Fused Deposition Modeling (auch bekannt als FDM), ist die am häufigsten verwendete 3D-Drucktechnologie für private und gewerbliche Anwender. In diesem Artikel werden wir auf die folgenden Aspekte des FDM-3D-Drucks eingehen:
- die Geschichte von FDM
- wie man einen FDM-3D-Drucker einrichtet
- den FDM-Druckprozess und
- welche 3D-Drucker-Filamente und -Materialien verwendet werden.
Dieser Beitrag ist eine deutsche Originalübersetzung von 3dsourced.com. Zum englischen Original gelangen Sie über den folgenden Link.
Darüber hinaus werden wir Ihnen in diesem Beitrag auch erläutern, warum Sie je nach Drucker die Preise so stark unterscheiden. Daneben werden wir etwas näher auf die Hauptindikatoren der Leistung eines FDM-3D-Druckers eingehen, FDM mit SLA vergleichen, selektives Lasersintern erläutern und abschließend die Vor- und Nachteile von FDM besprechen.
Was ist Fused Deposition Modeling (FDM)?
FDM wird manchmal als Fused Filament Fabrication oder FFF bezeichnet. Diese 3D-Druckverfahren sind die gleichen, aber wir werden in diesem Artikel die Abkürzung FDM verwenden. Wenn Sie irgendwo einen FFF-3D-Drucker geschrieben sehen, handelt es sich also um einen FDM-3D-Drucker.
FFF ist die Bezeichnung für den Produktionsprozess, obwohl Fused Deposition Modeling der Name war, den Stratasys bei der Erfindung des Verfahrens als Warenzeichen verwendete. Der Name FDM hat sich im Laufe der Zeit festgesetzt.
FDM kann im Großen und Ganzen der Materialextrusion zugeordnet werden. Wie das Selektive Lasersintern verwendet FDM Thermoplaste zum Drucken von Teilen. Der Unterschied zwischen diesen beiden Verfahren besteht jedoch darin, dass beim FDM Filamente verwendet werden, während beim SLS Pulver zum Einsatz kommen. Die Stereolithographie unterscheidet sich von beiden, da sie Duroplaste, so genannte Harze, verwendet.
Geschichte von FDM.
FDM gibt es seit Beginn der Geschichte des 3D-Drucks und wurde Ende der 1980er Jahre von S. Scott Crump entwickelt, bevor er Stratasys gründete. Mit Stratasys brachte Crump 1990 FDM auf den Markt, und das erfolgreiche Unternehmen für 3D-Drucker stellt bis heute FDM-3D-Drucker her.
Ein weiteres großes Jahr für den 3D-Druck mit Hilfe von FDM war 2005, das Jahr, in dem die RepRap-3D-Drucker aufblühten. Die RepRap-Bewegung basiert auf der Open-Source-Community und beinhaltet das 3D-Drucken der Teile Ihres eigenen 3D-Druckers und deren Zusammenbau selbst. Sobald Sie Ihren eigenen 3D-Drucker in 3D ausgedruckt haben, sind Sie moralisch verpflichtet, die Teile gemäß dem RepRap-Code auf drei weiteren Druckern für andere Personen auszudrucken.
2009 war das Jahr, in dem die ersten Patente für die Modellierung der Schmelzabscheidung ausliefen, so dass die Enthusiasten ihre eigenen 3D-Heimwerkerdrucker entwickeln und vermarkten konnten. Firmen wie Makerbot und Lulzbot wurden mit der Herstellung von DIY-Drucker-Kits sehr erfolgreich und Makerbot wurde zu dem 400 Millionen Dollar teuren Giganten, der er heute ist.
Einrichten eines FDM-3D-Druckers.
Um etwas auf Ihrem FDM 3D-Drucker zu drucken, benötigen Sie zunächst eine 3D-Datei. In der Regel eine .STL-Datei – das 3D-Druckermodell – können Sie diese entweder von Websites wie Thingiverse oder Shapeways herunterladen oder sie mit einem 3D-Softwareprogramm wie SolidWorks oder SelfCAD entwerfen.
