Die Additive Fertigung mit Filamenten - Eine Einführung

Dieser Blogbeitrag dient nicht als allumfassende Wissenssammlung für die Additive Fertigung mit Filamenten, sondern eher als kurzes Kompendium der wichtigsten Eigenschaften und Funktionsweisen dieser Technologie.

Der 3D-Druck mit Filamenten ist zwar nicht das älteste, aber eindeutig das bekannteste Verfahren der Additiven Fertigung. Gibt man in eine beliebige Suchmaschine das Keyword „3D-Druck“ ein, findet man in erster Linie Ergebnisse zu Filament 3D-Druckern, egal ob Informationen, Bilder oder Shopping-Anzeigen.

Dies liegt unter anderem daran, dass beinahe das gesamte Hobbysegment im 3D-Druck aus Filament-3D-Druckern besteht. Inzwischen gibt es zwar auch einige Resin-3D-Drucker für den Markt der Hobbynutzer, aber an eine Verdrängung der Additiven Fertigung mit Filamenten ist in diesem Segment nicht zu denken.

Nun wäre es aber ohne Zweifel unangemessen, den Filament-3D-Druck ausschließlich dem Hobbysegment zuzuordnen. Die Bekanntheit dieser Technologie rührt eben nicht nur daher, dass diese das Hobbysegment quasi alleine ausfüllt – die Additive Fertigung mit Filamenten bietet auch im professionellen und industriellen Segment einzigartige Vorteile und viele verschiedene Anwendungsgebiete.

Bevor wir dazu kommen, möchte ich jedoch erst kurz das Verfahren hinter dem 3D-Druck mit Filamenten erklären. Denn trotz der weiten Bekanntheit dieser Technologie, kann es für einige Personen immer noch etwas unklar sein, wie man ein vollständiges Bauteil additiv herstellt. Diese Unklarheit räumen wir nun aus dem Weg!

Wie der 3D-Druck mit Filamenten funktioniert

Zunächst einmal vorweg: Was ist überhaupt ein Filament im 3D-Druck? Ein Filament ist ein fadenförmiger, thermoplastischer Kunststoff, der sich in einem bestimmten Temperaturbereich, der je nach Art des Thermoplasts variiert, verformen kann. Bei Erhitzung wird das Filament geschmolzen, bei Abkühlung erstarrt es wieder. Diese Verformung ist bei Thermoplasten, im Gegensatz zu beispielsweise Elastomeren, reversibel – das Filament kann diesen Prozess also, solange es nicht überhitzt, mehrmals durchlaufen.

Diese Verformung des Filaments spielt beim 3D-Druck mit Filamenten eine essenzielle Rolle. Das Filament wird in den Bauraum des jeweiligen Druckers geleitet, dort auf seine Schmelztemperatur erhitzt und daraufhin durch eine oder mehrere Metalldüsen Schicht für Schicht auf die Bauplatte extrudiert.

Um die Bauteile vor Verrutschen zu schützen und maximale Stabilität zu gewährleisten, sollte die Bauplatte bzw. der gesamte Bauraum beheizt werden. Dabei ist eine gleichmäßige Temperaturverteilung von höchster Wichtigkeit, um Verzug, häufig auch „warping“ genannt, zu verhindern.

Dieser Prozess wird entweder Fused Deposition Modellig (FDM) oder Fused Filament Fabrication (FFF) genannt. Beide Begriffe bezeichnen denselben Prozess, Fused Deposition Modelling und das dazugehörige Akronym sind jedoch geschützte Marken des amerikanisch-israelischen Unternehmens Stratasys®.

Wer Filament-3D-Drucker herstellt

Offensichtlicherweise stellt aber nicht nur Stratasys® Filament-3D-Drucker her. Der Markt der Filament-3D-Drucker besitzt mit ziemlicher Sicherheit die größte Auswahl an Herstellern innerhalb der Additiven Fertigung. Für diesen Blogpost beschränke ich mich allerdings auf die wichtigsten Hersteller von professionellen und industriellen Filament-3D-Druckern.

Stratasys®

Da der Firmenname nun schon mehrfach gefallen ist, sollte das amerikanisch-israelische Unternehmen Stratasys® diese Auflistung der Hersteller von Filament-3D-Druckern auch beginnen.

Das 1989 gegründete Unternehmen hat sowohl PolyJet-, SLA- als auch FDM-Maschinen im Sortiment. Zu den Filament-3D-Druckern gehören beispielsweise die professionelle F123-Serie sowie der industrielle Fortus 450mc.

Raise3D

Das Unternehmen Raise3D, welches 2015 gegründet wurde und seinen Hauptsitz derzeit in den Vereinigten Staaten hat, besitzt ein großes Portfolio an professionellen Filament-3D-Druckern.

Zu diesem Portfolio zählen z. B. die professionellen Pro2- und Pro3-Serien sowie der professionelle E2CF.

