Fused Deposition Modeling – FDM im Überblick

Das FDM-Verfahren verwendet Kunststoffmaterial, das in Drahtform auf Rollen vorliegt und über einen Maschinenkopf gezogen und dabei zum Schmelzen gebracht wird. Diese im Endstadium sehr stabilen Thermoplaste können in der geschmolzenen Form über eine Düse extrudiert werden und entsprechend den vorliegenden Daten auf die Bauplattform noch flüssig aufgebracht werden, wo dieses Material sofort erstarrt und sich durch den thermischen Schmelzvorgang verbindet.

Daher wird dieses Verfahren auch mit „Schmelzschichtung“ sinngemäß übersetzt. Man kann es sich sehr vereinfacht in etwa so vorstellen wie eine dauernd laufende und geführte Heißklebepistole, die in feinen Schichten das Model mit verflüssigtem Kunststoff aufbaut.

Das Verfahren wurde von Scott Crump entwickelt und die Maschinen werden seit 1991 verkauft. Die Firma Stratasys ist Marktführer und hat die Maschinen stetig weiterentwickelt.

Von der Datei zum fertigen Teil

In der Regel werden STL-Daten für den Bau von FDM-Teilen benötigt. Diese werden in die zum System gehörende Software umgewandelt, bei Stratasys heißt diese beispielsweise Insight.

Zweck dieser Software ist es, das Bauteil optimal auf der Plattform in der richtigen Lage zu positionieren, programmintern wird das Teil in mathematisch berechnete Schichten zerlegt, ähnlich wie bei anderen additiven Verfahren wird dies als „Slicen“ bezeichnet. Die Berechnung eventuell benötigter Stützkonstruktionen erfolgt automatisch.

Nach Übertragung der so gewonnenen Daten an die FDM-Anlage wird wie bereits erläutert das auf nachladbaren Spulen vorhandene Grundmaterial aus verschiedenen Thermoplasten in Fertigungsqualität wie z.B. ABS, PC ( Polycarbonat ), PA ( Nylon ) und anderen über eine Düse geschmolzen und aufgetragen.

Mittlerweile existiert eine große Farbauswahl und je nach Materialwahl können die Teile sogar biokompatibel, gammasterilisierbar, kunststoffleitfähig oder auch chemikalienbeständig und flammwidrig (für die Luftfahrtindustrie geeignet), wasser/luftdicht oder auch sehr hitzebeständig sein sowie besondere mechanische Eigenschaften aufweisen, z.B. sehr bruch- und schlagbeständig sein.

Das geschmolzene Material erkaltet, verbindet sich mit der vorherigen Schicht und durch Absenken der Bauplattform wird somit schichtweise das Modell erzeugt. Die meisten Stützkonstruktionen sind wasserlöslich und somit leicht zu entfernen. Ohne große Nachbearbeitung kann das FDM-Teil direkt als Endprodukt oder auch als Anschauungs- bzw. Funktionsmodell eingesetzt werden.

Vor- & Nachteile des FDM Verfahrens

Vorteile

Die Formstabilität, Genauigkeit und Haltbarkeit der fertigen Teile auch bei größeren Baugrößen lässt auch einen Einsatz als Endprodukt zu, gerade auch bei Kleinserien.

Jedoch können auch Vorrichtungen, Montagehilfen sowie Teile von Werkzeugen sowie Hilfswerkzeuge in diesem Verfahren gebaut werden.Durch eine in dieser Technologie hervorragend darstellbare interne Wabenstruktur können auch Leichtbauteile schnell erzeugt und auf ihre Einsetzbarkeit hin geprüft werden.

Die bereits erwähnte große Auswahl an Originalkunststoffen mit besonderen Eigenschaften ermöglicht auch spezielle Einsatzgebiete unter anderem in innovativen Bereichen wir Medizintechnik, Luft- und Raumfahrt oder auch für lebensmittelverträgliche bzw. biokompatible Anwendungsbereiche.

Da eine spezielle Raumbelüftung durch den emissionsfreien Fertigungsvorgang nicht notwendig ist sowie eine zwingende Klimatisierung ebenfalls nicht zwingend erforderlich ist, kann diese Technologie auch in einer ganz normalen Büro- und Fertigungsumgebung angewendet werden.

Auch das Material kann im Ausgangszustand oder auch nach der Schmelze als gewöhnlicher Hausmüll entsorgt werden. Die Materialien sind nicht toxisch, von der Arbeitssicherheit her unkritisch und auch beim Transport in aller Regel nicht als Gefahrgut eingestuft, im Gegensatz zu sehr vielen Grundmaterialien anderer additiver Verfahren.

Die leichte Bedienbarkeit ohne unbedingt erforderliche Vor- und Spezialkenntnisse, der schnelle Materialwechsel sowie leichte Entfernung des Stützmaterials machen dieses Verfahren gerade für reine Designer oder andere Anwender ohne technischen Hintergrund attraktiv, außerdem wird kein qualifiziertes und teures Fachpersonal zum Betrieb der FDM-Anlagen erforderlich und dies senkt dann auch die Betriebskosten und Endpreis der Teile in der Folge.

Das Verfahren ist zudem sehr vielseitig und ermöglicht auch die Fertigung komplexer Baugruppen, auch mit Teilen in beweglicher Ausführung, verschiedenen Druckauflösungen sind möglich sowie das Einbringen von Einlegeteilen beim Teileaufbau.

In der Nachbearbeitung sind durch die sehr guten mechanischen Eigenschaften verschiedene Bearbeitungsverfahren wie Kleben, Bohren, Fräsen, Schleifen und Schneiden von Gewinden möglich. Oberflächenveredelungsverfahren wie Beflockung, Beschriftung mit Laser, Metallisierung, Lackierung, Kaschieren oder Bedrucken sind ebenfalls möglich.

Zu guter Letzt muss auch ein relativ geringer Anschaffungspreis verglichen mit STL/SLS-Verfahren genannt werden der Einstieg ist auf einem weit niedrigerem Niveau möglich.

Nachteile:

Das Verfahren ist nicht für sehr kleine und komplexe Geometrien und Strukturen geeignet. Die Materialkosten sind wie bei allen Verfahren recht hoch und die Teile sind in Baurichtung meist nicht gut belastbar. Die Teile sind nur bedingt zum Replizieren im Vakuumgussverfahren verwendbar.

Typische Anwendungen:

Funktions- und Anschauungs-/Präsentationsmodelle

Vorrichtungen

Formeinsätze z.B. für Sandgussverfahren, Tiefziehen, Umformung von Metall, Messlehren und –vorrichtungen, Blasformenbau

und natürlich in immer stärkerem Maße Endprodukte !