Fused Deposition Modeling

Fused Deposition Modeling, kurz FDM, ist die Technik, die der breiten Öffentlichkeit am bekanntesten ist. Wenn Menschen an einen 3D-Drucker denken, stellen sie sich oft eine Maschine vor, die einen Kunststoffdraht schmilzt und Schichten übereinanderlegt. Genau das ist FDM. Es ist die zugänglichste, aber auch eine der vielseitigsten Methoden, um Objekte herzustellen.

Ursprünglich war diese Technologie patentiert und nur für große Unternehmen verfügbar, doch heute steht in manchem Wohnzimmer, in Werkstätten und Designstudios ein FDM-Drucker. Die Stärke dieser Technik liegt in der Einfachheit des Prozesses und der enormen Auswahl an verfügbaren Materialien.

Wie funktioniert FDM genau?

Das Grundprinzip von FDM lässt sich mit einer sehr präzisen, automatisierten Heißklebepistole vergleichen. Der Prozess beginnt mit einer Rolle Kunststoffdraht, dem Filament. Ein Motor schiebt dieses Filament durch einen beheizten Druckkopf, die sogenannte Düse. In diesem Druckkopf wird der Kunststoff gerade so weit erhitzt, dass er schmilzt und flüssig wird.

Der Drucker bewegt den Druckkopf anschließend entlang einer programmierten Route über das Druckbett. Während sich der Kopf bewegt, wird der geschmolzene Kunststoff auf die Bauplatte gedrückt. Da die Platte oder der Lüfter am Druckkopf kühler ist als der geschmolzene Kunststoff, erstarrt das Material nahezu sofort. Sobald eine vollständige Schicht gezeichnet wurde, senkt sich das Druckbett um einen Bruchteil eines Millimeters nach unten (oder der Kopf fährt nach oben), und der Prozess beginnt für die nächste Schicht erneut. So wächst das Objekt langsam aus dem Nichts nach oben.

Der Aufbau des Druckers: kartesisch vs. CoreXY

Nicht alle FDM-Drucker sehen gleich aus oder bewegen sich auf dieselbe Weise. Die Art und Weise, wie sich Druckkopf und Bett bewegen, beeinflusst die Geschwindigkeit und die Qualität Ihres Drucks.

• Kartesische Drucker: Dies ist der am häufigsten vorkommende Typ. Dabei bewegt sich das Druckbett nach vorne und hinten, während sich der Druckkopf von links nach rechts und nach oben bewegt. Das sind oft robuste und erschwingliche Maschinen. Der Nachteil ist, dass das Druckbett mit dem schweren Modell darauf hin- und herbewegt werden muss. Bei hohen Geschwindigkeiten kann dies zu Vibrationen im Druck führen.
• CoreXY-Drucker: Bei diesen Druckern bleibt das Bett stehen und senkt sich nur langsam nach unten. Der Druckkopf übernimmt die gesamte schnelle Bewegung in den horizontalen Richtungen. Da das schwere Modell nicht hin- und hergeschüttelt wird, können diese Drucker oft viel schneller und präziser drucken. Das sieht man häufig bei professionelleren Maschinen.
• Delta-Drucker: Diese fallen durch ihre drei langen Arme auf. Sie sind auf Geschwindigkeit ausgelegt und eignen sich besonders gut zum Drucken hoher Objekte. Sie sind jedoch etwas komplexer korrekt einzustellen.

Filamentzufuhr: Bowden oder Direct Drive?

Ein wichtiges technisches Detail ist die Position des Motors, der das Filament fördert. Das bestimmt nämlich zu einem großen Teil, welche Materialien Sie gut drucken können.

Bei einem Bowden-System ist der Motor am Rahmen des Druckers befestigt, und das Filament wird über einen langen Schlauch zum Druckkopf geschoben. Das macht den Druckkopf leicht und schnell, erschwert aber das Drucken flexibler Materialien. Es ist, als würde man versuchen, eine Schnur durch einen Strohhalm zu schieben; sie staut sich auf.