Sobald Sie Ihre .STL-Datei haben, müssen Sie ein 3D-Slicer-Werkzeug wie Cura verwenden, um die Schichten in Layer zu schneiden. Dies sind die einzelnen Schichten, die der 3D-Drucker nacheinander ausdruckt, bis das dreidimensionale Modell fertig ist. Nach dem Schneiden müssen Sie nur noch Ihre Druckparameter wählen und auf Drucken drücken.
Es gibt vier Haupttypen von FDM-3D-Druckern: Kartesische, Delta-, Polar- und Scara-Drucker, und sie alle funktionieren etwas anders.
Auswahl der besten Druckparameter mit FDM.
Die Qualität, Oberflächenbeschaffenheit, Stärke und Geschwindigkeit des Drucks hängen stark von Ihren Druckparametern ab. Hier sind einige Schlüsselbereiche, um sicherzustellen, dass Sie für die von Ihnen gewünschten Ergebnisse optimiert sind:
Druckgeschwindigkeit: Ja, der 3D-Druck kann sich anfühlen, als würde er sehr lange dauern. Aber eine zu hohe Geschwindigkeit Ihres Druckers führt zu Druckfehlern (einfallende Ecken, zusammengedrückte Teile) und verringert im Allgemeinen die Qualität der Teile und die Oberflächenbeschaffenheit.
Fehler können auftreten, wenn die Druckeinstellungen falsch eingestellt sind.
Höhe der Schichten: Eine niedrigere Schichthöhe bedeutet im Allgemeinen eine glattere Oberfläche, jedoch einen wesentlich langsameren Druck. Es gibt jedoch Szenarien, in denen Sie große Schichthöhen verwenden, den Druck beschleunigen und keine nachteiligen Auswirkungen haben können. Es hängt alles davon ab, was Sie drucken. Wenn Sie etwas sehr Kompliziertes drucken, z.B. ein Gesicht oder ein 3D-Schmuckstück, gilt die allgemeine Regel, dass Sie die niedrigstmögliche Schichthöhe verwenden sollten. Wenn Sie jedoch so etwas wie einen großen Würfel drucken, können Sie große Schichthöhen verwenden, schnell drucken und keinen merklichen Qualitätsverlust erleiden.
Durchmesser der Düse: Technisch gesehen ist dies kein Parameter, sondern ein Teil des Satzes, aber es ist wichtig für die Art und Weise, wie Sie drucken. 3D-Drucker verwenden normalerweise Düsen mit einem Durchmesser von 0,4 mm, aber alles, was feiner ist – wie z.B. extrem detaillierter Text – kann immer noch unbedruckbar sein, es sei denn, Sie kaufen eine 0,2 mm-Düse. Überprüfen Sie die Düse, die Sie an Ihrem Drucker haben, und optimieren Sie sie auf dieser Grundlage. Kleinere Düsendurchmesser erzeugen eine glattere Oberfläche und mehr Details, aber wie bei geringeren Schichthöhen dauert der Druck länger.
Auffüllen: FDM-Teile werden nicht vollflächig bedruckt – es würde viel mehr kosten und es gibt eine abnehmende Rendite, je nachdem, wie viel Kraft ein Teil wirklich benötigt. Die Norm ist 20 % Infill, wodurch immer noch Teile hergestellt werden, die stärker sind als die mit SLA erstellten, und gleichzeitig Geld und Zeit gespart werden. Wenn Sie nur einen sehr groben Prototyp benötigen, reichen manchmal 10% aus, in anderen Situationen, in denen ein robustes Modell benötigt wird, werden manchmal 80% verwendet.
Druck-Support: Wenn Sie ein Teil mit Überhängen haben, benötigen Sie Stützen, sonst wird Ihr Teil zusammenfallen und sich verformen. Dual-Extruder-Drucker können dies problemlos tun und können Träger aus löslichem Filament wie HIPS oder PVA drucken.
