3D Basics 3D-Druckverfahren erklärt: FDM, FLM und FFF

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Die Materialextrusion per FLM-Verfahren ist sowohl bei Makern als auch bei professionellen Anwendern äußerst beliebt. Wie erklären, wie das Verfahren funktioniert und welche Unterschiede es zwischen FLM, FDM und FFF gibt.

Das Fused Layer Modeling (FLM) ist das wahrscheinlich am weitesten verbreitete 3D-Druck-Verfahren. Auch die Namen Fused Deposition Modeling (FDM) oder Fused Filament Fabrication (FFF) sind für dieses Verfahren geläufig. Doch warum gibt es für dasselbe Verfahren unterschiedliche Namen?

Der grundlegende Prozess wurde Ende der 1980er Jahre von S. Scott Crump und seiner Frau Lisa, beide Mitbegründer der Firma Stratasys, entwickelt und patentiert. Die kommerzielle Anwendung des als Fused Deposition Modeling (FDM) markenrechtlich geschützten Verfahrens folgte in den 90er Jahren. Der große Durchbruch gelang dann 2005, als Dr. Adrian Bowyer von der University of Bath in England das RepRap-Projekt initiierte. Dieses hatte den Anspruch, einen kostengünstigen 3D-Drucker inklusive Software als Open-Source-Projekt zu entwickeln. 3D-Druck sollte also massentauglich werden. Um nicht namensrechtlich in Konflikt mit Stratasys zu geraten, wurde mit der Bezeichnung Fused Filament Fabrication (FFF) gleichzeitig ein frei nutzbarer Name für das verwendete Schmelzeschichtungsverfahren etabliert. Die dritte und letzte Abkürzung FLM (Fused Layer Modeling) geht schließlich auf den VDI (Verein Deutscher Ingenieure) zurück, der in seiner Richtlinie VDI 3405 teilweise eigene Bezeichnungen für bestimmte Druckverfahren eingeführt hat. In allen Fällen ist trotzdem immer das gleiche Verfahren gemeint, das seit dem Auslaufen des Grundpatents im Jahr 2009 auch von anderen Herstellern kommerziell genutzt werden darf.

Wie funktioniert FLM?

Ganz einfach ausgedrückt, nutzt ein FLM-Drucker das Prinzip einer Heißklebepistole: Er enthält eine beheizte Düse, in die ein Kunststoffdraht (Filament) eingezogen und aufgeschmolzen wird. Das Filament hat zwei Funktionen: Es liefert das Modellmaterial und fungiert direkt nach dem Einzug im kalten Zustand als Kolben, der die Schmelze aus der Düse befördert also extrudiert. Im Gegensatz zur Heißklebepistole wird das Material nicht von Hand appliziert, sondern automatisiert Schicht für Schicht entsprechend der Geometrie des gewünschten Modells abgelegt. Abbildung 1 veranschaulicht den Prozess, in welchem aus dem aufgespulten Filament über den Extruder letztendlich das fertige Bauteil entsteht.

Den Kosten und der Komplexität sind auch bei FLM-Druckern keine Grenzen gesetzt, jedoch gibt es im Gegensatz zu den hochpreisigen pulverbettbasierten Verfahren bereits sehr gute FLM-Anlagen für unter 1000 Euro. In seinem einfachsten Aufbau erfolgt das Abfahren der Linien im FLM-Drucker über drei Achsen in einem kartesischen Koordinatensystem (Bewegung nach links/rechts, vorne/hinten und hoch/runter) und ist daher sowohl technisch leicht umzusetzen als auch einfach zu verstehen. Ein FLM-Drucker beinhaltet keinen gefährlichen Laser, verarbeitet kein lungengängiges Pulver oder gesundheitsschädliche, unvernetzte Photopolymere, wodurch (abgesehen von elektronischen Problemen) die schlimmste Verletzungsgefahr von kleineren Verbrennungen ausgeht. Er kann daher, bei Beachtung gewisser Regeln, problemlos in Wohnräumen eingesetzt werden, was das Verfahren in der stetig wachsenden Maker-Gemeinschaft so beliebt macht.

