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

Fused Deposition Modeling, auch bekannt als Fused Filament Fabrication, ist ein additives Fertigungsverfahren aus der Familie der Materialextrusionsverfahren. Der Drucker erhitzt ein thermoplastisches Filament und trägt es entlang einer programmierten Bahn auf, um Teile Schicht für Schicht aufzubauen. Jede Schicht verschmilzt beim Abkühlen mit der vorherigen, wodurch aus einem digitalen CAD-Modell eine feste Geometrie entsteht.

FDM hat weltweit den größten Marktanteil bei 3D-Druckern. Es ist die branchenübergreifend am häufigsten eingesetzte additive Technologie und oft das erste Verfahren, das Ingenieure für den 3D-Druck in Betracht ziehen.

Dieser Artikel erläutert die Grundprinzipien und wichtigsten Merkmale des FDM-Verfahrens, vergleicht Desktop- und industrielle Systeme und bietet Ingenieuren praktische Anleitungen zur Optimierung von Bauteilen für die ausgelagerte FDM-Fertigung.

Erst anschauen, dann lesen: So erstellen Sie mit FDM-3D-Druck Prototypen wie ein Profi

Dieses Video erklärt, wie Sie den FDM-3D-Druck für das Rapid Prototyping nutzen können, und bietet praktische Tipps für Ingenieure, die Teile auslagern.

How does FDM 3D printing work?

Beim FDM-3D-Druck werden Teile hergestellt, indem geschmolzenes Filament Schicht für Schicht auf eine Bauplattform aufgetragen wird, bis das Teil fertig ist. Der Prozess beginnt mit einer digitalen Konstruktionsdatei, die in Maschinenbefehle umgewandelt wird. Zu den gängigen FDM-Materialien gehören ABS, PLA, PETG und PEI, die als Filament auf Spulen geliefert und in eine beheizte Düse zugeführt werden.

Wenn die Düse die Zieltemperatur erreicht hat, wird das Filament durch den Extrusionskopf gedrückt und geschmolzen. Der Extrusionskopf ist auf einem dreiachsigen System montiert, das die Düse entlang der X-, Y- und Z-Achse bewegt. Das geschmolzene Material wird in dünnen Strängen extrudiert und entlang des programmierten Werkzeugwegs aufgetragen. Jeder Strang kühlt ab und verbindet sich mit der vorherigen Schicht, um eine feste Geometrie zu bilden.

Das Ausfüllen einer Fläche erfordert mehrere Durchgänge, ähnlich wie das Schattieren einer Form mit einem Filzstift. Nachdem eine Schicht fertiggestellt ist, senkt sich die Bauplattform ab oder der Extrusionskopf bewegt sich, und die nächste Schicht wird gedruckt. Manchmal werden am Extrusionskopf Lüfter eingesetzt, um die Abkühlung zu beschleunigen und die Schichthaftung zu verbessern. Der Zyklus wiederholt sich, bis das gesamte Bauteil fertiggestellt ist.

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

Die meisten FDM-Systeme ermöglichen die Steuerung verschiedener Prozessparameter, darunter Düsentemperatur, Temperatur der Bauplattform, Druckgeschwindigkeit, Schichthöhe und Drehzahl des Kühlgebläses. Bei der ausgelagerten Fertigung werden diese Einstellungen in der Regel vom Bediener der additiven Fertigung verwaltet, doch sollten Konstrukteure verstehen, wie sie sich auf die Bauteile auswirken.

Baugröße und Schichthöhe sind wichtige Faktoren. Typische Bauvolumina bei Desktop-Druckern liegen bei etwa 200 x 200 x 200 mm, während industrielle Maschinen etwa 1.000 x 1.000 x 1.000 mm erreichen können. Große Modelle, die für Desktop-Drucker vorgesehen sind, können in kleinere Abschnitte aufgeteilt und nach dem Druck wieder zusammengesetzt werden.

Die Schichthöhe liegt üblicherweise zwischen 50 und 400 Mikrometer. Dünnere Schichten sorgen für glattere Oberflächen und eine bessere Wiedergabetreue bei gekrümmten Strukturen, während dickere Schichten die Druckzeit und die Kosten reduzieren.

