Die additive Fertigung oder der 3D-Druck ist seit den 1980er Jahren eine beliebte Methode zur Herstellung von Prototypen und wird schnell zur schnellsten und kostengünstigsten Möglichkeit, auch kundenspezifische Konsumgüter herzustellen. Aber wie funktioniert diese trendige Technologie?

Es gibt verschiedene Methoden des 3D-Drucks, aber das am weitesten verbreitete ist ein Prozess, der als Fused Deposition Modeling (FDM) bekannt ist. FDM-Drucker verwenden ein thermoplastisches Filament, das auf seinen Schmelzpunkt erhitzt und dann Schicht für Schicht extrudiert wird, um ein dreidimensionales Objekt zu erzeugen.Die Technologie hinter FDM wurde in den 1980er Jahren von Scott Crump, Mitbegründer und Chairman von Stratasys Ltd., erfunden., ein führender Hersteller von 3D-Druckern. Andere 3D-Druckunternehmen haben seitdem ähnliche Technologien unter anderen Namen eingeführt. Das in Brooklyn ansässige Unternehmen MakerBot (heute im Besitz von Stratasys) wurde auf einer nahezu identischen Technologie namens Fused Filament Fabrication (FFF) gegründet.

Funktionsweise von FDM

Objekte, die mit einem FDM-Drucker erstellt werden, beginnen als CAD-Dateien (Computer Aided Design). Bevor ein Objekt gedruckt werden kann, muss seine CAD—Datei in ein Format konvertiert werden, das ein 3D-Drucker normalerweise verstehen kann .In: STL format.

FDM-Drucker verwenden zwei Arten von Materialien, ein Modellierungsmaterial, das das fertige Objekt darstellt, und ein Trägermaterial, das als Gerüst dient, um das Objekt beim Drucken zu unterstützen.

Beim Drucken nehmen diese Materialien die Form von Kunststofffäden oder Filamenten an, die von einer Spule abgewickelt und durch eine Extrusionsdüse geführt werden. Die Düse schmilzt die Filamente und extrudiert sie auf eine Basis, die manchmal als Bauplattform oder Tisch bezeichnet wird. Sowohl die Düse als auch die Basis werden von einem Computer gesteuert, der die Abmessungen eines Objekts in X-, Y- und Z-Koordinaten übersetzt, damit Düse und Basis während des Druckens folgen können.

In einem typischen FDM-System bewegt sich die Extrusionsdüse horizontal und vertikal über die Bauplattform und „zeichnet“ einen Querschnitt eines Objekts auf die Plattform. Diese dünne Kunststoffschicht kühlt ab und härtet aus und bindet sich sofort an die darunter liegende Schicht. Sobald eine Schicht abgeschlossen ist, wird die Basis abgesenkt — normalerweise um etwa einen Sechzehntel Zoll -, um Platz für die nächste Kunststoffschicht zu schaffen.

Die Druckzeit hängt von der Größe des herzustellenden Objekts ab. Kleine Objekte – nur wenige Kubikzoll – und große, dünne Objekte werden schnell gedruckt, während der Druck größerer, geometrisch komplexerer Objekte länger dauert. Im Vergleich zu anderen 3D-Druckverfahren wie Stereolithographie (SLA) oder selektivem Lasersintern (SLS) ist FDM ein relativ langsamer Prozess.

Sobald sich ein Objekt vom FDM-Drucker löst, werden seine Trägermaterialien entweder durch Einweichen des Objekts in einer Wasser- und Reinigungsmittellösung oder, im Fall von thermoplastischen Trägern, durch Abreißen des Trägermaterials von Hand entfernt. Objekte können auch geschliffen, gefräst, lackiert oder plattiert werden, um ihre Funktion und ihr Aussehen zu verbessern.

What gets made

FDM ist bei Unternehmen in einer Vielzahl von Branchen beliebt, von der Automobilindustrie (BMW, Hyundai, Lamborghini) bis zur Konsumgüterherstellung (Black and Decker, Dial, Nestle). Diese Unternehmen verwenden FDM während ihrer gesamten Produktentwicklung, Prototyping- und Fertigungsprozesse.

Das gebräuchlichste Druckmaterial für FDM ist Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), ein üblicher Thermoplast, der zur Herstellung vieler Konsumgüter verwendet wird, von Legosteinen bis hin zu Wildwasserkanus. Neben ABS drucken einige FDM-Maschinen auch in anderen Thermoplasten wie Polycarbonat (PC) oder Polyetherimid (PEI). Trägermaterialien sind in der Regel wasserlösliches Wachs oder spröde Thermoplaste wie Polyphenylsulfon (PPSF).

Thermoplaste können Hitze, Chemikalien und mechanischen Belastungen standhalten, was sie zu einem idealen Material für den Druck von Prototypen macht, die Tests standhalten müssen. Und weil FDM sehr detaillierte Objekte drucken kann, wird es auch häufig von Ingenieuren verwendet, die Teile auf Passform und Form testen müssen.

FDM wird auch zur Herstellung von Endteilen verwendet – insbesondere von kleinen, detaillierten Teilen und speziellen Fertigungswerkzeugen. Einige Thermoplaste können sogar in Lebensmittel- und Arzneimittelverpackungen verwendet werden, was FDM zu einem beliebten 3D-Druckverfahren in der medizinischen Industrie macht.Professionelle FDM-Drucker kosten in der Regel zwischen 10.000 und 300.000 US-Dollar, was sie zu einer der günstigsten Optionen für Unternehmen macht, die in ein komplettes 3D-Drucksystem investieren.

Unternehmen, die FDM einsetzen

Stratasys ist zwar für die Erfindung von FDM verantwortlich, aber nicht das einzige Unternehmen, das von dieser Technologie profitiert. In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich FDM zum weltweit am weitesten verbreiteten 3D-Druckverfahren entwickelt.

Viele Unternehmen, die FDM-Drucker herstellen, bieten ihren Kunden auch eine Reihe von 3D-Druckdiensten an, einschließlich externer 3D-Modellierung und -Druck.

FDM zu Hause

Einige FDM—Drucker — wie der Cube von 3D System, der Replikator von MakerBot und der Mojo von Stratasys – sind für Bastler, Erfinder, Heimwerker und Kleinunternehmer konzipiert. Sie sind klein, effizient und benutzerfreundlich.

Aber einen dieser 3D-Drucker zu Hause zu haben, ist nicht billig. Der Cube gehört mit 1.299 US-Dollar zu den günstigsten Desktop-FDM-Druckern auf dem Markt. Die Maschinen von MakerBot sind noch teurer und kosten zwischen 2,549 und 3,299 US-Dollar. Und Stratasys ‚Mojo kostet knapp 10.000 US-Dollar.

Diese beliebte Technologie wird jedoch immer kostengünstiger, da 3D-Druck-Startups wie das in Kalifornien ansässige Unternehmen Pirate3D versuchen, die 3D-Technologie in die Häuser der Durchschnittsverbraucher zu bringen. Der Buccaneer von Pirate3D, der im Dezember 2013 erscheinen soll, kostet nur 347 US-Dollar.

3D-Enthusiasten, die keinen Desktop-FDM-Drucker kaufen möchten, können ihren eigenen bauen. Es gibt viele Websites, die Kits und Teile für den „Replicating Rapid-Prototyper“ oder RepRap verkaufen, ein Open-Source-3D-Druckerdesignprojekt, das an der University of Bath in Großbritannien gegründet wurde Dieser FDM-Drucker wird ständig verbessert, aber das ultimative Ziel des Projekts ist es, einen 3D-Drucker zu erstellen, der neue Kopien von sich selbst drucken kann.

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