Markforged®

Markforged®, mit Sitz in den Vereinigten Staaten, wurde 2013 gegründet und war der erste Produzent von 3D-Druckern, die in der Lage waren, endlose Kohlefaserverstärkungen zu drucken.

Außerhalb davon ist Markforged® für seine große Auswahl an verschiedenen Filament-3D-Druckern bekannt – unter anderem der professionelle Mark Two™ sowie die industriellen X7™ und FX20™ 3D-Drucker.

Ultimaker

Das 2011 in den Niederlanden gegründete Unternehmen Ultimaker, welches im August 2022 einen Zusammenschluss mit dem US-amerikanischen Unternehmen MakerBot® eingegangen ist, besitzt trotz der noch nicht allzu lange zurückliegenden Gründung bereits ein beachtliches Portfolio von Filament 3D-Druckern.

Darunter fallen beispielsweise die professionelle S-Serie und die professionelle, ursprünglich von MakerBot® entwickelte, Method-Serie.

INTAMSYS

INTAMSYS, die Kurzform für INTelligent Additive Manufacturing SYStems, wurde 2016 in Shanghai gegründet und besitzt inzwischen mit Deutschland und den Vereinigten Staaten zwei weitere Standorte, um den weltweiten Verkauf ihrer Filament-3D-Drucker zu unterstützen.

Diese 3D-Drucker umfassen unter anderem den professionellen FUNMAT HT und dem industriellen FUNMAT PRO 610HT.

Roboze

Das 2015 in Italien gegründete Unternehmen Roboze hat es sich zur Aufgabe gemacht, die Verarbeitung von Polymeren auf ein neues Level zu heben. Dies erreicht das Unternehmen mit mehreren professionellen und industriellen Filament-3D-Druckanlagen.

Zu den professionellen Anlagen zählt die Pro-Serie, während die industriellen Anforderungen mit der ARGO-Serie abgedeckt werden.

Welche Vorteile der Filament-3D-Druck bietet

Ein großer Vorteil dieser Kategorie der Additiven Fertigung ist auch der Grund, weswegen sie im Hobbysegment so verbreitet ist – die günstigen Anschaffungskosten. Für den Hobbygebrauch findet man teilweise schon knapp über 100 Euro anständige Filament 3D-Drucker und selbst professionelle 3D-Drucker sind schon ab 5.000 Euro zu finden, was im Vergleich zu anderen Kategorien des 3D-Drucks unschlagbar günstig ist.

Auch die Materialkosten halten sich preislich, zumindest durchschnittlich, im Vergleich mit anderen Kategorien sehr gut. Kostet beispielsweise 1 kg Resin häufig über 50, nicht selten sogar über 100 Euro, sind Filamente meistens für unter 50 Euro pro kg zu haben. Davon ausgenommen sind jedoch Hochleistungsfilamente wie beispielsweise PEEK, welche weitaus teurer sind.

Rund um die Materialien muss auch die extraordinär große Auswahl genannt werden. Es gibt unbeschreiblich viele Filamentarten, von ABS über PET und PEEK bis hin zu TPU. Diese große Materialauswahl ermöglicht Komponenten mit unterschiedlichsten Eigenschaften. Ob chemische Resistenz, Hitzebeständigkeit, Elastizität, ESD-Fähigkeit, Bruchfestigkeit oder vieles mehr – es existieren Filamente, welche diese Eigenschaften besitzen.

Ein weiterer Vorteil, der die weite Verbreitung von Filament 3D-Druckern erklärt, ist die einfache Nutzbarkeit. Mit wenigen Ausnahmen, wie beispielsweise ABS, keine toxischen Stoffe, außerhalb der Supportentfernung keine zwingende Nachbearbeitung und einfaches Materialhandling machen die Additive Fertigung mit Filamenten zum nutzerfreundlichsten Verfahren innerhalb des 3D-Drucks.

Zu guter Letzt muss auch die hohe Geschwindigkeit von Filament 3D-Druckern hervorgehoben werden. Schon professionelle Druckanlagen können inzwischen mit Geschwindigkeiten bis zu 350 mm/s glänzen, wodurch die Produktionszeit, ob nun im professionellen oder im industriellen Bereich, massiv verkürzt werden kann - auch wenn zwingend dazu erwähnt werden muss, dass eine höhere Geschwindigkeit immer Auswirkungen auf die Oberflächenqualität hat.

Welche Nachteile der Filament-3D-Druck hat

Wie jede andere Fertigungsmethode kommt auch der Filament-3D-Druck nicht um einige Nachteile herum. Wie sehr diese im Einzelfall ins Gewicht fallen, ist zwar sehr individuell, nichtsdestotrotz ist es essenziell diese zu kennen, um nicht nach der Anschaffung aus allen Wolken zu fallen.