Welche Materialien lassen sich verarbeiten?

Das FLM-Verfahren arbeitet mit Filamenten, die üblicherweise einen Durchmesser von 1,75 oder 2,85 mm besitzen. Bezüglich der Kunststoffe ist hier eine ganze Bandbreite an Optionen verfügbar, so dass je nach Anwendung des zu druckenden Modells ein geeignetes Material mit dem passenden Eigenschaftsprofil zu finden ist.

Die wichtigste Voraussetzung ist die Verwendung von thermoplastischen Materialien. Dies sind Kunststoffe, die sich durch die Zufuhr von Wärme reversibel aufschmelzen und in diesem Zustand formen lassen, um bei Abkühlung wieder zu einer festen Gestalt zu erstarren. Sie unterscheiden sich damit von Duroplasten (z.B. Epoxid-Gießharze) und Elastomeren (Gummi), die durch eine nicht rückgängig machbare chemische Reaktion vernetzen und dabei fest werden. Bei den Thermoplasten unterscheidet man zwischen amorphen und teilkristallinen Typen. Teilkristallin bedeutet, dass sich die langen Polymerketten, aus denen ein Kunststoff besteht, teilweise (daher „teil“-kristallin) zu dichten, regelmäßigen Unterstrukturen anordnen. Bei amorphen Thermoplasten liegen diese dagegen in einer Art ungeordnetem Spaghettihaufen vor. Wenn ein teilkristalliner Thermoplast aufgeschmolzen wird und wieder abkühlt, nimmt sein Volumen durch die enge Packung der sich bildenden kristallinen Strukturen stark ab, so dass sich die Dimensionen der abgelegten Kunststoffstränge verkleinern (Schwindung). Erfolgt die Schwindung nicht gleichmäßig im gesamten Bauteil, verliert es seine ursprüngliche Gestalt und verformt sich. Dies wird als Verzug bezeichnet. Bei amorphen Kunststoffen ist die Volumenabnahme beim Abkühlen deutlich weniger ausgeprägt und damit auch die Verzugsneigung.

Im FLM-Verfahren werden ständig neue heiße, noch schwindende Schmelzestränge auf bereits kalte und erstarrte, nicht mehr schwindende Schichten abgelegt. Die neue Schicht verhält sich dadurch während ihrer Abkühlung wie ein gespanntes Gummiband, das an der darunter liegenden Geometrie zieht und zerrt. In der Folge kann es daher passieren, dass sich besonders die Eckbereiche des Bauteils von der Bauplattform lösen oder sogar Risse zwischen den Schichten entstehen (Delamination, siehe Abbildung 2). Über geeignete Prozessbedingungen beim Bau der Teile (Wahl des Kunststofftyps, beheizter Bauraum, Bauteillüfter etc.) lassen sich diese Effekte aber reduzieren, so dass auch teilkristalline Werkstoffe verarbeitbar sind. Wie beim Spritzgießen verlangen diese jedoch deutlich mehr Prozess-Know-how vom Anwender.

3D Basics

Die wichtigsten 3D-Druck-Materialien in einer Übersicht

PLA ist bei FLM-Verfahren besonders beliebt

Das am häufigsten im FLM-Verfahren verwendete Material ist die Polymilchsäure (Polylactid, PLA), da sich dieser Kunststoff bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen (ca. 190 – 220 °C) verarbeiten lässt, wenig schwindet und auch keine störenden oder gar gesundheitsschädlichen Ausgasungen während des Drucks verursacht. Zudem werden keine besonderen Anforderungen an den Drucker, zum Beispiel bezüglich eines geschlossenen Bauraums oder einer beheizten Bauplattform, gestellt. Letztere kann bei großen Modellen trotzdem hilfreich sein, da die Wärme ein leichtes Ankleben der ersten Schicht und somit eine sichere Haftung des Modells während des fortschreitenden Druckprozesses bewirkt. Eine ausreichende Haftung kann bei PLA jedoch auch durch die Beschichtung der Plattform mit einer Klebstoffschicht, Malerkreppband („Blue Tape“) oder sogar Haarspray erreicht werden.