3D-Drucken mit FDM.
Bei der FDM-Modellierung wird ein thermoplastischer Faden in den 3D-Drucker eingespeist, mit beliebigen Trägern oder anderen Materialien, wenn es sich um einen 3D-Drucker mit zwei Extrudern handelt. Das Filament wird durch eine beheizte Düse auf seinen Schmelzpunkt – etwa 200 ºC, obwohl dies vom Material abhängt – erhitzt und dann auf die Bauplattform extrudiert, wobei die in der STL-Datei angegebenen Teileabmessungen verfolgt werden.
Wenn die erste volle Lage fertig ist, bewegt sich der Druckkopf um eine Schichthöhe nach oben, bevor die nächste Lage abgezogen wird. Dies setzt sich Schicht für Schicht fort, bis das Teil fertig ist.
Nach dem Abscheiden verfestigt sich das Filament zu einem festen Teil, wobei jede Schicht abkühlt, bevor es beim Abscheiden der darüber liegenden Schicht wieder kurz erhitzt wird. Die Schichtgrößen hängen von Ihren Präferenzen ab, liegen aber normalerweise bei etwa einem Sechzehntel Zoll.
FDM-3D-Druck in Farbe.
Einige 3D-Drucker sind in der Lage, 3D-Farben zu drucken. Ein FDM-3D-Drucker, der dies kann, ist der Da Vinci Color von XYZPrinting, der 10 Millionen verschiedene Farben drucken kann. Wenn Sie einen 3D-Drucker mit zwei Extrudern haben, können Sie auch zwei Farben oder zwei Materialien gleichzeitig drucken.
Entfernen von Supports und Minimierung von Verwölbungen mit FDM.
Verwölbung minimieren.
Eine Sache, auf die Sie beim FDM-3D-Druck achten müssen, ist die Verwölbung. Teile können sich bei der Verwendung von FDM verziehen, weil Teile des Modells zu unterschiedlichen Zeiten abkühlen und dadurch Spannungen erzeugen. Aus diesem Grund können sich Abschnitte des gedruckten 3D-Modells zusammenziehen und schrumpfen, was die Druckqualität und die Oberflächenbeschaffenheit beeinträchtigt.
Dies kann minimiert werden durch: gute Bettadhäsion und ein beheiztes Bett. Beides hilft, das Teil zu verankern, wodurch Verwölbung und Spannung auf das Teil reduziert werden.
Teurere 3D-Drucker werden über eine kontrolliertere Druckumgebung verfügen, um die Verzerrung weiter zu verringern. Sie werden beispielsweise auf jedes Filamentmaterial zugeschnittene Einstellungen haben und die Möglichkeit haben, die Feuchtigkeits- und Temperatureinstellungen zu ändern, um das Teil viel langsamer abzukühlen. Dieser langsamere Kühlprozess bedeutet, dass sich das Teil weit weniger verziehen oder zusammenziehen kann. Geschlossene Druckkammern haben in dieser Hinsicht Vorteile.
Support entfernen.
FDM-3D-Drucker verwenden Halterungen – in der Regel aus HIPS oder PVA – für jedes Modell, das mehr als 45 Grad übersteht. Diese können auf zwei Arten entfernt werden. Erstens durch Einweichen des Modells in einer Mischung aus Wasser und Reinigungslösung (wenn das Trägermaterial löslich ist). Die andere Möglichkeit besteht darin, die Träger einfach mit den Händen abzubrechen, wobei allerdings die Gefahr besteht, dass der Druck dadurch beschädigt wird.
Sie können den Druck auch abschleifen, um eine glattere Oberfläche zu erhalten oder ihn für ein schöneres Aussehen lackieren.
Im unteren Video sehen Sie ein Beispiel für das Painting eines 3D-Drucks, bei dem YouTuber RCLifeOn ein Modell von Rick & Morty malt, das er mit einem FDM-3D-Drucker ausgedruckt hat:
FDM Materialien und Filamente.
