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Was versteht man unter dem 3D-Druck mit FDM-Verfahren (Fused Deposition Modeling)?

Möchten Sie mehr über die Grundlagen des FDM-3D-Drucks erfahren? In diesem Artikel erklären wir, warum diese Technologie eine effiziente und kostengünstige Wahl für das Rapid Prototyping und andere Anwendungen ist.

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Der 3D-Druck mittels Fused Deposition Modeling (FDM), auch bekannt als Fused Filament Fabrication (FFF), ist ein Verfahren der additiven Fertigung (AM) im Bereich der Materialextrusion. Beim FDM-Verfahren werden Teile Schicht für Schicht aufgebaut, indem geschmolzenes Material selektiv in einem vorbestimmten Pfad aufgetragen wird, wobei thermoplastische Polymere in Form von Filamenten verwendet werden. 

FDM ist die am weitesten verbreitete Technologie und wahrscheinlich das erste Verfahren, an das Sie denken, wenn von 3D-Druck die Rede ist, da es weltweit die größte Anzahl von Desktop- und Industrie-3D-Druckern umfasst.

3D printing technology tree, highlighting FDM.

In diesem Artikel befassen wir uns mit den Grundprinzipien und Hauptmerkmalen dieser beliebten additiven Fertigungstechnologie. Außerdem gehen wir auf die Unterschiede zwischen FDM-Maschinen für Desktop- und Industrieanwendungen ein und bieten Tipps und Tricks für Ingenieure an, um die besten Ergebnisse mit dem FDM-3D-Druck zu erzielen.

Erst ansehen, dann lesen: Prototyping wie ein Profi mit FDM-3D-Druck

In diesem Video wird erklärt, wie man den FDM-3D-Druck für das Rapid Prototyping einsetzen kann.

Wie funktioniert der FDM-3D-Druck?

Bei einem FDM-3D-Drucker wird geschmolzenes Filamentmaterial Schicht für Schicht auf eine Bauplattform aufgetragen, bis ein fertiges Teil entsteht. FDM verwendet digitale Designdateien, die auf das Gerät selbst hochgeladen werden, und setzt sie in physische Dimensionen um. Zu den Materialien für FDM gehören Polymere wie ABS, PLA, PETG und PEI, die die Maschine als Fäden durch eine beheizte Düse führt. 

Um eine FDM-Maschine zu bedienen, wird zunächst eine Spule mit diesem thermoplastischen Filament in den Drucker eingelegt. Sobald die Düse die gewünschte Temperatur erreicht hat, führt der Drucker das Filament durch einen Extrusionskopf und eine Düse. 

Dieser Extrusionskopf ist an einem Drei-Achsen-System befestigt, mit dem er sich über die X-, Y- und Z-Achse bewegen kann. Der Drucker extrudiert das geschmolzene Material in dünnen Strängen und trägt sie Schicht für Schicht entlang eines durch das Design vorgegebenen Pfades auf. Nach dem Auftragen des Materials kühlt es ab und verfestigt sich. In einigen Fällen können Sie Lüfter am Extrusionskopf anbringen, um die Abkühlung zu beschleunigen. 

Um einen Bereich zu füllen, sind mehrere Durchgänge erforderlich, ähnlich wie beim Ausmalen einer Schablone mit einem Stift. Wenn der Drucker eine Schicht fertiggestellt hat, senkt sich die Bauplattform und das Gerät beginnt mit der nächsten Schicht. Bei einigen Maschinenkonfigurationen fährt der Extrusionskopf nach oben. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis das Teil fertig ist.

Schematic of a FDM printer
Schematic of a typical FDM printer

Wie lauten die Druckparameter für FDM-3D-Drucker?

Bei den meisten FDM-Systemen können mehrere Prozessparameter eingestellt werden. Dazu gehören die Temperatur von Düse und Bauplattform, die Baugeschwindigkeit, die Schichthöhe und die Geschwindigkeit des Kühlgebläses. Als Designer müssen Sie sich normalerweise um diese Einstellungen keine Sorgen machen, da sich ein AM-Anwender wahrscheinlich bereits darum gekümmert hat. 

Wichtige Faktoren, die Sie jedoch berücksichtigen sollten, sind die Baugröße und die Schichthöhe. Die übliche Baugröße eines Desktop-3D-Druckers beträgt 200 × 200 × 200 mm, während Industriemaschinen Größen von 1.000 × 1.000 × 1.000 mm erreichen können. Wenn Sie es vorziehen, Ihr Teil mit einem Desktop-Gerät zu drucken, können Sie ein großes Modell in kleinere Teile zerlegen und diese dann wieder zusammensetzen. 

Die typische Schichthöhe beim FDM-Verfahren liegt zwischen 50 und 400 Mikrometern. Durch das Drucken kürzerer Schichten werden glattere Teile hergestellt und gekrümmte Geometrien genauer erfasst. Das Drucken höherer Schichten bedeutet jedoch, dass Sie Teile schnell und kostengünstiger herstellen können. 

Design-Tipp: Als Kompromiss empfehlen wir das Drucken von Schichten mit einer Stärke von 200 Mikrometern. Möchten Sie mehr erfahren? Lesen Sie unseren Artikel über die Auswirkungen der Schichthöhe auf 3D-Druckteile.

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Gibt es einen Unterschied zwischen Desktop- und industriellen FDM-Druckern?

FDM-Drucker werden im Allgemeinen in zwei Hauptkategorien unterteilt: industrielle (bzw. professionelle) Geräte und Desktop-Geräte (auch Prototyping-Geräte genannt). Beide Druckertypen haben unterschiedliche Anwendungen und Vorteile, doch der Hauptunterschied zwischen den beiden Technologien liegt im Produktionsumfang.