Bei einem Direct-Drive-System sitzt der Motor direkt auf dem Druckkopf. Der Motor zieht das Filament unmittelbar in die Düse. Das bietet deutlich mehr Kontrolle und Kraft. Dadurch können Sie auch weiche, gummiartige Materialien (wie TPU) problemlos drucken. Der Nachteil ist, dass der Druckkopf schwerer ist, wodurch man sich manchmal etwas langsamer bewegen kann.

Materialwahl: Von Kunststoff bis zu Metallersatzstoffen

Der größte Vorteil von FDM ist die enorme Bibliothek an Materialien. Für jede Anwendung gibt es ein spezielles Filament.

• PLA: Das Standardmaterial für Einsteiger. Es wird aus Stärke hergestellt, riecht beim Drucken nicht und verzieht sich nicht. Es ist hart, hält Hitze aber nicht gut stand (verformt sich in einem heißen Auto).
• PETG: Das Beste aus zwei Welten. Es lässt sich fast so einfach drucken wie PLA, ist aber viel stärker und beständiger gegen Wärme und UV-Licht. Das ist der Standard für funktionale Teile.
• ABS und ASA: Klassische industrielle Kunststoffe. Sie sind sehr hitzebeständig und robust. Der Nachteil ist, dass sie beim Abkühlen schrumpfen, wodurch sie sich schnell von der Bauplatte lösen (Warping). Sie benötigen einen geschlossenen Drucker, um damit zu arbeiten.
• Flexible Materialien (TPU): Gummiartige Materialien, die Sie für Reifen, Dichtungen oder Stoßdämpfer verwenden können. Sie sind unzerbrechlich und elastisch.
• Verbundwerkstoffe: Kunststoffe, die mit Stückchen Kohlefaser (Carbon) oder Glasfaser verstärkt sind. Diese Materialien sind extrem steif und stark und für stark belastete Teile gedacht.

Die Schwachstelle: Schichten und Festigkeit

Es gibt einen wichtigen Nachteil von FDM, den Sie als Designer berücksichtigen müssen. Da das Objekt aus Schichten aufgebaut ist, ist es nicht in alle Richtungen gleich stark. Man kann es mit Holz vergleichen, das eine Maserung hat. In Richtung der Linien ist das Material sehr stark, aber wenn man Kraft zwischen den Schichten ausübt, kann es spalten.

Dieses Phänomen nennt man Anisotropie. Ein Haken, der aufrecht gedruckt ist, kann leicht abbrechen, wenn man Gewicht daran hängt. Druckt man denselben Haken flach auf der Seite, verlaufen die Linien mit der Kurve mit und er ist um ein Vielfaches stärker. Beim Vorbereiten Ihres Drucks (Slicen) müssen Sie also immer gut darüber nachdenken, wie das Bauteil belastet werden soll.

Stützstrukturen und komplexe Formen

Ein 3D-Drucker kann nicht in die Luft drucken. Wenn Sie ein Modell mit auskragenden Teilen haben, wie die Arme einer Figur oder das Dach eines kleinen Hauses, muss etwas darunter sein, um den Kunststoff aufzufangen. Das nennt man Stützmaterial.

Standarddrucker drucken diese Stützpfeiler aus demselben Material wie das Modell. Nach dem Drucken brechen Sie diese ab. Das hinterlässt oft einige unschöne Stellen. Fortgeschrittene Drucker haben zwei Druckköpfe. Der eine druckt das Modell, der andere druckt die Supports aus einem speziellen löslichen Material (wie PVA). Nach dem Drucken legen Sie das Modell in einen Behälter mit Wasser und die Supports lösen sich von selbst auf. Damit können Sie unglaublich komplexe Formen herstellen, die mit keiner anderen Technik möglich sind.

Wann wählen Sie FDM?

FDM ist die ideale Wahl, wenn Sie funktionale, stabile Teile benötigen, ohne ein Vermögen zu bezahlen. Es eignet sich perfekt für Prototypen, die funktionieren müssen, Gehäuse für Elektronik, Werkzeughalter und Ersatzteile. Suchen Sie jedoch extreme Details, zum Beispiel für Miniaturfiguren oder Schmuck? Dann ist eine andere Technik wie SLA wahrscheinlich die bessere Wahl, da FDM immer sichtbare Linien auf der Oberfläche hinterlässt.