FDM 3D-Drucker verwenden Filamente, bei denen es sich um thermoplastische Kunststoffe handelt, die in Spulen geliefert werden. Die Spule mit dem Filament wird dem FDM-3D-Drucker zugeführt. Diese 3D-Drucker-Filamente sind normalerweise in Größen von 1,75 mm oder 3 mm Durchmesser erhältlich.
PLA: Ein häufig verwendetes Material ist PLA (Polylactic Acid) – ein biologisch abbaubarer Kunststoff, der aus Maisstärke oder einem ähnlichen Gemüse besteht. Ein positiver Aspekt bei der Verwendung von PLA ist, dass es umweltfreundlicher ist, da es sich um einen erneuerbaren Rohstoff handelt, weshalb es auch breite Anwendungen in der Lebensmittelverpackung hat.
Sie können PLA ohne gravierende Änderungen auf einem 3D-Drucker ausdrucken – Sie benötigen kein beheiztes Bett, wie Sie es für den 3D-Druck von ABS benötigen. Es schmilzt auch bei einer niedrigen und sicheren Temperatur, etwa 150°C. Allerdings sind PLA-Drucke im Allgemeinen zerbrechlicher als solche aus ABS.
ABS: Das bei FDM am häufigsten verwendete Material ist ABS. Das ABS-Material ist ein Polymer, das auch in Haushaltsgegenständen wie Lego verwendet wird und beliebt ist, weil es kostengünstig ist, eine gute chemische Beständigkeit bietet und ziemlich stark ist. Wenn Sie mit ABS drucken, müssen Sie es auf seinen Schmelzpunkt – etwa 200°C – erhitzen, eine relativ sichere und niedrige Temperatur im Vergleich zu einigen zäheren Filamenten, die jedoch höher als PLA sind.
Zum Drucken mit ABS benötigen Sie jedoch einen FDM-3D-Drucker mit einem beheizten Bett, da sich Ihr Druck sonst erheblich verziehen kann.
Weitere Materialien, die Sie verwenden können, sind PC (Polycarbonat), PEI, TPU, PEEK und viele andere Filamente für spezielle Arten des FDM-3D-Drucks.
Basispolymer-Filamente wie ABS und PLA sind am billigsten, in der Regel um 25 Dollar pro Kilo. Teure, hochwertige Filamente wie PEEK können jedoch viel mehr kosten, bis zu 500 Dollar pro Kilo.
Trägermaterialien können entweder aus demselben Material wie beim 3D-Druck oder aus PPSF, PVA oder HIPS hergestellt werden. Wenn Sie einen 3D-Drucker mit zwei Extrudern verwenden, kann der andere Extruder gleichzeitig Träger in diesen anderen Materialien drucken. Alle Bereiche, die zuvor von entfernten Trägern bedeckt waren, haben ein deutlich glatteres Finish als die nicht bedeckten Bereiche.
Preise von FDM-Druckern.
FDM ist die erschwinglichste 3D-Drucktechnologie und damit ideal für Anfänger und Hobbyanwender. Aus diesem Grund ist es die am häufigsten verwendete 3D-Drucktechnologie.
FDM-3D-Drucker können mit etwa $200 bis $300 für einfache 3D-Drucker wie den Creality CR-10 oder Da Vinci Mini von XYZprinting beginnen. RepRap 3D-Drucker-Kits beginnen etwa zu diesem Preis, wobei ein Prusa 3D-Drucker knapp 1.000 $ kostet. Selbstbau-3D-Drucker-Kits wie der Creality Ender 3 bieten eine gute Mischung aus Qualität und niedrigen Kosten.
FDM-3D-Drucker im mittleren Preissegment können zwischen 2.000 und 3.000 Dollar kosten. Dazu gehören 3D-Drucker von Marken wie Makerbot, Ultimaker und Zortrax. Sie sind professioneller und qualitativ hochwertiger, kosten aber auch mehr.
