Die Zukunft des FDM-3D-Drucks: Wie geht es weiter mit der additiven Fertigung?

Der FDM-3D-Druck ist die weltweit am weitesten verbreitete Art des 3D-Drucks. Er ist längst nicht mehr nur etwas für Hobbybastler. Heute nutzen Unternehmen ihn zur Herstellung von Testmodellen, Fertigungswerkzeugen und Fertigteilen für Autos, Flugzeuge und medizinische Geräte.

Das Prinzip des FDM-Drucks ist einfach. Ein Drucker schmilzt einen Kunststofffaden und baut das Bauteil Schicht für Schicht auf, ähnlich wie eine sehr präzise Heißklebepistole. In den letzten Jahren hat eine Welle von Innovationen im Bereich des 3D-Drucks dazu geführt, dass FDM-Drucker schneller und präziser geworden sind und nun auch wesentlich festere Kunststoffe verarbeiten können.

In diesem Leitfaden erklären wir, was FDM im 3D-Druck ist, wie es funktioniert, welche wesentlichen Vorteile es bietet, welche neuesten Verbesserungen es gibt und wann ein FDM-3D-Druckdienst die richtige Wahl für Ihre Bauteile ist.

Was ist FDM im 3D-Druck?

FDM steht für „Fused Deposition Modeling“ (Schichtablageverfahren). Einfach ausgedrückt: Der Drucker schmilzt Kunststoff und trägt ihn schichtweise übereinander auf, bis das Bauteil fertig ist.

Was den FDM-3D-Druck von anderen Verfahren unterscheidet, ist das Ausgangsmaterial. Einige Drucker verwenden flüssiges Harz, wie bei der Stereolithografie, andere feines Pulver, wie beim selektiven Lasersintern und bei HP Multi Jet Fusion. Beim FDM-Verfahren kommen Spulen mit festem Kunststofffaden zum Einsatz. Dadurch bleibt das Verfahren kostengünstig, sauber und einfach, und es können viele der gleichen Kunststoffe verwendet werden, die auch in Alltagsprodukten zu finden sind.

So funktioniert der FDM-3D-Druck – Schritt für Schritt

Jeder FDM-3D-Druck durchläuft dieselben grundlegenden Schritte, unabhängig davon, ob er auf einem kleinen Desktop-Drucker oder einer großen Industriemaschine hergestellt wird.

1. Das Produkt entwerfen: Das Objekt wird mithilfe eines Computers als dreidimensionales Bild dargestellt. Die Einhaltung eines Leitfadens für den 3D-Druck kann dabei helfen, Probleme in dieser Phase zu vermeiden.

2. Bereiten Sie die Datei vor: Die Software unterteilt das dreidimensionale Bild in zahlreiche Schichten und gibt dem Drucker vor, wohin er sich bewegen soll. Außerdem legt man die Dicke der Schichten sowie die innere Festigkeit des Bauteils fest.

3. Erwärmen Sie den Kunststoff: Der Drucker führt Kunststofffaden in eine kleine, beheizte Düse ein, die ihn schmilzt.

4. Schritt für Schritt aufbauen: Die beheizte Düse trägt die erste Kunststoffschicht auf eine ebene Fläche auf. Anschließend hebt sich die Düse ein wenig an und trägt eine weitere Kunststoffschicht auf. Dieser Vorgang wird so lange fortgesetzt, bis das Objekt fertiggestellt ist.

5. Vorübergehende Stützen anbringen: Teile mit überhängenden Abschnitten benötigen während des Druckvorgangs vorübergehende Stützen an der Unterseite. Einige Stützen lassen sich anschließend einfach wegspülen.

6. Das Teil fertigstellen: Das Teil wird entfernt, die Stützstrukturen werden entfernt, und es kann bei Bedarf geschliffen, geglättet oder lackiert werden.

Da alles mit einer digitalen Datei beginnt, kann derselbe FDM-Druck jederzeit wiederholt oder geändert werden, ohne dass zusätzliche Rüstkosten anfallen. Deshalb ist FDM die erste Wahl für das Rapid Prototyping.

Vorteile der FDM-Technologie (Fused Deposition Modeling)

Das Fused-Deposition-Modeling ist aus guten Gründen beliebt. Hier erfahren Sie, warum der FDM-3D-Druck für so viele Projekte eine kluge Wahl ist.

• Acetal (Delrin):Acetal ist steif, weist eine geringe Reibung auf und behält seine Form gut bei. Es wird für Zahnräder, Buchsen und Präzisionsteile verwendet.

• Geringe Kosten: Da beim FDM-Verfahren kostengünstiger Kunststoff zum Einsatz kommt und keine Formen oder Spezialwerkzeuge erforderlich sind, lässt sich sogar ein einzelnes Teil herstellen, ohne viel Geld auszugeben.