Kunststoffe für anspruchsvolle Anwendungen

Neben PLA sind auch technische Werkstoffe wie ABS und Polycarbonat (PC) oder sogar Hochleistungskunststoffe aus der Luft- und Raumfahrt wie PEEK und PEI verarbeitbar. Diese erfordern eine stärkere Beheizung der Düse (für PEEK ab ca. 360 °C) sowie eine gute thermische Trennung im Druckkopf, damit das Filament im Einzugsbereich des Druckkopfs förderbar bleibt. Wegen der hohen Verarbeitungstemperaturen sind hier auch Umgebungsbedingungen weit über der Raumtemperatur notwendig, damit die Schichten nicht zu schnell abkühlen und sich wiederum verziehen oder nicht ausreichend mit einander verschweißen.

Das FLM-Verfahren eignet sich außerdem für weiche Filamente aus thermoplastischen Elastomeren (TPE) oberhalb einer Härte von circa 85 Shore A (mit besonderen Maßnahmen ab 65 Shore A) oder mit Additiven gefüllte Filamente (Verstärkungsfasern, Holzpartikel, Metallpulver, Magnetpartikel, leitfähige Partikel, Effektpigmente, Treibmittel).

Wie unterscheiden sich FLM-Drucker in ihrem Aufbau?

Das kartesische Koordinatensystem als Grundlage für die Achsensteuerung ist das am häufigsten eingesetzte Prinzip. Bei Systemen der Firma Prusa Research aus Tschechien bewegt sich die Plattform in Y-Richtung, während der Extruder in X- und Z-Richtung verfahren kann. Es gibt aber auch Systeme, bei denen beispielsweise die Plattform in Z-Richtung verfährt und der Druckkopf sich in XY-Richtung bewegt. In polaren Systemen erfolgt der Verfahrweg über zwei orthogonale Achsen, kombiniert mit einer Bewegung über einen Kreisbogen, was die Ansteuerung komplizierter macht, sich im Druckergebnis aber nicht maßgeblich von den kartesischen Systemen unterscheidet. Bei Delta-Systemen ist die Plattform fixiert, der Druckkopf hängt über Streben an drei vertikalen Achsen, deren unabhängige Ansteuerung alle Punkte innerhalb eines zylinderförmigen Bauraums erreichbar macht. Solche Drucker zeichnen sich meist durch eine im Verhältnis zur Grundfläche große Bauraumhöhe sowie hohe maximale Bewegungsgeschwindigkeiten aus. Auch kann der Druckkopf an einer sogenannten Scara-Kinematik angebracht werden. Hierbei handelt es sich um beweglich verbundene Hebel, die eine freie Bewegung in der horizontalen Ebene ermöglichen. Solche Systeme können sehr schnelle, komplexe Verfahrwege realisieren, sind aber gleichzeitig maschinen- und softwareseitig deutlich komplizierter.

Unterschiede bei den Extrudersystemen

Für die Förderung in den Druckkopf unterscheidet man Direkt- und Bowdenextruder. Beim Direktextruder sind die Rändelräder für den Filamentvorschub inklusive zugehörigem Motor direkt am Druckkopf montiert, so dass das Material nach Einzug nur einen kurzen Weg bis zur Düse zurücklegen muss. Der Filamentabschnitt zwischen den Treibrädern und der Düse wird durch die Vorschubkraft wie eine Feder komprimiert. Start und Stopp des Materialaustrags erfolgen daher immer zeitlich etwas verzögert, da sich die Feder erst spannenbeziehungsweise entspannen muss, um Druck in der Düse auf- oder abzubauen. Eine kurze Distanz hat daher besonders bei weichen Filamenten große Vorteile. Andererseits erhöht der schwere Motor die Massenträgheit des Druckkopfes, so dass dieses Bauprinzip üblicherweise zu etwas geringeren Druckgeschwindigkeiten führt.