Konstruktionstipp: Ein praktischer Kompromiss ist eine Schichthöhe von 200 Mikrometer. Weitere Details finden Sie in unserem Artikel über den Einfluss der Schichthöhe auf 3D-gedruckte.

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

FDM-Drucker lassen sich in zwei Hauptkategorien einteilen: industrielle (professionelle) und Desktop-Drucker (für die Prototypenentwicklung). Der Hauptunterschied liegt in der Größenordnung und der Wiederholgenauigkeit. Industrielle Maschinen sind teurer als Desktop-Systeme, bieten jedoch größere Bauvolumina, eine höhere Zuverlässigkeit und Konsistenz, die für den Werkzeugbau, funktionale Prototypen und Kleinserien geeignet sind. Sie arbeiten mit minimalem Bedienereingriff und ermöglichen einen schnelleren Durchsatz bei größeren Aufträgen.

Industrielle FDM-Systeme, wie beispielsweise Maschinen von Stratasys, kosten deutlich mehr als Desktop-Geräte, die in der Regel für die Prototypenfertigung im Labormaßstab eingesetzt werden. Industrielle Drucker bieten größere Bauvolumina, eine präzisere Prozesssteuerung und eine höhere Wiederholgenauigkeit und unterstützen thermoplastische Kunststoffe in Ingenieursqualität. Aus diesen Gründen werden sie häufig für den Werkzeugbau, funktionale Prototypen und Endverbrauchsteile eingesetzt. Desktop-FDM eignet sich weiterhin für schnelle Konzeptmodelle und frühe Designiterationen, doch industrielles FDM ist die bevorzugte Wahl, wenn Ingenieure für die ausgelagerte Produktion gleichbleibende Qualität und einen höheren Durchsatz benötigen.

Industrielle FDM-Drucker bearbeiten größere Aufträge schneller als Desktop-Geräte. Sie sind auf Wiederholgenauigkeit und Zuverlässigkeit ausgelegt und können dasselbe Bauteil wiederholt mit minimalem Bedienereingriff herstellen. Desktop-FDM-Systeme eignen sich besser für schnelle Konzeptmodelle und frühe Iterationen, erfordern jedoch häufigere Wartung und Kalibrierung.

In der folgenden Tabelle stellen wir die wichtigsten Unterschiede zwischen einem typischen FDM-Desktopgerät und einem industriellen System gegenüber.

Was sind die Merkmale des FDM-3D-Drucks?

FDM-3D-Drucker unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Extrusionssysteme und der Qualität der hergestellten Teile, weisen jedoch prozessübergreifend gemeinsame Merkmale auf. Dazu gehören der schichtweise Aufbau, sichtbare Werkzeugwege und ein konsistentes Materialverhalten, das Ingenieure bei der Auslagerung der Teile berücksichtigen können.

Verzug

Verziehen ist ein häufiger Fehler beim FDM-Druck. Beim Abkühlen schrumpft das extrudierte Material, wobei verschiedene Bereiche unterschiedlich schnell abkühlen. Diese unterschiedliche Abkühlung erzeugt innere Spannungen, die die darunterliegenden Schichten anheben und dazu führen, dass sich das Bauteil verzieht.

Um das Verziehen zu reduzieren, sollten Sie die Systemtemperaturen – insbesondere die der Bauplattform und der Druckkammer – kontrollieren und die Haftung zwischen dem Bauteil und der Bauplattform verbessern.

Bestimmte Designentscheidungen können das Risiko von Verformungen beim FDM-Druck verringern:

• Vermeiden Sie nach Möglichkeit große, flache Bereiche. Breite, ebene Flächen wie beispielsweise die Seitenwände von Kästen neigen eher dazu, sich anzuheben oder zu verformen.

• Reduzieren Sie dünne, hervorstehende Strukturen. Schmale Zinken und Rippen neigen zum Verziehen. Eine Vergrößerung der Kontaktfläche an der Basis oder das Hinzufügen von Stützmaterial trägt zur Stabilität bei.

