«Fused Deposition Modeling», abgekürzt FDM bedeutet frei übersetzt: geschmolzener Schichtaufbau. FDM ist eine der ältesten und einfachsten 3D-Druck Technologien. FDM-Bauteile zeichnen sich durch einen ausgeprägten Schichtaufbau (Engl. layer) aus. «Fused Deposition Modeling» ist ein eingetragener Markenname der sich im Markt etabliert hat, ein neutralerer Begriff für dieselbe Technologie ist das FFF «Fused Filament Fabrication».
Zug- und Bruchfestigkeit
Die Schichten des Druckteils sind von Auge sichtbar und die Festigkeit in Aufbaurichtung wird durch die Haftung der Schichten aufeinander bestimmt. Die Festigkeit verringert sich deshalb auch in Aufbaurichtung. Denn die untere Schicht ist bereits vollständig erhärtet, während die nächste gedruckt wird. Darum schmilzt sie nur bedingt an den letzten Layer an. Das führt dazu, dass die Zug- und Bruchfestigkeit des Bauteils in Aufbaurichtung nur etwa 40 % der Zugfestigkeit des Bauteils in x/y- Richtung entspricht. Da Flächen aus nebeneinandergelegten Materialbahnen bestehen, ist ebenso eine Verminderung der Zugfestigkeit gegeben. Deshalb haben FDM-Bauteile nur etwa 70 % der Zugfestigkeit des eigentlichen genutzten Kunststoffmaterials.
Infill mit Wabenstrukturen
Mit FDM 3D-Druck ist es möglich, einen geschlossenen Hohlraum zu fertigen. FDM-Bauteile werden meist nicht als Vollmaterial-Modelle gefertigt, sondern mit einem sogenannten «Infill» von 20-30 % des Volumens. Im Inneren bestehen die Bauteile dann aus wabenförmigen Strukturen.
Echte Materialien beim FDM 3D-Druck Verfahren
Zudem werden alle Materialien «unverfälscht» durch Schmelzen aufgebracht, was die direkte Anwendung bekannter technischer Materialien ermöglicht. Die meisten thermoplastischen Materialien eignen sich zum FDM Druck, somit kann man die grosse Vielzahl der Spritzgussmaterialien ebenfalls für den 3D-Druck verwenden. Andere 3D-Druckverfahren nutzen oft «verwandte» Materialien, die ähnliche oder annähernde Eigenschaften haben, wie das gewünschte Material.
Wie funktioniert der FDM 3D-Druck?
Das 3D-Modell eines Bauteils wird in eine «Slicing Software» geladen. In diesem Programm wird der Maschinencode erzeugt. Dafür wird das Bauteil in Schichten von 0.1-0.3 mm zerlegt. Der Verfahrweg des Druckkopfes wird nun automatisiert geschrieben. Dabei «zeichnet» der Druckkopf die Aussenkontur des Bauteils und füllt die Stellen aus, die solide sein sollen. Die Software erzeugt eine Datei, die den Fahrweg des Druckkopfes sowie weitere Informationen, wie zum Beispiel die benötigte Schmelztemperatur des Materials, beinhaltet. Der fertige Code wird an den 3D-Drucker gesendet.
Filament
Als Druckmaterial wird ein Kunststoffdraht durch einen Vorschub in den Druckkopf gepresst. Der Kunststoffdraht, auch Filament genannt, wird auf die eingestellte Schmelztemperatur erhitzt, damit er zähflüssig wird. Diese genaue Temperatureinstellung sorgt dafür, dass das aufgetragene Material nicht wegfliesst und bereits nach wenigen Sekunden nach dem Auftragen aushärtet. Die zähflüssige Masse wird durch das nachrückende Material aus dem Druckkopf gepresst. Dieser Vorgang ist genau auf die Bewegung des Druckkopfes kalibriert, sodass dieser eine gleichmässige Materiallinie auslegt. Das wird so lange ausgeführt, bis die Schicht fertig ist. Danach fährt der Druckkopf um die eingestellte Schichtstärke nach oben und repetiert den Vorgang mit den Daten der nächsten Schicht. Dadurch entsteht die für den 3D-Druck typische Schichtbauweise.
Schrägen, Treppen und Stützen
Sind Schrägen am Bauteil vorgesehen, sehen sie an der Oberfläche aus, wie Treppenstufen. Je flacher der Winkel von der xy-Ebene abweicht, desto sichtbarer und länger sind die Treppenstufen. Aufgrund der waagrechten Ablegung der Schichten ist ein Überhang von mehr als 45° nur mit Stützmaterial druckbar. Die Stützen werden von der «Slicing Software» gleich mitprogrammiert und gefertigt, sodass ein Untergrund für die Layer entsteht. Komplexe Formen zu drucken ist dank wasserlöslichen Materialien, für den Druck der Stützbauten, möglich. Die Stützen werden nach dem Druck einfach in einem Wasserbad ausgespült.