Fused Deposition Modeling (FDM) – Alles über das FDM Verfahren

Wie ist ein FDM Drucker aufgebaut?

Bevor ich auf die Funktionsweise eingehe, stelle ich dir zunächst den Aufbau eines 3D Druckers nach dem Fused Deposition Modeling vor.

Ein 3D Drucker für das FDM Verfahren besteht in der Regel aus folgenden Bauteilen:

• Druckmaterial (Filament) (und Stützmaterial)
• Düse (Nozzle)
• Druckbett/Heizbett
• x-Achse, y-Achse, z-Achse
• Gehäuse
• Hotend

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Das Fused Deposition Modeling – Wie funktioniert es?

Nachdem ich die grundlegenden Bauteile eines FDM-Druckers vorgestellt habe, möchte ich jetzt noch genauer auf den gesamten Druckprozess eingehen – vom fertigen 3D-Modell auf dem Bildschirm bis hin zum fertigen Objekt in der Hand.

Schritt 1:

Das 3D-Modell: Alles beginnt mit einem digitalen 3D-Modell, das du entweder selbst erstellst (z.B. mit Programmen wie TinkerCAD, FreeCAD, Blender) oder aus einer Online-Bibliothek (z.B. Thingiverse, MyMiniFactory) herunterlädst. Diese Modelle liegen meist im STL-Format vor.

Schritt 2:

Slicing – Die Vorbereitung für den Drucker: Das STL-Modell allein kann der Drucker noch nicht verstehen. Hier kommt der sogenannte „Slicer“ ins Spiel. Das ist eine Software (z. B. Cura, PrusaSlicer, Simplify3D), die das 3D-Modell in einzelne, dünne Schichten zerlegt („slicing“) und daraus einen G-Code generiert. Der G-Code ist eine Art „Sprache“, die der Drucker versteht und in der alle Anweisungen für den Druckvorgang enthalten sind (Bewegungen, Temperatur, Geschwindigkeit, etc.).

• Wichtige Slicer-Einstellungen:
  • Schichthöhe: Bestimmt die Dicke jeder einzelnen Schicht. Kleinere Schichthöhen führen zu feineren Details, aber auch längeren Druckzeiten.
  • Druckgeschwindigkeit: Beeinflusst die Druckzeit und die Qualität der Oberfläche.
  • Temperatur (Düse & Bett): Muss passend zum verwendeten Filament gewählt werden.
  • Füllmuster & Fülldichte: Bestimmt die innere Struktur des Objekts. Eine höhere Fülldichte macht das Objekt stabiler, aber auch schwerer und dauert länger zu drucken.
  • Support-Strukturen: Werden für überhängende Teile benötigt, die sonst „in der Luft“ gedruckt würden. Sie werden nach dem Druck entfernt.
  • Brim/Raft: Hilft bei der Haftung der ersten Schicht auf dem Druckbett.

Schritt 3:

Der Druckvorgang: Nachdem der G-Code generiert wurde, wird er auf den Drucker übertragen (z. B. per SD-Karte oder USB-Verbindung). Der Drucker heizt die Düse und das Druckbett auf die im G-Code angegebenen Temperaturen auf. Anschließend beginnt der Druckkopf, das Filament zu schmelzen und Schicht für Schicht auf das Druckbett aufzutragen. Die x-, y- und z-Achsen bewegen den Druckkopf präzise, um die gewünschte Form zu erzeugen.

Es ist beim FDM Verfahren sehr wichtig, dass die erste Schicht perfekt haftet. Wenn dies nicht gewährleistet ist, kann entweder gar nichts 3D gedruckt werden. Oder aber, die gedruckten Bauteile fangen an, sich an den Ecken abzuheben. Diesen Effekt nennt man auch Warping.

Das Filament wird schichtweise aufgetragen und kühlt sich im Verlauf des Drucks so ab, dass es sich mit dem Filament der nächsten Schicht verbindet, aber nicht komplett verschmilzt. Auf diese Weise wird das Objekt erstellt und nach Beendigung des Druckvorgangs vom Druckbett gelöst. Dieser beschriebene Weg kann je nach Filament, eingesetztem 3D Drucker und auch Heizbett Oberfläche unterschiedlich sein.

