Druckverfahren

FDM (Fused Deposition Modeling): Funktionsweise, Anwendung und Bewertung

Fused Deposition Modeling (FDM), auch bekannt als Fused Filament Fabrication (FFF), ist ein weit verbreitetes additives Fertigungsverfahren, das im 3D-Druck für seine Zugänglichkeit und Vielseitigkeit geschätzt wird. Es ist das bekannteste Verfahren im Consumer-Bereich, findet aber auch zunehmend Anwendung in industriellen Prototypenbau und der Kleinserienfertigung.

Funktionsweise

Das FDM-Verfahren basiert auf dem schichtweisen Aufbau eines Objekts durch das Extrudieren von thermoplastischem Material. Der Prozess beginnt mit einem Filament, einem Kunststoffdraht, der von einer Rolle durch eine beheizte Düse geführt wird. Die Düse erhitzt das Material über seinen Schmelzpunkt hinaus, wodurch es extrudierbar wird. Anschließend wird das geschmolzene Filament präzise auf einer Bauplattform oder auf die bereits gedruckte Schicht aufgetragen. Nach dem Austritt aus der Düse kühlt das Material schnell ab und verfestigt sich, wodurch es mit der darunterliegenden Schicht verschmilzt. Dieser Vorgang wird Schicht für Schicht wiederholt, bis das vollständige 3D-Modell entstanden ist. Bei komplexen Geometrien oder Überhängen werden oft Stützstrukturen aus einem separaten, löslichen oder leicht entfernbaren Material gedruckt, die nach dem Druckprozess entfernt werden.

Durchführung des Druckprozesses

Die Durchführung eines FDM-Drucks umfasst mehrere Schritte:

1. Modellerstellung: Zunächst wird ein 3D-Modell in einer CAD-Software (Computer-Aided Design) erstellt oder ein bestehendes Modell heruntergeladen.
2. Slicing: Das 3D-Modell wird anschließend in einer "Slicer-Software" importiert. Diese Software zerlegt das Modell in einzelne, horizontale Schichten (Slices) und generiert den G-Code. Der G-Code enthält alle Anweisungen für den 3D-Drucker, wie z.B. die Extrusionspfade, die Druckgeschwindigkeit, die Temperatur der Düse und des Heizbetts sowie die Bewegungen des Druckkopfes.
3. Druckvorbereitung: Das gewählte Filament wird in den Drucker geladen und die Druckparameter (Temperaturen, Geschwindigkeiten etc.) werden am Drucker eingestellt oder über die Software übertragen. Die Bauplattform wird oft gereinigt und gegebenenfalls mit einer Haftschicht (z.B. Klebstoff, Haarspray oder speziellen Folien) versehen, um die Adhäsion der ersten Schicht zu verbessern.
4. Druck: Der 3D-Drucker beginnt mit dem schichtweisen Aufbau des Objekts gemäß dem G-Code.
5. Nachbearbeitung: Nach Abschluss des Drucks wird das gedruckte Objekt von der Bauplattform entfernt. Eventuell vorhandene Stützstrukturen werden manuell oder chemisch entfernt. Je nach Anforderung kann das Bauteil weiter nachbearbeitet werden, z.B. durch Schleifen, Polieren oder Lackieren.

Allgemeine Informationen

FDM-Drucker sind für ihre relativ geringen Anschaffungs- und Betriebskosten bekannt. Eine breite Palette an thermoplastischen Kunststoffen ist als Filament verfügbar, darunter PLA (Polylactide), ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol), PETG (Polyethylenterephthalat-Glykol), Nylon, flexible Materialien wie TPU (Thermoplastisches Polyurethan) und sogar mit Fasern verstärkte Filamente (z.B. Carbonfaser-verstärktes PLA). Die Druckqualität kann je nach Drucker, Material und Einstellungen variieren, wobei Schichthöhen von unter 0,1 mm bis zu über 0,3 mm üblich sind.

Vorteile

• Kosteneffizienz: Relativ geringe Anschaffungs- und Materialkosten machen FDM zugänglich für Hobbyisten, Bildungseinrichtungen und kleine Unternehmen.
• Breite Materialauswahl: Eine Vielzahl von thermoplastischen Filamenten mit unterschiedlichen mechanischen und ästhetischen Eigenschaften ist verfügbar.
• Benutzerfreundlichkeit: FDM-Drucker sind in der Regel einfacher zu bedienen und zu warten als andere 3D-Druckverfahren.
• Sicherheit: Die meisten FDM-Drucker arbeiten mit geringen Emissionen und sind für den Einsatz in Büroumgebungen geeignet.
• Große Bauvolumen: Einige FDM-Drucker ermöglichen den Druck relativ großer Objekte.

