• Fused Deposition Modeling (FDM)

    Fused Deposition Modeling (FDM) ist ein Rapid Prototyping Verfahren, das 1990 durch die US-amerikanische Firma entwickelt und kommerzialisiert wurde. Erfinder des Verfahrens ist Scott Crump. Inzwischen ist FDM das am weitesten verbreitete Verfahren bei 3D Druckern für den privaten Gebrauch. Grund hierfür sind vor allem die vergleichsweise geringen Materialkosten. Insgesamt ist FDM aber auch ein relativ langsamer Prozess. Da der Begriff Fused Deposition Modeling patentrechtlich geschützt ist, wurde alternativ durch Community des RepRap Projekts die Bezeichnung Fused Filament Fabrication (FFF) geprägt, die das gleiche Verfahren beschreibt.

    Erhitzte Kunststoffdrähte als Grundlage

    Intuitiv lässt sich das Verfahren als Zeichnen mit einer hochpräzisen Heißklebepistole beschreiben. Während des Druckvorgangs wird ein drahtförmiger Kunststofffaden durch den Extruder an ein Heizelement geführt und knapp über den Verflüssigungspunkt erhitzt. Die Temperaturen hierfür liegen je nach Material zwischen 170°C und 240°C. Das erhitzte Material gelangt über die Düse mit einem feineren Durchmesser an die Oberfläche und wird an der aktuellen Position des Druckkopfes platziert. Anschließend verhärtet sich der Kunststoff und bindet sich an die bereits vorhandene Struktur. Auf diese Weise wird Schritt für Schritt das Objekt auf der vorhandenen Plattform gefertigt Buddha’s Belly head shop.

    Schichtweise Fertigung

    Die Objekte werden durch den Drucker schichtweise gefertigt. Hierfür wird zunächst eine Software benötigt, die das 3D Modell des Objekts in parallele Schichten aufteilt und die Pfade bestimmt, die in jeder Schicht durch den Druckkopf durchlaufen werden. Die Planung der durchlaufenen Bahnen vor Beginn ist notwendig, um sicherzustellen, dass alle Positionen des Modells erreicht werden können und kein Material in der Luft platziert wird. Wurden die Schichten für das zu druckende Objekt bestimmt, kann der Druckvorgang beginnen. Für jede Schicht platziert der Druckkopf das Material an den vorgegebenen x- und y- Positionen anhand der ermittelten Bahn und bewegt sich anschließend weiter zur nächsten Schicht durch einen Schritt in z-Richtung. Die x- y- und z- Koordinaten des Druckkopfes relativ zur Plattform werden meistens durch Schritt- oder Servomotoren bestimmt. Je nach Modell wird entweder der Druckkopf oder die Plattform bewegt.

    Stützobjekte

    Schwierigkeiten entstehen mit dem FDM Verfahren bei der Fertigung von überstehenden Kanten und Schrägen mit scharfen Winkeln. In diesen Fällen werden Stützobjekte benötigt, auf denen das Material des eigentlichen Objekts platziert wird. Stützobjekte bestehen aus anderen Materialien als das eigentliche Objekt und werden nach Abschluss des Druckvorgangs entweder mechanisch entfernt oder in spezieller Flüssigkeit aufgelöst, sodass das ursprüngliche Objekt zurückbleibt. Verfügt der 3D Drucker über zwei Heizdüsen mit unterschiedlichen Drahtrollen, kann die eine Düse für die Fertigung der Stützobjekte und die andere für die Fertigung des eigentlichen Bauteils verwendet werden. Wichtig ist in diesem Zusammenhang auch die Wahl der richtigen Orientierung vor dem Druck. Hierdurch kann die Anzahl an überstehenden Kanten reduziert werden.

    Fused Deposition Modeling Materialien

    Als Material für FDM werden meistens Kunststoffdrähte verwendet, die auf einer Spule aufgerollt sind. Übliche Materialien sind Polyactide (PLA) und Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS). Davon ist ABS für den privaten Gebrauch weniger zu empfehlen, da es beim Aufheizen Gase freisetzt. Zusätzlich ist PLA  biologisch abbaubar. Ein beliebtes Material für Stützobjekte ist PVA (Polyvinylalkohol), welches im Wasser aufgelöst werden kann.

    Oberflächenqualität

    Die Qualität der Oberflächen, die durch Fused Deposition Modeling generiert werden, hängt von der verwendeten Schichtdicke ab und steigt mit abnehmender Schichtdicke. Ist die Schichtdicke dagegen zu groß, sind die Stufen zwischen den einzelnen Schichten am fertigen Objekt zu erkennen. Die Oberflächenqualität kann auch in weiteren Nachbearbeitungsschritten optimiert werden, z.B. durch Sandstrahlen oder Anwendung von bestimmten Lösungsmitteln. Für ABS Materialien hat sich hierfür Acetondampf als effektiv erwiesen. Objekte aus PLA werden dadurch jedoch beschädigt. Hier können gute Ergebnisse mit Tetrahydrofuran Dampf erzielt werden. Bei der Anwendung der Lösungsmittel ist hohe Vorsicht geboten. Die Dämpfe sind hochentzündlich und dürfen auf keinen Fall eingeatmet werden.

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