Um das Warping-Risiko zu minimieren, nutze ich beispielsweise als Dauerdruckplatte Pertinax.

Ein häufig auftretender 3D Druck Fehler ist das sogenannte Warping.

Schritt 4:

Nachbearbeitung: Nach dem Drucken kann es erforderlich sein, das Objekt nachzubearbeiten. Dazu gehört das Entfernen von Support-Strukturen, das Glätten der Oberfläche (z. B. durch Schleifen, Polieren oder chemische Behandlung) oder das Zusammenfügen mehrerer Teile.

Bauweisen von FDM 3D-Druckern

Es gibt verschiedene Bauweisen von FDM-Druckern, die sich in ihrer Mechanik, Druckgeschwindigkeit, Genauigkeit und im Bauvolumen unterscheiden. Die drei häufigsten Typen sind kartesische Drucker, Delta-Drucker und CoreXY-Drucker:

• Kartesische Drucker:
  • Mechanik: Kartesische Drucker sind die wohl bekannteste und am weitesten verbreitete Bauweise. Sie arbeiten mit einem rechtwinkligen (kartesischen) Koordinatensystem, in dem der Druckkopf entlang der drei Achsen (x, y, z) bewegt wird. Das Besondere ist, dass jede Achse von einem separaten Motor gesteuert wird, was die Mechanik relativ einfach macht. Typischerweise bewegt sich der Druckkopf in der x- und y-Achse, während das Druckbett in der z-Achse (nach unten) oder in der y-Achse (hin und her) verfährt.
  • Vorteile:
    • Einfache und robuste Bauweise: Die rechtwinklige Anordnung und die separaten Motoren machen die Mechanik übersichtlich und robust. Das erleichtert die Wartung und Reparatur.
    • Gute Genauigkeit: Durch die präzise Steuerung der einzelnen Achsen lassen sich mit kartesischen Druckern sehr genaue Ergebnisse erzielen.
    • Leicht zu verstehen und zu warten: Die einfache Mechanik macht es auch Anfängern leicht, den Drucker zu verstehen und zu warten.
    • Große Auswahl an Modellen und Ersatzteilen: Aufgrund ihrer Verbreitung gibt es eine riesige Auswahl an kartesischen Druckern in allen Preisklassen sowie eine gute Verfügbarkeit von Ersatzteilen.
  • Nachteile:
    • Relativ langsam bei größeren Objekten: Die bewegte Masse des Druckbetts (vor allem bei Druckern, bei denen sich das Bett in der y-Achse bewegt) begrenzt die Druckgeschwindigkeit.
    • Die bewegte Masse des Druckbetts kann zu Vibrationen führen: Bei höheren Geschwindigkeiten können Vibrationen auftreten, die sich negativ auf die Druckqualität auswirken.
  • Beispiele: Prusa i3 MK3S+, Creality Ender 3 (Diese Drucker haben sich als zuverlässige und erschwingliche Optionen bewährt und sind in der Community sehr beliebt.)

