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Auch wenn der 3D-Druck mit Filamenten nicht die älteste Art des 3D-Drucks ist, ist sie jedoch eindeutig die Bekannteste. Bei dieser Form des 3D-Drucks wird das feste Material in den Drucker eingeführt und dort im Extruder über seinen Schmelzpunkt erhitzt. Das nun flüssige Material wird daraufhin durch den Extruder gepresst und in der gewünschten Form auf die Bauplatte extrudiert. Durch die heiße Schmelze des Extruders wird die Oberfläche des bereits gedruckten Bauteils angeschmolzen und der Haftverbund hergestellt. Während der Abkühlung verfestigt sich der Schichtverbund und das Bauteil entsteht.
Bei dieser Art des 3D-Drucks lässt sich zwischen zwei Verfahren unterscheiden. Das klassische Verfahren wird Fused Deposition Modelling bzw. Fused Filament Fabrication (FDM bzw. FFF) genannt, wobei die beiden Begrifflichkeiten Synonym zu verwenden sind. Dabei befindet sich das Material, das klassische Filament, in Fadenform auf einer Spule, welche in den Drucker eingelegt wird, um den Druckprozess zu starten.
Die neuere Technologie trägt den Namen Fused Granular Fabrication (FGF). Im Gegensatz zum FDM- / FFF-Verfahren wird hier kein fadenförmiges Filament, sondern Kunststoffpellets als Ausgangsmaterial genutzt. Dieses wird durch einen Trichter in den Drucker eingeführt, im Extruder erhitzt und dann über eine Schnecke zur Düse transportiert und schließlich aus dieser auf die Bauplatte extrudiert.
Die Bekanntheit dieses Verfahrens ist mitunter auf seine vielen Vorteile zurückzuführen. Diese beinhalten die sehr große Werkstoffauswahl mit vielen bekannten Materialien, eine hervorragende Fertigungsgeschwindigkeit, die sehr hohe Benutzerfreundlichkeit, die geringen Anschaffungs- und Materialkosten sowie einen einfachen Nachbearbeitungsprozess.
Große Werkstoffauswahl
Hohe Nutzerfreundlichkeit
Geringe Produktionskosten
Die einzelnen Filament-Technologien im Überblick
Fused Deposition Modelling (FDM)
Beim FDM- bzw. FFF-Verfahren wird das thermoplastische Material in Fadenform in den Drucker eingelegt und daraufhin im Extruder erhitzt und schließlich durch diesen auf die Bauplatte extrudiert.
FDM / FFF brilliert mit einer sehr einfachen und ungiftigen Nutzung, hohen Druckgeschwindigkeiten sowie geringen Kosten, hat jedoch eine eher raue Oberfläche und geringere Auflösung.
Fused Granular Fabrication (FGF)
FGF nutzt anstelle von klassischem Filament Kunststoffpellets, welche über einen Trichter in den Drucker eingeführt werden. Diese werden ebenfalls im Extruder geschmolzen und schließlich auf die Bauplatte extrudiert.
Das FGF-Verfahren hat sich speziell für Großbauteile durchgesetzt, dank den noch günstigeren Materialpreisen und längeren ununterbrochenen Druckzyklen. Dafür büßen Nutzer jedoch etwas Detailfeinheit und Materialvielfalt ein.
Typische Prozessschritte
1
Datenvorbereitung
Mit der passenden CAD- oder 3D-Modellierungssoftware werden digitales Modell und Druckdaten aufbereitet. Dabei generiert die Software auch die notwendigen Supportstrukturen. Abschließend werden die Daten an den Drucker übermittelt und verarbeitet.
2
Materialzufuhrprüfung
Vor dem Start des Druckjobs muss geprüft werden, ob für den Auftrag genug Filament vorhanden ist. Bei vielen Anlagen ist ein Spulenwechsel während des Drucks nicht möglich, mit industriellen Maschinen lassen sich aber häufig mehrere Spulen zeitgleich verwenden.
3
Nun kann der eigentliche Druck des jeweiligen Bauteils beginnen. Schicht für Schicht fährt der Extruder den Querschnitt des Bauteils ab und extrudiert das verflüssigte Material auf die Bauplatte, wo es in der vorgegebenen Form aushärtet.
4
Supportentfernung
Nachdem der Druckjob beendet ist, wird das Bauteil von der Bauplatte entfernt. Anschließend werden die Supportstrukturen, je nach Supportmaterial, entweder per Hand, mit Werkzeugen oder in einem Wasserbad entfernt.
5
Weitere Nachbearbeitung
Die Bauteile können im Nachgang, falls notwendig oder auch nach Belieben, weiter bearbeitet werden. Sie können beispielsweise lackiert, gefärbt oder mechanisch bearbeitet werden.
Vor- und Nachteile
- Sehr hohe Nutzerfreundlichkeit
- Hohe Komplexität der Bauteile möglich
- Kurze Vorlaufzeiten
- Schnelle Fertigung
- Große Materialauswahl mit bekannten Materialien
- Geringe Kosten
- Einfache Nachbearbeitung
- Geruchs- und dampfarme Fertigung
- Etwas raue Oberflächen
- Ggf. Nachbearbeitung notwendig
- Keine hohe Auflösung
Anwendungen
Elektronikbranche
Im 3D-Druck mit Filamenten gibt es eine Vielzahl von Materialien, die ESD-Sicherheitszertifikationen erhalten haben und somit für die Elektronikbranche und deren strengen Sicherheitsregularien perfekt geeignet sind. Mögliche Komponenten umfassen Elektronikgehäuse, Antennen, Isolatoren und Funktionsprototypen.
Bildung
Mit dem Filament-3D-Druck können Professoren und Lehrkräfte ihren Unterricht spannender, realitätsgetreuer und auf Dauer auch kostengünstiger gestalten, da Unterrichtsmaterial einfach selbst On-Demand hergestellt werden kann. Mögliche Komponenten umfassen Visualisierungen, Anatomiemodelle, Protypen und Architekturmodelle.
Automobilindustrie
Mit einer großen Auswahl an Hochleistungsmaterialien bietet sich die hohe Produktionsgeschwindigkeit bei zeitgleich geringen Kosten perfekt für Anwendungen in der Automobilbranche an. Mögliche Komponenten umfassen Funktionsprototypen, Hochleistungswerkzeuge, Innenausstattung und Legacy-Komponenten.
Konsumgüter
Für die Konsumgüterindustrie eignet sich der 3D-Druck mit Filamenten sowohl zum Prototyping als auch für Endverbrauchsteile, wobei insbesondere die große Materialvielfalt dieser Technologie zu Gute kommt. Mögliche Komponenten umfassen Merchandise, personalisierter Schmuck, Schuhwerk und Sportartikel.
Luft- und Raumfahrt
Dank der Nutzung von für die Luft- und Raumfahrt zertifizierten Filamenten wie PEEK können auch die sehr strengen Sicherheitsvorkehrungen und -regularien dieser Industrie vollumfänglich erfüllt werden. Mögliche Komponenten umfassen Strukturbauteile, Hochleistungswerkzeuge, Innenraumkomponenten und Prototypen.
Forschung und Entwicklung
Die Forschung und Entwicklung stellt im Produktlebenszyklus einer der längsten und intensivsten Phasen dar. Dank dem Filament-3D-Druck kann diese Phase jedoch massiv beschleunigt und simplifiziert werden. Mögliche Komponenten umfassen Designprototypen, Funktionsprototypen, Materialentwicklungsteile und Schnelliterationen.
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Johann Pfeifer
Account Manager