Beim Bowden-Extruder befinden sich die Förderrädchen und der Motor dagegen fest am Druckergehäuse und tragen somit nicht zur bewegten Masse bei. Das Filament wird dann über einen längeren PTFE-Schlauch gestützt und zum Druckkopf geleitet. Der Druckkopf ist dadurch leichter, aber die Reibung innerhalb des Schlauchs kann einen deutlichen Teil der sowieso begrenzten Vorschubkraft verbrauchen und die Federwirkung des langen Filamentabschnitts führt zu einer schlechteren Kontrolle über den Materialaustrag.

Mehrere Materialien in einem Bauteil

Eine hervorstechende Besonderheit des FLM-Verfahrens ist die Möglichkeit, mehrere unterschiedliche Materialien in einem Bauteil zu kombinieren. Dazu muss der Werkstoff innerhalb einer Schicht gewechselt werden können, wofür eine Vielzahl technischer Lösungen entwickelt wurden. Diese gehen von mehreren unabhängigen Düsen an einem Druckkopf, mehreren Filamenten, die in einer Düse zusammen laufen (z.B. e3d Cyclops), mehreren Druckköpfen auf einer Achse (IDEX = Independent Dual Extruder), automatisch wechselbaren Druckköpfen (ähnlich dem Werkzeugwechsler in einer CNC-Fräsmaschine), automatisch wechselnden Filamenten (Prusa Multi Material) bis hin zur Möglichkeit, unterschiedliche Materialabschnitte passend zu einem neuen Filament verschweißen zu lassen (Mosaic Palette). Dies bietet sich für bunte Modelle oder auch Hart-Weich-Kombinationen, wie in Abbildung 4 dargestellt, an. Außerdem kann hier zusätzlich zum Modellmaterial ein lösliches oder wegbrechbares Stützmaterial für komplexe Modellgeometrien verwendet werden.

Welche Sonderverfahren gibt es?

Durch den Wegfall der patentrechtlichen Beschränkungen konnten in den letzten Jahren von einzelnen Herstellern Verfahrensvarianten entwickelt werden, die oftmals eigene Bezeichnungen und Abkürzungen verwenden, aber immer noch dem Grundprinzip des FLM folgen. Eine davon ist die Continuous Filament Fabrication (CFF) der Firma Markforged. Hier werden die Bauteile aus einer Nylon-Matrix (optional bereits mit Carbon-Kurzfasern gefüllt) aufgebaut und mit einer zweiten Düse Endlosfasern erwärmt und so gezielt innerhalb der Schichten des Modells platziert, wodurch die mechanische Stabilität maßgeblich verbessert wird. Fasern, die für dieses Verfahren zur Verfügung stehen, sind aktuell aus Carbon, Kevlar und Glas.

Mit der Verwendung von Filamenten, die mit Metall- oder Keramikpartikeln gefüllt sind, können neben Kunststoffbauteilen auch richtige Metall- oder Keramikteile gedruckt werden. Analog zum Pulverspritzguss wird hier die Polymermatrix des Filaments im FLM aufgeschmolzen und ein sogenanntes Grünteil hergestellt. Der Kunststoff wird anschließend chemisch bzw. thermisch entfernt (Braunteil). Der so entstandene hochporöse Metall- bzw. Keramikkörper kann nachträglich in einem Sinterofen verdichtet werden, wobei ein gewisser Schrumpf mit eingeplant werden muss.

Wichtig ist auch der Hinweis auf die Fused Granular Fabrication (FGF). In diesem Verfahren wird mit Granulaten anstelle von Filamenten gearbeitet, die analog zum Spritzgießen mit einer kleinen Schnecke in den Extruder eingezogen und aufgeschmolzen werden. Damit lassen sich auch deutlich weichere TPE verarbeiten, die als Filament zwischen den Treibrädern durchrutschen oder sich unter der Vorschubkraft aus der Filamentführung herausdrücken würden. Auch entfällt bei der Verwendung von Granulaten die zusätzliche, für die Filamentherstellung erforderliche, Zertifizierung medizinischer Materialien.