Der wohl größte Nachteil dieser Fertigungsmethode ist die, zumindest im Vergleich zu anderen 3D-Drucktechnologien, niedrigere Oberflächenqualität. Diese fällt in den allermeisten Fällen eher rau aus, was zwar durch ein wenig Sandpapier verbessert werden kann, dadurch jedoch deutlich mehr Zeit in Anspruch nimmt.

Auch die Detailgenauigkeit bleibt bei der Additiven Fertigung mit Filamenten hinter anderen Technologien zurück. Dieser Nachteil lässt sich auch leider nicht durch Nachbearbeitung korrigieren, weswegen der Filament-3D-Druck für Komponenten, bei welchen sehr hohe Detailgenauigkeit benötigt wird, schlichtweg nicht geeignet ist.

Trotz der einfachen Nutzbarkeit von Filament-3D-Druckern kommt es immer wieder zu einem Problem – verstopfte Düsen. Die Reinigung dieser ist zwar nicht sonderlich aufwendig, führt aber jedes Mal zu einem vollständigen Produktionsstopp. Je nach Häufigkeit kann dies neben Nerven auch einiges an Geld kosten.

Als letzten Nachteil möchte ich die eher eingeschränkte Designfreiheit benennen. Während bei anderen additiven Fertigungsmethoden, besonders dem Metall-3D-Druck, die Designfreiheit quasi keine Grenzen kennt, muss man beim 3D-Druck mit Filamenten mit einer großen Einschränkung leben – die Wanddicke muss immer über einem Millimeter liegen, um ein stabiles Endprodukt zu erhalten. Dies macht Komponenten, welche eine Wanddicke unter diesem Minimum benötigen, mit dem Filament-3D-Druck unmöglich.

Welche Anwendungsbereiche der Filament-3D-Druck hat

Der 3D-Druck mit Filamenten ist inzwischen in vielen Industriezweigen vertreten und übernimmt dort verschiedenste Aufgaben – von Prototypen bis zu Serienbauteilen.

Eine der wichtigsten Anwendungsmöglichkeiten findet die Additive Fertigung im Bereich der Luft- und Raumfahrt. Durch die Möglichkeit, leichtgewichtige und kostengünstige Bauteile mit für die Industrie zertifizierten Materialien wie ULTEM oder PEEK zu produzieren, schafft es der Filament-3D-Druck, Kosten sowohl für den Bau als auch für den Betrieb, dank verringertem Treibstoffverbrauch durch leichtere Komponenten, innerhalb der Luft- und Raumfahrtindustrie zu verringern.

Auch die Automobilbranche nutzt die Additive Fertigung mit Filamenten. Mit ihr können sehr kostengünstig und schnell Prototypen hergestellt werden, wodurch vielfältige Iterationen in weitaus kürzerer Zeit hergestellt und erprobt werden können.

Durch ESD-Filamente profitiert inzwischen auch die Elektronikindustrie vom 3D-Druck mit Filamenten. Diese ermöglichen die kosteneffiziente Produktion von Komponenten, schnellere Anpassung an Kundenwünsche und die Einhaltung von ESD-Standards.

Aber nicht nur die Industrie kommt immer häufiger in Kontakt mit Filamenten – auch in unserem Alltag können wir immer häufiger Produkte finden, die zum Teil oder vollständig aus der Additiven Fertigung mit Filamenten entstammen. Dekoration, Kleiderhaken, Vasen, Sportartikel und vieles mehr, was wir mehr oder weniger alltäglich nutzen, kann inzwischen per Filament-3D-Druck produziert werden.

Fazit

Dieser Blogpost konnte hoffentlich deutlich machen, dass die Bekanntheit des Filament-3D-Drucks nicht allein durch die große Nutzung im Bereich der Hobbydrucker entstanden ist, sondern auch dank seiner einzigartigen Merkmale und der Möglichkeit, qualitative Produkte mit weitaus geringeren Kosten und weniger Zeitaufwand herzustellen.

Diese große Bekanntheit bedeutet jedoch nun nicht, dass sich diese Technologie auf den bereits erhaltenen Lorbeeren ausruhen kann. Andere additive Fertigungsverfahren werden immer bekannter und durch die ganze Additive Fertigung hindurch findet immer mehr Fortschritt statt.

Beim Filament-3D-Druck ist dieser Fortschritt vor allem materialbezogen. Hochleistungsmaterialien, welche einige der Nachteile dieser Fertigungstechnologie mindestens verbessern, wenn nicht sogar eliminieren können, werden immer verbreiteter und es erscheinen immer mehr 3D-Drucker, welche diese Materialien verarbeiten können.

Ich hoffe, dass diese Einführung in die Additive Fertigung mit Filamenten Ihnen dabei helfen konnte, einen Überblick über diese Technologie und deren Möglichkeiten zu erhalten!