Nachteile

• Schichtlinien: Die geschichtete Natur des FDM-Verfahrens führt zu sichtbaren Schichtlinien auf der Oberfläche des gedruckten Objekts, die eine Nachbearbeitung erfordern können.
• Anisotropie: Die mechanischen Eigenschaften des gedruckten Objekts können richtungsabhängig sein, d.h. die Festigkeit ist in Z-Richtung (vertikal) oft geringer als in X-Y-Richtung (horizontal).
• Genauigkeit und Oberflächengüte: FDM erreicht im Vergleich zu Verfahren wie SLA oder DLP eine geringere Detailgenauigkeit und Oberflächengüte.
• Warping und Adhäsionsprobleme: Insbesondere bei Materialien wie ABS kann es zu Warping (Verzug) kommen, wenn die Kühlung ungleichmäßig ist, und die Haftung der ersten Schicht auf dem Druckbett kann eine Herausforderung sein.
• Stützstrukturen: Für komplexe Geometrien sind oft Stützstrukturen erforderlich, deren Entfernung zeitaufwendig sein kann und die Oberflächenqualität beeinträchtigen können.

Trotz dieser Nachteile bleibt FDM ein überaus relevantes und sich stetig entwickelndes 3D-Druckverfahren, das eine kostengünstige und flexible Lösung für eine Vielzahl von Anwendungen bietet, von Rapid Prototyping bis zur Herstellung funktionaler Teile.

SLA (Stereolithographie): Präzision und Detailreichtum im 3D-Druck

Die Stereolithographie (SLA) ist ein bahnbrechendes additives Fertigungsverfahren, das 1986 von Chuck Hull patentiert wurde und damit die Grundlage für den modernen 3D-Druck legte. Es zeichnet sich durch die Fähigkeit aus, hochpräzise und detailreiche Objekte mit sehr glatten Oberflächen zu fertigen, was es zu einem bevorzugten Verfahren für Anwendungen macht, bei denen Ästhetik und Genauigkeit im Vordergrund stehen.

Funktionsweise

Das SLA-Verfahren basiert auf der selektiven Aushärtung eines flüssigen, lichtempfindlichen Kunstharzes (Photopolymer) mittels einer ultravioletten (UV) Lichtquelle, typischerweise eines Lasers oder eines digitalen Lichtprojektors (DLP oder LCD). Der Prozess läuft schichtweise ab:

1. Harzbad: Ein Behälter ist mit flüssigem Photopolymerharz gefüllt.
2. Belichtung: Eine Bauplattform taucht in das Harz ein, sodass eine dünne Schicht Harz auf ihrer Oberfläche verbleibt. Ein UV-Laser oder Projektor "zeichnet" nun die erste Schicht des 3D-Modells auf diese Harzschicht. Das UV-Licht initiiert eine Polymerisationsreaktion, wodurch das Harz an den belichteten Stellen aushärtet und fest wird.
3. Schichtaufbau: Nach dem Aushärten der ersten Schicht bewegt sich die Bauplattform um eine Schichthöhe (typischerweise zwischen 0,025 mm und 0,1 mm) nach unten, sodass eine neue, unpolymerisierte Harzschicht über der bereits ausgehärteten Schicht entsteht.
4. Wiederholung: Dieser Prozess wird Schicht für Schicht wiederholt, bis das gesamte 3D-Modell vollständig aufgebaut ist. Das Objekt entsteht dabei "kopfüber" aus dem Harzbad.

Für überhängende Strukturen oder komplexere Geometrien sind – ähnlich wie beim FDM-Verfahren – Stützstrukturen erforderlich. Diese werden ebenfalls aus dem gleichen Harz gedruckt und nach dem Druckprozess entfernt.