• Fügen Sie an scharfen Ecken Verrundungen hinzu. Abgerundete Übergänge verringern die Spannungskonzentration und neigen weniger zum Verziehen als scharfe Kanten.

• Passen Sie das Material an die Geometrie an. Verschiedene Polymere reagieren unterschiedlich empfindlich auf Verziehen. Beispielsweise neigt ABS im Allgemeinen stärker zum Verziehen als PLA oder PETG.

Schichthaftung

Eine starke Verbindung zwischen aufeinanderfolgenden Schichten ist beim FDM-Verfahren von entscheidender Bedeutung. Während der geschmolzene Thermoplast extrudiert wird, drückt das neue Material gegen die vorherige Schicht. Durch Hitze und Druck kommt es zu einem leichten Wiederschmelzen, wodurch die Schichten miteinander verschmelzen.

Da der aufgetragene Faden durch den Kontakt mit der darunterliegenden Schicht verformt wird, nimmt sein Querschnitt eine leicht ovale Form an. Dies führt unabhängig von der Schichthöhe zu einer charakteristischen welligen Oberflächenstruktur. Kleine Details wie feine Löcher oder Gewinde erfordern daher unter Umständen eine Nachbearbeitung, um strenge Anforderungen an die Maßgenauigkeit oder Oberflächenbeschaffenheit zu erfüllen.

Stützstruktur

FDM-Drucker können geschmolzenen Thermoplast nicht über nicht abgestützte Lücken hinweg auftragen. Bestimmte Geometrien erfordern Stützstrukturen, die in der Regel aus demselben Material wie das Bauteil gedruckt werden.

Das Entfernen von Stützstrukturen kann schwierig sein, daher sind Konstruktionen vorzuziehen, die den Bedarf an Stützstrukturen minimieren. Für hochwertige FDM-Systeme sind lösliche Stützmaterialien erhältlich, diese erhöhen jedoch die Gesamtdruckkosten.

Füllung und Schalenstärke

FDM-Drucker fertigen in der Regel keine vollständig massiven Teile, um Zeit und Material zu sparen. Das Gerät zeichnet den Außenumriss, die sogenannte Schale, in mehreren Durchgängen nach und füllt den Innenraum, die sogenannte Füllung, mit einer Struktur geringer Dichte aus.

Füll- und Schalenstärke wirken sich direkt auf die Festigkeit, das Gewicht und die Bauzeit des Teils aus. Eine gängige Standard-Einstellung bei Desktop-Druckern ist eine Füllung von 20 Prozent bei einer Schalenstärke von 1 mm, was ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Festigkeit und Geschwindigkeit für schnelle Prototypen bietet.

Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Merkmale des FDM-3D-Drucks zusammen.

Welche Materialien werden häufig für den FDM-3D-Druck verwendet?

FDM unterstützt eine breite Palette an Thermoplasten, die für die Prototypenentwicklung und Serienfertigung eingesetzt werden. Zu den gängigen Kategorien zählen Standardpolymere wie PLA und ABS, technische Kunststoffe wie PA (Nylon), TPU und PETG sowie Hochleistungsthermoplaste wie PEEK und PEI.

PLA ist das gängigste Filament für den Desktop-FDM-Druck. Es lässt sich leicht drucken und gibt feine Details gut wieder, wodurch es sich für visuelle Prototypen und Konzeptmodelle eignet. ABS bietet eine höhere Festigkeit, Duktilität und thermische Stabilität für funktionale Prototypen und Endverbrauchsteile, neigt jedoch bei Geräten ohne beheizte Kammer stärker zum Verziehen. PETG verbindet einfache Druckbarkeit mit mechanischen Eigenschaften, die denen von ABS ähneln, und stellt somit für viele Anwendungen einen guten Mittelweg dar.

PETG ist eine gängige FDM-Alternative zu ABS für Desktop-Drucker und bietet eine ähnliche Zusammensetzung und Druckbarkeit. PLA, ABS und PETG eignen sich für die meisten Anwendungen im Bereich 3D-Druckdienstleistungen, vom Rapid Prototyping über Form-, Pass- und Funktionstests bis hin zur Kleinserienfertigung von Modellen und Funktionsteilen.

