteil von 39 % war PLA im Jahr 2020 der wichtigste Werkstoff, gefolgt von ABS mit einem Marktanteil von 28 %.^[11]

In einer anderen Variante werden die Filamente mit Metallpulvern hochgefüllt und das gedruckte Bauteil anschließend entbindert und gesintert, um eine rein metallische Struktur zu erhalten.^[12] Der Verfahrensablauf weist Analogien zum Metallpulverspritzguss auf; der beim Sintern des Metallpulvers auftretende Volumenschrumpf muss ebenfalls bei der Konstruktion des FDM-Bauteils berücksichtigt werden. Neben rein metallischen Bauteilen können auf diese Weise auch Metallmatrix-Verbundwerkstoffe erzeugt werden.^[13]

Praktisch alle FDM-3D-Drucker verarbeiten G-Code, ein zur Steuerung von CNC-Anlagen übliches Klartextformat, das mithilfe von Slicern aus üblichen 3D-CAD-Datenformaten, wie STL- oder OBJ-Daten, eines Werkstückes oder Modells erzeugt werden kann.

Abwandlungen des FDM-Verfahrens zur Verarbeitung keramischer Werkstoffe und entsprechender Verbundwerkstoffe stehen unter CERN Open Hardware License (OHL) open-source zur Verfügung.^[14]

Eine weitere Variante ist Prozessieren des FDM-Verfahrens unter dem Ausschluss von Luftsauerstoff, also unter einer Schutzgasatmosphäre (z. B. Stickstoff oder Argon). Dies ist bei selektivem Lasersintern (SLS) aufgrund der auftretenden hohen Temperaturen üblich. Bei dem Betrieb des FDM-3D-Druckers unter Schutzgas kann eine verbesserte Schichthaftung der gedruckten Kunststoffschichten aneinander erzielt werden.^[15]

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  Stratasys FDM MedModeler – Am Anfang
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  Der Kunststoff wird aufgetragen.
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  Das Modell ist zu etwa 1/4 fertig.
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  Nachdem die in schwarzem Kunststoff gedruckten Stützstrukturen entfernt wurden, verbleibt ein dreidimensionales Modell einer Wirbelsäule.

1. ↑ VDI-Richtlinienreihe „Additive Manufacturing“ um Materialextrusion ergänzt
2. ↑ 3D Drucker Nozzle Guide - Alles, was du über 3D Druckerdüsen wissen solltest
3. ↑ Schmelzschichtverfahren FDM
4. ↑ ^{a b} Basic parameters of lamination.
5. ↑ Nozzle Diameter and Layer Height Explained
6. ↑ Non-Planar 3D Printing: All You Need to Know
7. ↑ Azzura Lalani: The Little Printer That Could?, All3DP vom 3. März 2020, abgerufen am 9. Oktober 2020
8. ↑ Materialrichtlinien, Prusa Research AG, Prag, abgerufen am 9. Oktober 2020
9. ↑ Was ist der Unterschied zwischen TPE und TPU im 3D-Druck? - 3D-Druck mit TPE, beamler.com vom 11. Mai 2020, abgerufen am 9. Oktober 2020
10. ↑ Jana Brehmer & Sebastian Becker: „3D-Druck“. Abgerufen am 30. November 2020. 
11. ↑ The International Journal of Advanced Manufacturing Technology
12. ↑ Metallischer 3D-Druck mittels Fused Filament Fabrication (FFF) - Fraunhofer IFAM. Archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar); abgerufen am 5. Oktober 2020. 
13. ↑ S.B. Hein, L. Reineke, V. Reinkemeyer: Fused Filament Fabrication of Biodegradable Materials for Implants, Proceeding of Euro PM 2019 Congress & Exhibition, Maastricht 13.–16. Oktober 2019, European Powder Metallurgy Association EPMA, Shrewsbury, 2019, ISBN 978-1-899072-51-4.
14. ↑ Rotoforge Readme. In: GitHub. Sindry-Manufacturing, 13. Oktober 2023, abgerufen am 13. Dezember 2023. 
15. ↑ Felix Lederle, Frederick Meyer, Gabriella-Paula Brunotte, Christian Kaldun, Eike G. Hübner: Improved mechanical properties of 3D-printed parts by fused deposition modeling processed under the exclusion of oxygen. In: Progress in Additive Manufacturing. 2016, ISSN 2363-9512, S. 1–5, doi:10.1007/s40964-016-0010-y (springer.com).