Durchführung des Druckprozesses

Die Erstellung eines SLA-Drucks erfordert mehrere sorgfältige Schritte:

1. Modellerstellung und Slicing: Wie bei anderen 3D-Druckverfahren wird zunächst ein 3D-Modell in einer CAD-Software erstellt. Dieses Modell wird dann in einer Slicer-Software in einzelne Schichten zerlegt, die Druckparameter definiert und gegebenenfalls Stützstrukturen generiert.
2. Druckvorbereitung: Das Photopolymerharz wird in den Harzbehälter des Druckers gefüllt. Die Bauplattform wird sauber und korrekt ausgerichtet.
3. Druck: Der Druckprozess beginnt, wobei der Laser/Projektor das Harz Schicht für Schicht aushärtet und die Bauplattform kontinuierlich absinkt.
4. Waschen: Nach dem Druck wird das fertiggestellte Bauteil aus dem Harzbad entnommen und von der Bauplattform gelöst. Überschüssiges, nicht ausgehärtetes Harz muss sorgfältig von der Oberfläche des Bauteils abgewaschen werden. Dies geschieht in der Regel mit Isopropylalkohol (IPA).
5. Nachhärten (Post-Curing): Um die mechanischen Eigenschaften (Festigkeit, Härte) des Bauteils zu verbessern und eine vollständige Polymerisation zu gewährleisten, wird es in einer speziellen UV-Härtekammer oder unter direkter Sonneneinstrahlung nachgehärtet. Dieser Schritt ist für die endgültige Bauteilqualität entscheidend.
6. Entfernung der Stützstrukturen und Endbearbeitung: Die Stützstrukturen werden vorsichtig entfernt, oft durch Brechen oder Schneiden. Anschließend kann das Bauteil geschliffen, poliert oder lackiert werden, um eine noch höhere Oberflächengüte zu erzielen.

Allgemeine Informationen

SLA-Drucker sind in verschiedenen Größen erhältlich, von Desktop-Geräten für Hobbyisten und kleine Büros bis hin zu großen industriellen Systemen. Die verfügbaren Harze bieten eine breite Palette an Eigenschaften, darunter transparente, flexible, zähe, hitzebeständige oder biokompatible Materialien. Die Schichthöhen können extrem gering sein, was zu einer herausragenden Detailauflösung führt.

Vorteile

• Hohe Präzision und Detailgenauigkeit: SLA liefert extrem genaue und hochauflösende Teile mit sehr feinen Details.
• Glatte Oberflächen: Die gedruckten Teile weisen eine außergewöhnlich glatte Oberflächengüte auf, die oft mit spritzgegossenen Teilen vergleichbar ist und nur minimale Nachbearbeitung erfordert.
• Wasserdichtigkeit: SLA-gedruckte Teile sind in der Regel vollständig dicht und können für Flüssigkeitsanwendungen genutzt werden.
• Isotropie: Im Gegensatz zu FDM sind SLA-Teile tendenziell isotroper, d.h., ihre mechanischen Eigenschaften sind in allen Richtungen gleichmäßiger.
• Vielseitigkeit der Materialien: Eine wachsende Auswahl an Photopolymerharzen ermöglicht die Simulation verschiedener Materialeigenschaften (z.B. ABS-ähnlich, PP-ähnlich, Gummi-ähnlich).

Nachteile

• Materialkosten: Photopolymerharze sind in der Regel teurer als FDM-Filamente.
• Nachbearbeitung: Der Post-Processing-Aufwand (Waschen, Nachhärten, Entfernen der Stützen) ist im Vergleich zu FDM höher und erfordert den Umgang mit Chemikalien.
• Materialhandhabung und -entsorgung: Flüssiges Harz kann unordentlich sein und erfordert einen sorgfältigen Umgang sowie eine korrekte Entsorgung von Restmaterialien und verunreinigtem IPA.
• UV-Empfindlichkeit: Die gedruckten Teile können bei längerer UV-Exposition (z.B. Sonnenlicht) nachhärten oder sich verfärben, was ihre Lebensdauer und ästhetische Integrität beeinflussen kann.
• Sprödere Materialien: Viele Standard-SLA-Harze neigen dazu, spröder zu sein als die Thermoplaste, die im FDM verwendet werden, was sie für Anwendungen mit hohen mechanischen Belastungen weniger geeignet macht, es sei denn, es werden spezielle, zähe Harze verwendet.
• Begrenztes Bauvolumen: SLA-Drucker haben oft kleinere Bauvolumina als FDM-Drucker, insbesondere im Consumer-Segment.

Insgesamt ist SLA ein leistungsstarkes Verfahren für die Herstellung von Prototypen, Konzeptmodellen, Formen, Anschauungsmodellen und funktionalen Kleinserienteilen, bei denen hohe Detailgenauigkeit und Oberflächenqualität entscheidend sind.