Industrielle FDM-3D-Drucker, wie z. B. der 3D-Drucker von Stratasys, sind weitaus teurer als Desktop-Geräte (letztere sind meist für den Hausgebrauch vorgesehen), sodass die Verwendung dieser Drucker für Ihre individuellen Teile mit höheren Kosten verbunden ist. Da Industriemaschinen effizienter und leistungsfähiger sind als Desktop-FDM-Drucker, werden sie häufiger für die Herstellung von Werkzeugen, funktionellen Prototypen und Endverbrauchsteilen verwendet.

Außerdem können industrielle FDM-Drucker größere Aufträge viel schneller abwickeln als Desktop-Maschinen. Sie sind auf Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit ausgelegt und können das gleiche Teil immer wieder mit minimalem menschlichem Eingriff herstellen. Desktop-FDM-Drucker sind nicht annähernd so robust. Bei Desktop-Geräten sind häufige Wartung durch den Benutzer und regelmäßige Kalibrierung erforderlich.

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In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten Unterschiede zwischen einer typischen Desktop-FDM-Maschine und einer industriellen Maschine aufgeführt.

Property Industrial FDM Desktop FDM
Standard accuracy ± 0.15% (lower limit ± 0.2 mm) ± 1% (lower limit: ± 1.0 mm)
Typical layer thickness 0.18 - 0.5 mm 0.10 - 0.25 mm
Minimum wall thickness 1 mm 0.8 - 1 mm
Maximum build envelope Large (e.g. 900 x 600 x 900 mm) Medium (e.g. 200 x 200 x 200 mm)
Common materials ABS, PC, ULTEM PLA, ABS, PETG
Support material Water-soluble/Break-away Same as part (typically)
Production capabilities (per machine) Low/Medium Low
Machine cost $50000+ $500 - $5000

Wodurch zeichnet sich der FDM-3D-Druck aus?

FDM-3D-Drucker unterscheiden sich zwar in Bezug auf ihre Extrusionssysteme und die Qualität der Teile, die mit den verschiedenen Maschinen gefertigt werden können, aber es gibt einige gemeinsame Merkmale, die Sie bei jedem FDM-Druckverfahren erwarten können. 

Verzug

Verzug ist einer der häufigsten Fehler beim FDM-Verfahren. Wenn das extrudierte Material während der Verfestigung abkühlt, verringern sich seine Abmessungen. Da verschiedene Abschnitte des gedruckten Teils unterschiedlich schnell abkühlen, ändern sich die Maße auch unterschiedlich schnell. Die unterschiedliche Abkühlung führt zum Aufbau innerer Spannungen, die die darunter liegende Schicht nach oben ziehen, wodurch es zu Verzug kommen kann.

Es gibt mehrere Möglichkeiten zum Verhindern von Verzug. Eine Methode ist die genaue Überwachung der Temperatur Ihres FDM-Systems, insbesondere der Bauplattform und der Kammer. Sie können auch die Adhäsion zwischen dem Teil und der Bauplattform erhöhen, um Verzug zu verringern. 

Bestimmte Entscheidungen während des Designprozesses können ebenfalls die Wahrscheinlichkeit verringern, dass sich Ihr Teil verzieht. Hier sind ein paar Beispiele:

  • Große, flache Bereiche – wie bei einem rechteckigen Kasten – sind anfälliger für Verformungen. Versuchen Sie, diese nach Möglichkeit zu vermeiden. 

  • Dünne, hervorstehende Teile – beispielsweise die Zinken einer Gabel – sind ebenfalls anfällig für Verformungen. Um dies zu vermeiden, sollten Sie an den Kanten dünner Elemente zusätzliches Führungs- oder Entlastungsmaterial anbringen, um die Fläche zu vergrößern, die mit der Bauplattform in Kontakt kommt. 

  • Scharfe Kanten verziehen sich häufiger als abgerundete Formen. Daher empfehlen wir, das Design mit Ausrundungen zu versehen. 

  • Jedes Material hat seine eigene Anfälligkeit für Verzug. So ist ABS im Allgemeinen anfälliger für Verformungen als beispielsweise PLA oder PETG.









Frequently asked questions

What are the advantages of FDM 3D printing?

FDM is more cost-effective than any additive manufacturing technology and makes use of an extensive variety of thermoplastic materials. Manufacturing with FDM means shorter lead times, as well.

What are the disadvantages of FDM 3D printing?

While FDM is very cost-efficient, it also has the lowest resolution compared to other 3D printing technologies. This makes it a less viable option for parts with very small details.

Does FDM require post-processing?

Parts printed using FDM are likely to have visible layer lines, so post-processing is required to give parts a smooth finish.   

How accurate is FDM?

In general, part accuracy depends on how you’ve calibrated your FDM printer and the complexity of your model. Industrial FDM printers produce parts more accurately than desktop machines, but home 3D printer technology is quickly catching up.

How expensive is FDM?

FDM is the most cost-effective way to produce custom thermoplastic parts and prototypes on the market today. Desktop FDM is the absolute most cost-efficient option, but produces lower quality parts than its industrial counterpart.

What materials are available for FDM?

A wide range of materials is available for FDM, including PLA, ABS, TPU, PETG and PEI.

How fast is FDM?

Producing custom parts with FDM is relatively quick, with lead times tending to be short (typically only a few days). 

What is FDM mainly used for?

FDM technology tends to be most suitable for prototyping, modeling and low-volume manufacturing applications. Industrial-scale FDM can be used for functional prototypes and end-use parts, among other applications.

Why is FDM currently the most popular 3D printing technology?

FDM printers produce high-quality parts from durable materials, able to retain sound mechanical properties. Both types of FDM machines offer high dimensional accuracy, and even at the industrial level, FDM tends to be more cost-efficient than other AM processes.

 

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