• Schnelle Fertigung: Es dauert ein bis zwei Tage, um Teile anhand einer digitalen Datei herzustellen.

• Einfache Designänderungen: Muss ein Teil angepasst werden? Aktualisieren Sie einfach die Designdatei und drucken Sie das Teil erneut aus. Es müssen keine Werkzeuge neu angefertigt werden.

• Robuste, einsatzfähige Teile: Durch die Verwendung des richtigen Kunststoffs sind die im FDM-Verfahren hergestellten Teile nicht nur als Prototypen geeignet, sondern halten auch dem praktischen Einsatz stand.

• Große Bauteile aus einem Stück: Industrielle FDM-Drucker können große Bauteile herstellen, die andernfalls aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt werden müssten.

• Formfreiheit: Hohl-, geschwungene oder leichte Konstruktionen, die sich nur schwer bearbeiten oder formen lassen, lassen sich problemlos drucken.

• Weniger Abfall: Der Drucker verbraucht nur so viel Kunststoff, wie für das Bauteil benötigt wird – im Gegensatz zum Ausschneiden eines Bauteils aus einem massiven Block.

• Auf Bestellung gefertigt:Drucken Sie ein Einzelstück oder eine kleine Charge genau dann, wenn Sie sie benötigen – ganz ohne Mindestbestellmenge und ohne Lagerkosten.

Aufgrund dieser Vorteile eignet sich das FDM-Verfahren besonders gut für Prototypen, maßgeschneiderte Werkzeuge für die Fertigung, Ersatzteile und Kleinserien.

Fortschritte bei FDM-Materialien

Die größte Innovation im FDM-3D-Druck betrifft die Materialien. Frühe Drucker konnten nur einige wenige grundlegende Kunststoffe verarbeiten. Heutige FDM-3D-Druckdienste bieten eine Materialpalette an, die der in traditionellen Fabriken verwendeten sehr nahekommt.

Hitzebeständige Kunststoffe

Einige neuere Kunststoffe wie PEEK und ULTEM sind hitze- und chemikalienbeständig. In der Luftfahrt und bei medizinischen Geräten ersetzen diese Kunststoffe mittlerweile einige Metallteile, um Gewicht zu sparen. Da sie spezielle Hochtemperaturdrucker erfordern, beauftragen die meisten Unternehmen einen professionellen Dienstleister mit der Herstellung dieser Teile.

Kunststoffe, gemischt mit Kohlefaser

Durch das Einmischen winziger Kohlefaser- oder Glasfaserstückchen in Kunststoff werden Bauteile steifer, leichter und stabiler. Einige Industriedrucker verlegen sogar lange Kohlefaserstränge in jede Schicht und erzeugen so Bauteile, die stark genug sind, um Aluminium in bestimmten Anwendungsbereichen zu ersetzen.

Flexible Materialien und mehrere Materialien gleichzeitig

Gummiähnliche Materialien werden für Dichtungen, Griffe und Stoßfänger verwendet. Neuere Drucker können zudem Hartkunststoff, flexibles Material, abwaschbare Stützstrukturen und verschiedene Farben in einem einzigen Druck kombinieren, sodass ein Teil sowohl starr als auch weich sein kann, ohne dass eine Verklebung erforderlich ist.

Mit Metall gefüllte Kunststoffe

Manche Kunststofffäden enthalten Metallpulver. Nach dem Druck wird das Bauteil in einem Ofen erhitzt, wodurch der Kunststoff verbrennt und festes Metall zurückbleibt. Dies ist zwar kein Ersatz für den 3D-Metalldruck, stellt jedoch eine kostengünstige Möglichkeit dar, einfache Metall-Testbauteile herzustellen.

Verbesserungen bei der Druckgeschwindigkeit und Effizienz im FDM-Druck

Früher war die Geschwindigkeit die größte Schwäche des FDM-Verfahrens. Das ist heute nicht mehr der Fall. Die heutigen Drucker arbeiten bis zu zehnmal schneller als noch vor fünf Jahren, und die neuesten Geräte sind sogar noch schneller.

Dies wurde durch mehrere Verbesserungen ermöglicht:

• Leichtere, intelligentere bewegliche Teile. Die Drucker sind so konstruiert, dass die beweglichen Teile leichter sind, wodurch sie sich schnell und ohne zu wackeln bewegen können.

• Integrierte Vibrationskontrolle. Der Drucker überprüft, wie stark er bei hoher Geschwindigkeit vibriert, und gleicht dies automatisch aus, sodass auch bei hohen Druckgeschwindigkeiten saubere Druckergebnisse erzielt werden.