• Delta-Drucker:
  • Mechanik: Delta-Drucker fallen durch ihr ungewöhnliches Design auf. Sie verwenden drei Arme, die an einem zentralen Schlitten befestigt sind, um den Druckkopf zu bewegen. Das Druckbett ist feststehend. Die Bewegung des Druckkopfs wird durch die synchrone Ansteuerung der drei Arme erreicht.
  • Vorteile:
    • Hohe Druckgeschwindigkeit: Durch die geringe bewegte Masse der Arme können Delta-Drucker sehr schnell drucken.
    • Großes Bauvolumen in der Höhe: Die Bauweise ermöglicht ein hohes Bauvolumen, was besonders für Objekte geeignet ist, die in die Höhe wachsen.
    • Eindrucksvolles Design: Das futuristische Design macht Delta-Drucker zu einem Hingucker.
  • Nachteile:
    • Komplexe Mechanik und Kalibrierung: Die Mechanik ist komplexer als bei kartesischen Druckern und erfordert eine sorgfältige Kalibrierung, um genaue Ergebnisse zu erzielen.
    • Geringere Genauigkeit als kartesische Drucker, besonders an den Rändern des Druckbereichs: Die Genauigkeit kann vor allem an den Rändern des Druckbereichs leiden, da die Arme hier stärker ausgelenkt werden.
    • Weniger verbreitet, daher weniger Auswahl und Support: Die Auswahl an Delta-Druckern ist geringer als bei kartesischen Druckern, und auch der Community-Support ist oft nicht so umfangreich.
  • Beispiele: Anycubic Kossel, FLSUN V4 (Diese Drucker sind bekannt für ihre Geschwindigkeit und ihr hohes Bauvolumen, erfordern aber etwas mehr Einarbeitung.)

• CoreXY-Drucker:
  • Mechanik: CoreXY-Drucker stellen einen Kompromiss zwischen kartesischen und Delta-Druckern dar. Sie verwenden ein spezielles Riemenantriebssystem, bei dem zwei Motoren zusammenarbeiten, um den Druckkopf in der x- und y-Achse zu bewegen. Das Druckbett bewegt sich in der z-Achse. Das Besondere an diesem System ist, dass die Motoren fest am Rahmen montiert sind, was Vibrationen reduziert und die Stabilität erhöht.
  • Vorteile:
    • Hohe Druckgeschwindigkeit: Durch die geringe bewegte Masse des Druckkopfs und die stabile Bauweise erreichen CoreXY-Drucker hohe Druckgeschwindigkeiten.
    • Hohe Stabilität und Genauigkeit: Die feste Montage der Motoren und das spezielle Riemenantriebssystem sorgen für eine hohe Stabilität und Genauigkeit.
    • Geringe Vibrationen: Die reduzierte Vibration führt zu einer besseren Druckqualität.
  • Nachteile:
    • Komplexere Bauweise als kartesische Drucker: Das Riemenantriebssystem ist etwas komplexer als bei kartesischen Druckern.
    • Teurer in der Anschaffung: CoreXY-Drucker sind in der Regel etwas teurer als vergleichbare kartesische Drucker.
  • Beispiele: Voron, Rat Rig (Diese Drucker sind bekannt für ihre Leistung und Präzision, erfordern aber oft etwas mehr Erfahrung im Aufbau und der Konfiguration.)

Zusammenfassende Tabelle:

Welche Materialien können mit dem FDM Verfahren 3D gedruckt werden?

Der Materialmarkt im Fused Deposition Modeling wächst und wird durch die große Popularität des FDM Verfahens auch weiterhin mit neuen, innovativen Materialien beglückt. Die Materialauswahl reicht von PLA, ABS, Nylon, PETG bis zu exotischen Lösungen mit beigesetztem Carbon, Kupfer, Holz oder auch Stahl.

➡ Weitere Infos zu Materialien:

• 3D Drucker Filament

Konstruktionstipps für das FDM-Verfahren

Das Thema Konstruktion ist zu weit gefasst, um das Thema hier behandeln zu können. Deswegen sind Konstruktionstipps für das FDM-Verfahren im folgenden Beitrag zu finden:

Konstruieren für den FDM-3D Druck – Worauf ist zu achten?

Fused Deposition Modeling-Die Vor- und Nachteile

Das Fused Deposition Modeling gilt als das kostengünstigste Verfahren und bietet schnelle Ergebnisse im Rapid Prototyping an. Für Endprodukte eignet sich dieses Verfahren nur dann, wenn eine entsprechende Nachbearbeitung erfolgt, um die sichtbaren Schichten zu glätten. Für mechanisch beanspruchte Objekte eignet es sich besonders dann, wenn neben dem Material auch die Druckrichtung und somit die Richtung der Schichten mit in die Betrachtung einfließen.