Industrielle FDM-Maschinen verwenden in der Regel technische Thermoplaste wie ABS, Polycarbonat (PC) und Ultem. Diese Materialien enthalten oft Additive, die die Schlagzähigkeit, thermische Stabilität, chemische Beständigkeit und Biokompatibilität verbessern.

Die Wahl des Materials beeinflusst die mechanischen Eigenschaften, die Maßgenauigkeit und die Kosten des Bauteils. Die folgende Tabelle enthält einen Vergleich gängiger FDM-Materialien.

Weitere Informationen finden Sie in unserem Überblick über die wichtigsten Unterschiede zwischen PLA und ABS sowie in einem umfassenden Vergleich gängiger FDM-Materialien.

Nachbearbeitung für FDM-3D-Druck

FDM-Teile lassen sich mit Verfahren wie Schleifen und Polieren, Grundieren und Lackieren, Kaltverschweißen, Dampfglätten, Epoxidbeschichtung und Metallbeschichtung hochwertig veredeln. Diese Verfahren verbessern das Oberflächenbild und die funktionale Leistungsfähigkeit von Prototypen und Kleinserien.

Möchten Sie alle Nachbearbeitungsmöglichkeiten für Ihren nächsten Produktionslauf erkunden? Lesen Sie unseren umfassenden Leitfaden zu den verfügbaren Optionen.

Was sind die bewährten Verfahren für den Druck mit FDM?

• Verwenden Sie FDM für schnelle Prototypen und funktionale Teile in kleinen Stückzahlen, wenn Kosten und Geschwindigkeit im Vordergrund stehen.

• Wählen Sie die Materialien anhand der mechanischen, thermischen und chemischen Anforderungen aus; FDM unterstützt Standard-, Technik- und Hochleistungs-Thermoplaste.

• Beachten Sie das typische Bauvolumen von Desktop-Geräten von 200 x 200 x 200 mm; Industriemaschinen bieten wesentlich größere Bauvolumina.

• Entwerfen Sie so, dass sich Verformungen reduzieren lassen: Vermeiden Sie große, flache Flächen und runden Sie scharfe Ecken ab.

• Berücksichtigen Sie die Anisotropie: FDM-Teile sind quer zu den Schichtlinien weniger stabil; vermeiden Sie daher den Einsatz von FDM für mechanisch kritische Bauteile ohne vorherige Validierung.

• Beachten Sie die durch den Düsendurchmesser und die Schichthöhe vorgegebenen Mindestgrenzen für Strukturmerkmale.

• Vertikale Strukturmerkmale in der Z-Achse dürfen nicht kleiner sein als die gewählte Schichthöhe, typischerweise 0,1 bis 0,2 mm.

• Ebenflächige Strukturen in der XY-Ebene werden durch den Düsendurchmesser begrenzt, üblicherweise 0,4 bis 0,5 mm.

• Die Mindestwandstärke sollte etwa das Zwei- bis Dreifache des Düsendurchmessers betragen, typischerweise 0,8 bis 1,2 mm.

• Erhöhen Sie bei tragenden Abschnitten die Wandstärke oder die Füllung, anstatt sich auf dünne Wände zu verlassen.

• Bei sehr glatten Oberflächen oder feinen Details ist mit einer zusätzlichen Nachbearbeitung wie Schleifen, Dampfglättung oder maschineller Bearbeitung zu rechnen.

• Für hochdetaillierte Kosmetikteile sollten Sie SLA oder andere additive Technologien anstelle von FDM in Betracht ziehen.

Wenn Sie bereit sind, Teile in die Serienfertigung zu bringen, besuchen Sie das Protolabs-Netzwerk für ein sofortiges Angebot und eine integrierte DFM-Analyse. Für weitere Informationen oder um mit einem spezialisierten Kundenbetreuer in Kontakt zu treten, senden Sie eine E-Mail an networksales@protolabs.com.