Professionelle FDM-3D-Drucker wie die von Stratasys kosten weitaus mehr, sie liegen zwischen 10.000 und 300.000 Dollar. Diese Drucker drucken in viel besserer Qualität (Genauigkeit >50 Mikrometer) schneller, kosten aber infolgedessen viel mehr.
Leistung von 3D-Druckern.
Obwohl erschwinglich, zugänglich und einfach zu bedienen, fehlen FDM / FFF 3D-Drucker in einigen Bereichen. Erstens sind sie langsam. Da sie jede Schicht langsam nachzeichnen, können größere Drucke in der Größe einer Vase 12 Stunden dauern. Wenn Sie einen schnellen 3D-Druck wünschen, sind Sie mit SLA oder SLS oder sogar mit der CLIP-Technologie von Carbon 3D für den Hochgeschwindigkeitsdruck viel besser dran.
Außerdem ist die Druckqualität angemessen, aber nicht großartig. Obwohl die besten FDM-3D-Drucker eine Genauigkeit von bis zu 50 Mikrometern haben, ist dies nicht ideal, und manchmal kann man die Schichten auf einem Modell noch sehen. 3D-Drucktechnologien wie SLA und Binder Jetting sind für den hochwertigen Druck besser geeignet, da sie insgesamt eine höhere Präzision und Qualität bieten.
Anwendungen von FDM.
FDM eignet sich hervorragend für das Rapid Prototyping, da es billige Kopien von Designs herstellen kann. Daher ist dies die Hauptanwendung von FDM, obwohl es auch in der Luft- und Raumfahrt, der Medizin und im Kunstsektor Verwendung findet.
Bekannte Unternehmen wie BMW, Hyundai und Nestle sind dafür bekannt, FDM in ihren Prozessen einzusetzen. Dabei handelt es sich um eine schnelle Prototyperstellung, um schnell Protypen zu erstellen und deren Wirksamkeit zu messen.
Darüber hinaus gibt es einige fantastische Einzelpersonen und Unternehmen, die FDM verwenden, um preiswerte 3D-Druckprothesen für Bedürftige zu erstellen.
Über industrielle Anwendungen hinaus ist FDM die erste Wahl für die meisten Hersteller, die gerne an Modellen basteln und diese zu Hause ausdrucken. Wenn Sie einen billigen 3D-Drucker zum Ausprobieren suchen, sollten Sie unbedingt mit dem Fused Deposition Modeling beginnen.
Vor- und Nachteile von FDM.
FDM-Vorteile.
- FDM ist eine preiswerte und zugängliche 3D-Technologie. Dadurch ist sie perfekt für Anfänger im 3D-Druck geeignet. Es ist auch die am häufigsten verwendete Rapid-Prototyping-Technologie, da sie leicht zugänglich ist.
- Die Technologie ist einfach zu bedienen und die Drucker sind oft benutzerfreundlich. Das liegt daran, dass FDM meist eher ein Verbraucher- als ein industrielles Verfahren ist, weshalb versucht wird, die 3D-Drucker einfach zu bedienen.
FDM-Nachteile.
- Die Druckqualität von FDM / FFF 3D-Ausdrucken ist nicht so gut wie die von SLA oder SLS.
- Das 3D-Drucken mit FDM ist langsam. Dies macht ihn in einigen Branchen unbrauchbar, wenn schnell eine große Anzahl von Teilen benötigt wird.
- Der Schicht-für-Schicht-Druck in FDM kann manchmal zu Problemen mit Verwölbung und geringer Schrumpfung führen.
Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass FDM aufgrund seiner Einfachheit und der günstigen Kosten eine großartige 3D-Druckoption für Anfänger ist. Für Benutzer, die eine große Anzahl von Modellen schnell und in sehr hoher Qualität drucken möchten, sind Sie jedoch anderswo besser aufgehoben.