• Schnelleres Schmelzen. Die verbesserten Heizelemente schmelzen den Kunststoff so schnell, dass sie mit der Geschwindigkeit mithalten können.

• Kunststoffe, die auf Geschwindigkeit ausgelegt sind. Die Materialhersteller haben Kunststoffe entwickelt, die sich bei hohen Geschwindigkeiten optimal schmelzen und abkühlen und dennoch eine gute Haftung aufweisen.

Auch die Effizienz hat sich verbessert. Große Druckereien können nun kleine Kunststoffgranulate anstelle von Fäden verwenden, was die Materialkosten senkt. Dank automatischer Einrichtung, Warnmeldungen bei niedrigem Materialstand und Kameras, die fehlerhafte Drucke erkennen, können die Drucker über Nacht sicher laufen. Für Sie bedeutet das eine schnellere Lieferung und niedrigere Preise für jeden FDM-Druck.

Wie präzise und stabil sind FDM-Drucke?

Wie präzise ein FDM-3D-Druck ist, hängt davon ab, wie dünn die Schichten sind, wie gut der Drucker eingestellt ist und welcher Kunststoff verwendet wird. Dünnere Schichten sorgen für feinere Details, während dickere Schichten schneller gedruckt werden und eine höhere Festigkeit aufweisen. Professionelle FDM-Drucker sind so konstruiert, dass die Teile sehr nahe an der vorgesehenen Größe liegen, in der Regel innerhalb eines Bruchteils eines Millimeters.

Bessere Drucker

Viele professionelle Drucker verfügen mittlerweile über eine geschlossene, beheizte Kammer um das Druckobjekt herum. Dadurch wird die Temperatur konstant gehalten, sodass sich die Teile beim Abkühlen weder verziehen noch Risse bekommen. Stabilere Rahmen und präzisere Motoren tragen ebenfalls dazu bei, dass jede Schicht genau dort aufgebracht wird, wo sie hingehört.

Intelligentere Software

Moderne Software passt Geschwindigkeit und Kühlung automatisch an jedes Detail des Bauteils an. Einige Drucker nutzen integrierte Kameras, um die erste Schicht zu überprüfen und Sie sofort zu warnen, wenn Probleme auftreten.

Konstruktion im Hinblick auf Festigkeit

FDM-Teile sind entlang ihrer Schichten am stabilsten und zwischen den Schichten am schwächsten – ähnlich wie die Maserung bei Holz. Die besten Ergebnisse erzielt man, wenn man das Teil so ausrichtet, dass die Hauptkraft entlang der Schichten verläuft, dickere Außenwände verwendet und scharfe Ecken abrundet. In unserem Leitfaden zum 3D-Druck-Design werden diese Tipps ausführlich erläutert.

Wenn ein Bauteil in alle Richtungen die gleiche Festigkeit oder eine sehr glatte Oberfläche aufweisen muss, ist möglicherweise ein pulverbasiertes Verfahren wie HP Multi Jet Fusion oder ein Nachbearbeitungsschritt wie das Dampfglätten besser geeignet.

Wo der FDM-3D-Druck heute zum Einsatz kommt

Der FDM-3D-Druck hat den Sprung vom Konstruktionsbüro in die Fertigung geschafft. In diesen Branchen leistet er den größten Beitrag.

Werkzeugteile sind die stille Erfolgsgeschichte des FDM-Verfahrens. Eine maßgefertigte Halterung, deren Fertigung aus Aluminium früher Wochen dauerte, lässt sich heute über Nacht aus robustem Kunststoff drucken – bei einem Bruchteil des Gewichts und der Kosten. Viele Hersteller speichern Ersatzteile mittlerweile als digitale Dateien und drucken sie erst bei Bedarf aus, anstatt ganze Regale mit Lagerbeständen zu füllen.

Nachhaltigkeit im FDM-3D-Druck

Beim FDM-Verfahren werden Teile durch Materialauftrag gefertigt, sodass nur so viel Kunststoff verbraucht wird, wie für das Teil benötigt wird. Im Vergleich zum Ausschneiden eines Teils aus einem massiven Block entsteht so weitaus weniger Abfall, insbesondere bei komplexen oder leichten Formen.

Die Branche geht noch einen Schritt weiter. Recycelte und pflanzliche Kunststoffe werden immer häufiger eingesetzt, und Druckerhersteller richten Recyclingsysteme ein, mit denen fehlerhafte Drucke und Kunststoffreste wieder in neues Druckmaterial umgewandelt werden.

Auch das Drucken auf Abruf ist hilfreich. Die Fertigung von Teilen in der Nähe des Einsatzortes und in genau der benötigten Stückzahl reduziert Überproduktion, Lagerhaltung und Transportaufwand. Bei kleinen Stückzahlen ist das FDM-Verfahren oft die umweltfreundlichere Wahl als die Herstellung einer teuren Form.

