Wer an einen klassischen 3D-Drucker denkt, hat meistens genau dieses Verfahren vor Augen: Eine Filamentrolle sitzt am Drucker, eine beheizte Düse bewegt sich über das Druckbett und trägt Kunststoff Bahn für Bahn auf.
Dieses Verfahren nennt sich FDM-3D-Druck.
FDM steht für Fused Deposition Modeling. Dabei wird ein thermoplastisches Filament erhitzt, durch eine Düse extrudiert und anschließend Schicht für Schicht zu einem dreidimensionalen Bauteil aufgebaut.
Das klingt komplizierter, als es eigentlich ist.
Vereinfacht gesagt:
Was bedeutet FDM überhaupt?
Die Abkürzung FDM steht für Fused Deposition Modeling.
Daneben begegnet einem häufig die Bezeichnung FFF – Fused Filament Fabrication.
Beide Begriffe beschreiben im Wesentlichen dasselbe Fertigungsverfahren: Ein thermoplastischer Kunststoff wird in Form eines Filaments erhitzt und kontrolliert auf einer Bauplattform abgelegt.
Der Begriff FDM wurde ursprünglich von Stratasys geprägt. Deshalb wird außerhalb dieses Markenumfelds häufig der Begriff FFF verwendet.
Für den normalen Anwender macht das technisch jedoch kaum einen Unterschied:
FDM und FFF beschreiben dasselbe Grundprinzip des filamentbasierten 3D-Drucks.
Am Anfang steht das Filament
Das Ausgangsmaterial eines FDM-Druckers befindet sich üblicherweise auf einer Rolle.
Dieses sogenannte Filament sieht ein wenig aus wie eine sehr lange Kunststoffschnur mit gleichmäßigem Durchmesser.
Der Drucker zieht dieses Material von der Rolle ein und transportiert es in Richtung Druckkopf.
Je nach gewünschter Eigenschaft des späteren Bauteils können unterschiedliche Filamente eingesetzt werden. Dazu gehören beispielsweise PLA, PETG, ABS oder flexible Kunststoffe wie TPU.
Welche Eigenschaften diese Materialien besitzen und welches Filament für welchen Einsatzzweck geeignet ist, behandeln wir ausführlich in unserem Bereich 3D-Druck-Materialien.
Für die Funktionsweise von FDM ist zunächst nur wichtig:
Aus festem Filament wird im Druckkopf kurzfristig formbarer Kunststoff.
Extruder und Hotend: Hier beginnt der eigentliche Druck
Damit das Filament kontrolliert verarbeitet werden kann, muss es zunächst in Richtung Düse transportiert werden.
Dafür sorgt der Extruder.
Er greift das Filament und schiebt es kontrolliert in das sogenannte Hotend.
Im Hotend wird das Material auf eine Temperatur erhitzt, bei der es ausreichend weich beziehungsweise fließfähig wird, um durch die Düse gedrückt werden zu können.
Je nach verwendetem Kunststoff liegen diese Temperaturen unterschiedlich hoch.
Aus der Düse tritt anschließend eine sehr feine Bahn geschmolzenen Materials aus.
Und genau hier beginnt das eigentliche Bauteil zu entstehen.
Die Düse zeichnet das Bauteil – nur eben dreidimensional
Man kann sich die Bewegung der Düse ein wenig wie einen sehr präzisen Zeichenstift vorstellen.
Nur zeichnet dieser Stift nicht mit Tinte auf Papier. Er legt geschmolzenen Kunststoff auf das Druckbett.
Die Düse fährt dabei exakt die Bahnen ab, die zuvor digital berechnet wurden. Das Material wird kontrolliert abgelegt, kühlt wieder ab und verbindet sich mit den bereits vorhandenen Materialbahnen.
Ist eine Ebene fertig, bewegt sich der Drucker um einen kleinen Betrag in der Höhe weiter.
Dann entsteht die nächste Schicht. Und danach die nächste.
So wächst das Bauteil langsam nach oben.
Warum sieht man bei FDM-Drucken manchmal Schichten?
Genau dieser Aufbau erklärt auch die charakteristischen feinen Linien, die man bei vielen FDM-gedruckten Objekten erkennen kann.
Ein FDM-Bauteil entsteht nämlich nicht in einem einzigen Arbeitsschritt. Es besteht aus vielen einzelnen Materiallagen.
Je dünner diese Schichten gewählt werden, desto feiner kann die Oberfläche wirken. Gleichzeitig kann eine kleinere Schichthöhe jedoch die Druckzeit erhöhen, weil der Drucker entsprechend mehr einzelne Ebenen erzeugen muss.
Die Layerhöhe beziehungsweise Schichthöhe gehört deshalb zu den wichtigsten Einstellungen bei der Vorbereitung eines FDM-Drucks.
Dieses Thema behandeln wir später ausführlicher im Bereich Software & Slicer.
Was macht das Druckbett?
Die erste Materialschicht wird auf einer sogenannten Bauplattform oder Druckplatte abgelegt.
Diese erste Schicht ist besonders wichtig.