Additive Fertigung

Wie Materialextrusion industriell genutzt werden kann

Was sind die Vor- und Nachteile des FLM?

Vorteile von FLM-3D-Druck:

• Vielfalt an spezialisierten 3D-Druckern

• Wachsende Zahl von verwendbaren Materialien

• Günstige Geräte für Einsteiger

• Herstellung von Mehrkomponententeilen möglich

• freie Parametrisierbarkeit

• Skalierbarkeit

Zu den Vorteilen zählen vor allem die leichte Zugänglichkeit des Verfahrens, die rasanten Weiterentwicklungen durch die große 3D-Druck-Community und die günstige Anlagentechnik. Auch die extreme Materialvielfalt inkl. Mehrkomponententeile, die freie Parametrisierbarkeit und die Skalierbarkeit (Bauteilgrößen über 1 m³ möglich) sind Vorzüge des Verfahrens.

Nachteile von FLM-3D-Druck:

• Stützstrukturen bei komplexen Geometrien

• Geringere Bauteilstabilität als mit anderen 3D-Druckverfahren

• Teilweise unzureichende Oberflächengüte

• Geringere Auflösung als bei harzbasierten Verfahren (z. B. SLA)

• Detailreiche Drucke bedingen eine lange Druckzeit

Nachteilig ist, dass bei komplexen Geometrien Stützstrukturen aus üblicherweise einem zweiten, speziellen Material nötig sind (löslich oder abbrechbar). Stützen aus dem gleichen Material wie das Modell hinterlassen dagegen oft sichtbare Fehler an den betroffenen Oberflächen. Außerdem ist die beim 3D-Druck bekannte Anisotropie der Bauteile, je nach Werkstoff, mitunter besonders stark ausgeprägt. Das bedeutet, dass die Festigkeit innerhalb einer Schicht deutlich höher ist als die zwischen den nur miteinander verschweißten Nachbarschichten. Oftmals wird auch die Oberflächengüte kritisiert, weil gerade im Vergleich zu den bekannten glatten Bauteilen aus dem Spritzgießen die gedruckten Teile über erkennbare Treppen an schrägen und gekrümmten Flächen verfügen, die von den Schichten herrühren. Die Schichthöhe und der Düsendurchmesser lassen sich zwar gegenüber den üblichen Standardwerten noch etwas reduzieren, die extremen Auflösungen harzbasierter Verfahren erreicht FLM jedoch nicht. Zudem müssen feinere Details immer mit einer verlängerten Druckzeit erkauft werden.

Was sind die Hauptanwendungen für FLM-3D-Druck?

Genau wie alle anderen ursprünglichen Additiven Fertigungsverfahren hat FLM seine Wurzeln im Rapid Prototyping. Dabei ging es vornehmlich um Anschauungsmuster oder Einbauproben, um die spätere Herstellung des Teils in einem Massenfertigungsverfahren, wie etwa dem Spritzgießen, vorzubereiten. Durch die große Auswahl von Hochleistungspolymeren und für verschiedene Zwecke zertifizierte Materialien (z. B. Flammschutz, Food Safe) konnten aber schon früh auch Anwendungen in Kleinserien, unter anderem für die Luftfahrt, erreicht werden. Die Verwendung der gleichen Werkstoffe wie beim Spritzguss (wenn auch nicht mit dem identischen Eigenschaftsniveau) erlaubt zudem funktionale Bauteile oder sogar die Substitution spritzgegossener Teile, zum Beispiel für das Ersatzteilgeschäft oder generell kleine Stückzahlen von Sonderteilen. Dabei können selbst immer wieder ähnliche Teile ohne großen Mehraufwand trotzdem personalisiert werden. Hier ist insbesondere die Verwendung in der Medizintechnik zu nennen, wo das Verfahren bereits für individuelle Prothesen oder Implantate, wie beispielhaft in Abbildung 5 dargestellt, genutzt wird.

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