Einschränkungen und die Zukunft des FDM-3D-Drucks

FDM ist nicht für jedes Bauteil die richtige Wahl. Wenn Sie die Grenzen dieses Verfahrens kennen, können Sie das beste Verfahren auswählen.

• Sichtbare Ebenelinien:Oberflächen müssen unter Umständen geschliffen, gestrichen oder geglättet werden, um ein gepflegtes Erscheinungsbild zu erzielen.
• Zwischen den Schichten schwächer:Die Teile müssen sorgfältig positioniert werden, damit sie dort stabil sind, wo es darauf ankommt.
• Ganz kleine Details:Kleinste Details lassen sich besser im Harzdruckverfahren herstellen.
• Große Mengen: Selbst mit schnelleren Druckern ist der 3D-Druck pro Teil in der Regel teurer als das Spritzgießen, sobald man etwa 10.000 Stück oder mehr benötigt. Ab diesem Punkt ist das Spritzgießen meist die bessere Option.

Die nächste Innovationswelle im Bereich des 3D-Drucks mit FDM-Technologie zielt genau auf diese Lücken ab. Zu erwarten sind Drucker, die Probleme selbstständig erkennen und beheben, stabilere, faserverstärkte Teile, die Metall ersetzen können, sowie größere Drucker für große Objekte wie Formen und Bootsteile. Je mehr Materialien getestet und zugelassen werden, desto breiter wird der Einsatz von FDM-Teilen in der Luftfahrt und bei medizinischen Produkten werden.

Um einen umfassenderen Überblick darüber zu erhalten, wohin sich der 3D-Druck entwickelt, lesen Sie unseren Artikel über die neuesten Durchbrüche in der 3D-Drucktechnologie.

Die Wahl eines FDM-3D-Druckdienstleisters

Ein professioneller FDM-3D-Druckdienst ist sinnvoll, wenn Sie robuste Materialien, präzise Teile, große Bauteile oder eine gleichbleibende Qualität innerhalb einer Charge benötigen, ohne selbst teure Drucker anschaffen und betreiben zu müssen. Achten Sie beim Vergleich der Anbieter auf folgende Punkte:

• Materialauswahl: Drucken sie nur die gängigen Kunststoffe oder auch die widerstandsfähigsten oder hitzebeständigsten Kunststoffe, die für Ihr Bauteil erforderlich sind?
• Größe: Können sie große Teile in einem Stück drucken? Einteilige Teile sind stabiler als geklebte Teile.
• Qualitätskontrolle: Achten Sie auf Qualitätszertifikate (ISO 9001) und auf Komponenten, die vor der Auslieferung geprüft werden.
• Fachliche Beratung: Ein guter Dienstleister prüft Ihren Entwurf vor dem Druck und unterbreitet Ihnen Verbesserungsvorschläge.
• Weitere Optionen: Falls FDM nicht die beste Lösung ist, können sie Ihr Bauteil dann auf andere Weise herstellen, beispielsweise durch Pulverdruck, Zerspanung oder Guss?

Norck bietet FDM-3D-Druckdienstleistungen aus den USA und Deutschland als Teil eines umfassenden Angebots an 3D-Druck- und Fertigungsdienstleistungen an, das durch ein Qualitätsmanagementsystem nach ISO 9001:2015 abgesichert ist. Unsere Ingenieure prüfen jedes Design und empfehlen die beste Methode und das beste Material – sei es FDM, ein anderes 3D-Druckverfahren oder die CNC-Bearbeitung.

Sind Sie bereit für Ihr nächstes FDM-Projekt? Fordern Sie ein Angebot an oder wenden Sie sich an einen Ingenieur.

Fazit

Der FDM-3D-Druck hat sich von einem einfachen Werkzeug zum Bau von Modellen zu einer zuverlässigen Methode zur Herstellung echter, einsatzfähiger Teile entwickelt. Schnellere Drucker, widerstandsfähigere Materialien, intelligentere Software und umweltfreundlichere Kunststoffe haben die Möglichkeiten des Fused Deposition Modeling erweitert. Für Testmodelle, Fertigungswerkzeuge und Kleinserien ist es heute eine der schnellsten und kostengünstigsten Methoden, um aus einem Entwurf ein fertiges Bauteil zu machen.

Entscheidend ist, für jedes Bauteil die richtige Verfahren zu wählen. Wenn Sie sich nicht sicher sind, ob FDM für Ihren nächsten Entwurf geeignet ist, können die Ingenieure von Norck diesen prüfen und Ihnen die beste Option empfehlen. Fordern Sie noch heute ein Angebot an.