Fused Deposition Modeling (FDM®) ist eines der bekanntesten additiven Fertigungsverfahren. Seinen Erfolg verdankt es vor allem der vermeintlich simplen Prozesstechnologie. So zählen FDM-3D-Drucker zu den beliebtesten Modellen unter den 3D-Druckern für den Schreibtisch.

Sie finden sich mittlerweile in so gut wie jeder Hobbywerkstatt wie auch in der Maker-Szene. Der FDM-3D-Druck ist als additives Fertigungsverfahren neben der Stereolithografie und dem Selektiven Laser-Sintering (SLS) auch eine der ältesten bestehenden 3D-Druck-Technologien. Mittels Fused Deposition Modeling lassen sich technische Kunststoffe, aber auch Komposite – also plastische Verbundwerkstoffe – und weitere Spezialmaterialien verarbeiten. Das Nutzungsspektrum von FDM-gedruckten Bauteilen reicht von industriellen Anwendungen in der Automobil-, Luft- oder Raumfahrtbranche bis hin zu den Sparten Lebensmittel und Medizin.

Was ist Fused Deposition Modeling (FDM)?

Fused Deposition Modeling (FDM) ist ein additives Fertigungsverfahren für die kostengünstige Herstellung von Prototypen, hauptsächlich aus Kunststoffen wie bspw. ABS, PEI oder PC. Die Basis des FDM-3D-Drucks stellt das sogenannte Filament dar. Dabei handelt es sich um Kunststofffasern, die auf einer Rolle aufgerollt sind. Während des Fused Deposition Modelings wird dieses Filament durch eine Düse, auch Extruder genannt, verdruckt. Das Filament wird dabei innerhalb des Extruders aufgeschmolzen, sodass sich dieser dünne Streifen des Materials auf einer Bauplattform ablegen kann. Hat der Extruder eine Schicht Filament erfolgreich extrudiert, senkt sich die Bauplattform um eine Schichtstärke, und eine neue Lage des Filaments kann aufgetragen werden. Dieser Prozess wiederholt sich so lange, bis das gewünschte Objekt fertiggestellt ist.

Woher stammt die FDM-Technologie?

Die Anfänge des FDM-3D-Drucks gehen auf die späten 1980er Jahre zurück. Damals unternahm der Amerikaner Scott Crump erste Versuche mit einer Mischung aus Wachs und Kunststoff. Das Gemisch extrudierte er aus einer Heißklebepistole, um ein Spielzeug für seine Tochter herzustellen. Das Spielzeug wurde dieser Bezeichnung zwar nicht besonders gerecht, doch Crump erkannte das Potenzial hinter der Methode und begann, an ihrer Automatisierung zu arbeiten. Er montierte die Heißklebepistole an einer Apparatur, die sich in alle drei Richtungsdimensionen – X, Y und Z – bewegen konnte. Im Jahr 1989 reichte er das erste Patent für diese Technologie ein, die später unter dem Namen Fused Deposition Modeling auf der ganzen Welt bekannt werden sollte. Kurz nach der Bewilligung seines Patents gründete er die Firma Stratasys, die bis heute zu den weltweit führenden Unternehmen für additive Fertigung zählt.

Welche Vorteile bringt FDM für den 3D-Druck?

Die größten Vorteile des FDM-3D-Drucks liegen in der Einfachheit des Prozesses und den kostengünstigen Materialien. Die Verarbeitung von Kunststoffen mit Hilfe eines Extruders ist im Vergleich zu laser- oder UV-Licht-basierten Prozesstechnologien verhältnismäßig leicht aufzubauen. So sind FDM-3D-Drucker deutlich kostengünstiger als alternative additive Fertigungstechnologien und finden auch im Heimgebrauch als Desktop-Printer breite Anwendung, da weder Laser noch Chemikalien zum Aushärten der Bauteile erforderlich sind. Das Materialportfolio für das FDM-Verfahren bietet eine breite Auswahl an verschiedenen Filament-Kunststoffen wie bspw. Polylactide (PLA), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polycarbonate (PC) und Polyphenylsulfon (PPSF).

In den vier Jahrzehnten seit der Erfindung des FDM-Verfahrens wurden diese Materialien ebenso weiterentwickelt wie die Prozesstechnologie selber. Somit sind die kostengünstig verfügbaren Filamente bereits für den 3D-Druck optimiert. Anders als andere 3D-Drucktechnologien kann das FDM-Verfahren während des Druckens unterbrochen werden, um andere Werkstoffe wie zum Beispiel Metalle in das Bauteil miteinzuarbeiten.

Welche Materialien können mit FDM gedruckt werden?

Die gängigsten Materialien für den FDM-3D-Druck sind verschiedene Kunststoffe – von festen, stabilen Kunststoffen wie ABS oder PLA bis hin zu flexiblen Werkstoffen wie TPE. Neben Kunststoffen sind auch Metalle, Keramiken und Harze mittels FDM druckbar. In der Bauindustrie etabliert sich vermehrt ein auf FDM basiertes Verfahren, bei dem mittels eines Extruders Beton verdruckt wird. Damit lassen sich ganze Häuser in nur wenigen Tagen in 3D drucken. Darüber hinaus können mit dem FDM-Verfahren auch Wachs verarbeitet und Modelle für den Metall-Feinguss 3D-gedruckt werden. In eher experimentellen Studien wurden auch schon Lebensmittel bis hin zu organischem Gewebematerial mittels FDM verdruckt.

Welche Varianten des FDM-3D-Drucks gibt es?

Zu den gängigsten Varianten der FDM-3D-Drucker gehören die kartesischen Drucker. Bei diesen Druckern werden die X-, Y- und Z-Achse jeweils von einem eigenen Motor angesteuert. Üblicherweise wird bei solchen Modellen die Y-Achse über eine bewegliche Bauplattform abgebildet. Die X-Achse entspricht einem Schlitten, an dem der Extruderkopf befestigt ist, und die Z-Achse wird über Zahnriemen oder Gewindespindeln gesteuert. Diese kartesischen Modelle lassen sich besonders leicht aufbauen und warten, können bei größeren Bauhöhen aber unpräzise werden.

Eine weitere Variante ist eine Sonderform der kartesischen Drucker. Sogenannte CoreXY-Drucker haben statt einer beweglichen Bauplattform den Extruder über zwei Achsen in X und Y positioniert. So kann die Druckgeschwindigkeit erhöht werden, bei gleichzeitig reduzierten Vibrationen.

Eine letzte nennenswerte Variante sind sogenannte Delta-FDM-Drucker. Bei diesen wird der Extruder über drei vertikale Holmen gesteuert, die sich über einen Schienen- oder Zahnriemensystem bewegen. Der Extruder hängt frei über der statischen Bauplattform und baut in einem virtuellen zylinderförmigen Bauraum die Bauteile auf. Mit dieser Druckervariante lassen sich sehr große Bauräume in hoher Geschwindigkeit und mit hoher Präzision ausfüllen.

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