Haftet sie nicht richtig, kann sich das Bauteil während des weiteren Drucks lösen oder verziehen.
Deshalb muss das Druckbett korrekt vorbereitet und der Abstand zwischen Düse und Bauplattform passend eingestellt sein.
Viele moderne 3D-Drucker übernehmen einen großen Teil dieser Kalibrierung mittlerweile automatisch.
Trotzdem bleibt die erste Schicht eine wichtige Grundlage für einen zuverlässigen Druck.
Woher weiß der Drucker eigentlich, wohin er fahren muss?
Der Drucker selbst „versteht“ zunächst kein fertiges 3D-Modell so, wie wir es auf einem Computerbildschirm sehen.
Deshalb wird das digitale Modell vor dem Druck durch eine spezielle Software vorbereitet.
Diese Software nennt man Slicer.
Der Slicer zerlegt das dreidimensionale Modell digital in viele dünne Schichten und berechnet daraus die einzelnen Bewegungen des Druckers.
Er legt unter anderem fest:
- wo die Düse entlangfährt
- wie viel Material extrudiert wird
- wie schnell Bereiche gedruckt werden
- wie hoch die Schichten sind
- wo Stützstrukturen benötigt werden
Der Slicer bildet damit die Verbindung zwischen dem digitalen 3D-Modell und dem tatsächlichen Drucker.
Wie ein Slicer funktioniert und welche Einstellungen dabei wichtig sind, behandeln wir ausführlicher in unserem Bereich Software & Slicer.
Warum braucht ein FDM-Druck manchmal Supports?
Ein Drucker kann Material nicht beliebig weit frei in die Luft legen.
Bei bestimmten Formen entstehen deshalb Bereiche, die während des Drucks zusätzlich abgestützt werden müssen.
Dafür können sogenannte Supportstrukturen erzeugt werden.
Diese werden zusammen mit dem eigentlichen Bauteil gedruckt und nach Fertigstellung wieder entfernt.
Ob Supports notwendig sind, hängt stark von der Geometrie und der Ausrichtung des Modells ab.
Auch hier zeigt sich bereits:
3D-Druck bedeutet nicht einfach nur, eine Datei zu laden und auf „Start“ zu drücken.
Die richtige Vorbereitung kann einen erheblichen Einfluss auf Druckqualität, Materialverbrauch und Druckdauer haben.
Warum ist FDM so weit verbreitet?
FDM beziehungsweise FFF gehört heute zu den bekanntesten und am weitesten verbreiteten 3D-Druckverfahren.
Das Verfahren bietet einige praktische Vorteile:
- vergleichsweise einfache Handhabung
- große Materialauswahl
- verhältnismäßig geringe Materialkosten
- funktionale Bauteile möglich
- unterschiedliche Druckergrößen
- geeignet für Einzelteile, Prototypen und Kleinserien
- unkomplizierter Materialwechsel
UltiMaker beschreibt FFF als eine der am weitesten verbreiteten Formen des 3D-Drucks und nennt unter anderem Prototypen, Werkzeuge und funktionale Bauteile als typische Einsatzbereiche.
Hat FDM auch Grenzen?
Natürlich.
Durch den schichtweisen Aufbau können beispielsweise sichtbare Layerlinien entstehen.
Sehr feine Details lassen sich je nach Drucker und Einstellung nicht beliebig klein abbilden.
Auch starke Überhänge können zusätzliche Stützstrukturen erfordern.
Und weil einzelne Schichten miteinander verbunden werden, können mechanische Eigenschaften je nach Belastungsrichtung unterschiedlich ausfallen.
Genau deshalb spielen Materialwahl, Konstruktion, Druckausrichtung und Einstellungen eine wichtige Rolle.
Wie sich diese Faktoren auf die Belastbarkeit auswirken, behandeln wir ausführlicher in unserem Beitrag „Wie stabil sind 3D-Drucke?“.
Vom Filament zum fertigen Bauteil
Der gesamte FDM-Prozess lässt sich vereinfacht so zusammenfassen:
Was auf den ersten Blick wie ein komplizierter technischer Prozess wirkt, folgt damit eigentlich einem sehr nachvollziehbaren Prinzip:
Aus einer digitalen Form wird durch den kontrollierten, schichtweisen Auftrag von Kunststoff ein reales Objekt.
Fazit: FDM ist 3D-Druck zum Zuschauen
Gerade beim FDM-Druck lässt sich besonders gut beobachten, was additive Fertigung eigentlich bedeutet.
Das Bauteil entsteht nicht verborgen in einer Form oder durch das Entfernen von Material.
Man kann tatsächlich dabei zusehen, wie es Schicht für Schicht wächst.
Filament wird erhitzt, durch eine feine Düse extrudiert und exakt dort abgelegt, wo es laut digitalem Modell benötigt wird.
Und nach hunderten oder sogar tausenden solcher Schichten steht dort plötzlich ein reales Bauteil, das vorher ausschließlich als digitale Datei existierte.
Genau das macht FDM zu einem so anschaulichen Beispiel für die Möglichkeiten des 3D-Drucks.