Einführung in den 3D-Druck

Was ist FDM-3D-Druck?

Fused Deposition Modeling (FDM) ist die weltweit am weitesten verbreitete Form des 3D-Drucks in Privathaushalten. Bei diesem Verfahren wird geschmolzenes Thermoplast schichtweise extrudiert, wobei jede Schicht abkühlt und erstarrt, bevor die nächste hinzugefügt wird.

FDM ist ein additives Fertigungsverfahren, im Gegensatz zu subtraktiven Prozessen wie CNC-Fräsen. Anstatt Material von einem festen Block abzutragen, verwendet FDM nur das Material, das für das Bauteil selbst benötigt wird, mit Ausnahme von Stützstrukturen für Überhänge. Diese Stützen werden nach dem Drucken entfernt und entsorgt.

Die Einzigartigkeit des FDM-Drucks liegt hauptsächlich in drei Schlüsselbereichen: dem verwendeten Material, der Slicing-Software, die 3D-Modelle in G-Code-Anweisungen umwandelt, und dem Extrusionssystem. Andere Komponenten wie Motoren und Steuerplatinen sind nicht exklusiv für FDM und kommen in vielen digitalen Fertigungsverfahren vor.

Vorteile des FDM-Drucks

FDM-Druck gilt als eine der erschwinglichsten und zugänglichsten Methoden des 3D-Drucks. Im Vergleich zu anderen Technologien wie SLA- oder Harzdruck sind sowohl die Maschinen als auch die Materialien kostengünstiger. Obwohl die Preise für Harzdrucker in den letzten Jahren gesunken sind, bieten sie in der Regel kleinere Bauraumvolumina, erfordern teurere Verbrauchsmaterialien und sind insgesamt weniger benutzerfreundlich.

Die Materialvielfalt für FDM ist umfangreich. Optionen umfassen flexible Filamente, Kohlefaser-Mischungen, Nylon, Polycarbonat sowie UV- und wetterbeständige Materialien. Viele hochtemperaturbeständige Materialien sind ebenfalls verfügbar, erfordern jedoch oft geschlossene und aktiv beheizte Umgebungen. Mit Hunderten von Filamenttypen auf dem Markt – von denen jeder einzigartige Eigenschaften wie Festigkeit, Flexibilität und Temperaturbeständigkeit bietet – lässt sich für nahezu jede Anwendung ein geeignetes Material finden, vorausgesetzt der Drucker ist mit einem kompatiblen Extruder und Hotend ausgestattet.

Im Vergleich zu harzbasierten Druckverfahren ist FDM auch deutlich sauberer und einfacher zu handhaben. Es entfällt der Umgang mit giftigen Chemikalien und typischerweise ist weniger Nachbearbeitung nötig. Das macht FDM anfängerfreundlicher und besser geeignet für den gelegentlichen oder häuslichen Gebrauch.

Verständnis der Achsbewegung im FDM-Druck

Bei FDM-3D-Druckern ist die Achsorientierung für Personen mit Hintergrund in Geometrie oder allgemeiner Mechanik möglicherweise ungewohnt. Die X-Achse bewegt das Werkzeug von links nach rechts, die Y-Achse bewegt es vorwärts und rückwärts, und die Z-Achse steuert die vertikale Bewegung. Auch wenn es kontraintuitiv erscheinen mag, ist diese Namenskonvention in der 3D-Druck-Community Standard.

Die gebräuchlichsten Achskonfigurationen basieren auf Cartesian- und CoreXY-Designs. Cartesianische Drucker arbeiten mit jeder Achse, die unabhängig von einem eigenen Schrittmotor gesteuert wird. Typischerweise bewegt sich die Bauplatte in Y-Richtung, während sich das Hotend in X-Richtung bewegt. Die gesamte Carriage bewegt sich in Z-Richtung. Diese Drucker werden häufig als „bed slingers“ bezeichnet.

Draufsicht auf einen „bed slinger“-Drucker

Einige Maschinen, wie die Ender-5-Serie, verwenden cartesianische Motorbewegungen, haben jedoch eine vertikal bewegliche Bauplatte. Zur Vereinfachung werden diese oft mit „Portal“- oder „Gantry“-Druckern gruppiert. Allgemein gilt: Drucker, bei denen das Bett sich vertikal in der Z-Achse bewegt, werden als Gantry-Style betrachtet, während solche, bei denen das Bett sich vorwärts und rückwärts in der Y-Achse bewegt, als Cartesian-Style oder umgangssprachlich als „bed slingers“ gelten.

CoreXY-Maschinen unterscheiden sich dadurch, dass die X- und Y-Achsen über ein Riemensystem synchronisiert werden, das von zwei Schrittmotoren angetrieben wird. Dies ermöglicht eine sanftere Bewegung, reduziert Z-Wackeln und verbessert die Stabilität – insbesondere bei schnellerem Drucken. Aufgrund dieser Vorteile gewinnen CoreXY-Drucker an Beliebtheit und sind inzwischen in Modellen wie der Bambu Lab X1- und P1-Serie zu finden.

Drucker wie der A1 und A1 Mini verwenden weiterhin cartesianische Konfigurationen und sind als „bed slingers“ bekannt.

Delta-Drucker arbeiten nach einem völlig anderen Prinzip und nutzen drei Arme, die in einem Dreieck angeordnet sind, um den Extruder über dem Druckbett zu positionieren. Obwohl sie hohe Druckgeschwindigkeiten und exzellente Qualität bieten können, erfordern sie höhere Rahmen und sind weniger kompakt als Cartesian- oder CoreXY-Alternativen. Diese Maschinen werden aufgrund des Platz- und Einrichtungsaufwands weitaus seltener verwendet, können aber hervorragende Ergebnisse erzielen.

Extruder-Typen: Direct vs. Bowden

FDM-Drucker verwenden einen von zwei Extrudertypen: Direct-Drive oder Bowden. Ein Direct-Drive-Extruder führt das Filament direkt vom auf dem Druckkopf montierten Motor in das Hotend. Im Gegensatz dazu nutzt ein Bowden-Extruder einen entfernten Motor, der das Filament durch ein PTFE-Rohr zum Hotend schiebt.

Bowden-Systeme reduzieren das Gewicht des Druckkopfs und ermöglichen schnellere Bewegungen. Sie tun sich jedoch mit Materialien wie TPU (flexibles Filament) schwer und erfordern oft präzise Feinabstimmung der Rückzugseinstellungen, um Fädenziehen zu vermeiden. Direct-Extruder bieten bessere Präzision, einfachere Handhabung mit flexiblen Materialien und generell verbesserte Extrusionskontrolle.

Jüngste Fortschritte in der Branche, wie Vibrationskompensation, haben den Gewichtsnachteil von Direct-Drive-Systemen weniger bedeutsam gemacht. Dadurch bieten mehr Hersteller inzwischen erschwingliche Modelle mit Direct-Drive-Konfigurationen an, und Bowden-Varianten werden seltener.

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