Einführung in den 3D-Druck

Was ist FDM-3D-Druck?

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

FDM ist ein additives Fertigungsverfahren, im Gegensatz zu subtraktiven Prozessen wie der CNC-Fräse. 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 Druck entfernt und entsorgt.

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

Vorteile des FDM-Drucks

Der FDM-Druck gilt als eine der erschwinglichsten und zugänglichsten Methoden des 3D-Drucks. Im Vergleich zu anderen Technologien wie SLA- oder Resin-Druck sind sowohl die Maschinen als auch die Materialien kostengünstiger. Obwohl die Preise für Resin-Drucker in den letzten Jahren gesunken sind, bieten sie im Allgemeinen kleinere Bauvolumen, teurere Verbrauchsmaterialien und sind im Allgemeinen weniger benutzerfreundlich.

Die Materialvielfalt für FDM ist umfangreich. Optionen umfassen flexible Filamente, Kohlefaser-Mischungen, Nylon, Polycarbonat, UV-beständige und witterungsbeständige Materialien. Viele Hochtemperaturmaterialien sind ebenfalls verfügbar, erfordern jedoch oft geschlossene und aktiv beheizte Umgebungen. Mit Hunderten von Filamenttypen auf dem Markt — die jeweils einzigartige Eigenschaften wie Festigkeit, Flexibilität und Wärmebeständigkeit bieten — ist es möglich, für nahezu jede Anwendung ein geeignetes Material zu finden, vorausgesetzt der Drucker ist mit einem kompatiblen Extruder und Hotend ausgestattet.

Im Vergleich zu harzbasierten Druckverfahren ist FDM zudem deutlich sauberer und einfacher zu handhaben. Es entfallen der Umgang mit giftigen Chemikalien und in der Regel aufwändigere Nachbearbeitung. Das macht FDM einsteigerfreundlicher und besser geeignet für den Hobby- oder Heimbereich.

Achsenbewegung im FDM-Druck verstehen

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 von vorne nach hinten und die Z-Achse steuert die vertikale Bewegung. Obwohl dies kontraintuitiv erscheinen mag, ist diese Benennung innerhalb der 3D-Druck-Community Standard.

Die gebräuchlichsten Achskonfigurationen basieren auf Cartesian- und CoreXY-Designs. Cartesian-Drucker arbeiten mit jeweils von eigenen Schrittmotoren gesteuerten Achsen. Typischerweise bewegt sich die Bauplatte in Y-Richtung, während sich das Hotend in X-Richtung bewegt. Die gesamte Traverse bewegt sich in Z-Richtung. Diese Drucker werden oft als „bed slinger“ bezeichnet.

Draufsicht auf einen „bed slinger“-Drucker

Manche Maschinen, wie die Ender-5-Serie, verwenden cartesianische Motorbewegungen, haben aber eine vertikal bewegliche Bauplatte. Diese werden der Einfachheit halber oft zu den „Gantry“-Druckern gezählt. Allgemein gelten Drucker, bei denen das Bett sich vertikal in der Z-Achse bewegt, als Gantry-Stil, während solche, bei denen das Bett sich vor- und zurück in der Y-Achse bewegt, als Cartesian-Stil oder umgangssprachlich als „bed slingers“ betrachtet werden.

CoreXY-Maschinen unterscheiden sich dadurch, dass X- und Y-Achse über einriemensystem synchronisiert werden, das von zwei Schrittmotoren angetrieben wird. Dies ermöglicht flüssigere Bewegungen, reduzierte Z-Vibrationen und verbesserte Stabilität — besonders bei höheren Druckgeschwindigkeiten. CoreXY-Drucker gewinnen aufgrund dieser Vorteile an Beliebtheit und sind inzwischen in Modellen wie der Bambu Lab X1- und P1-Serie zu finden.

Drucker wie die 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 ausgezeichnete Qualität bieten können, benötigen sie höhere Rahmen und sind weniger kompakt als Cartesian- oder CoreXY-Alternativen. Diese Maschinen werden aufgrund von Platz- und Einrichtungsanforderungen deutlich seltener eingesetzt, sind aber zu hervorragenden Ergebnissen fähig.

Extrudertypen: Direktantrieb vs. Bowden

FDM-Drucker verwenden einen von zwei Extrudertypen: Direktantrieb oder Bowden. Ein Direktantriebsextruder führt das Filament direkt vom auf dem Druckkopf montierten Motor in das Hotend. Im Gegensatz dazu verwendet ein Bowden-Extruder einen entfernten Motor, der das Filament durch ein PTFE-Röhrchen zum Hotend drückt.

Bowden-Systeme verringern das Gewicht des Druckkopfs und ermöglichen schnellere Bewegungen. Sie haben jedoch Schwierigkeiten mit Materialien wie TPU (flexibles Filament) und erfordern oft präzise Einstellung der Retraktionsparameter, um Fädenbildung zu vermeiden. Direktextruder bieten bessere Präzision, einfachere Handhabung bei flexiblen Materialien und im Allgemeinen verbesserte Extrusionskontrolle.

Jüngste Fortschritte in der Branche, wie Vibrationskompensation, haben den Gewichtsnachteil von Direktantriebssystemen weniger bedeutend gemacht. Infolgedessen bieten immer mehr Hersteller erschwingliche Modelle mit Direktantrieb an, und Bowden-Konfigurationen werden seltener.

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Zusammenfassung

• Fused Deposition Modeling (FDM) ist ein additives 3D-Druckverfahren, das geschmolzenes Thermoplast schichtweise extrudiert und jeder Schicht Zeit zum Verfestigen gibt, bevor die nächste hinzugefügt wird.

• Im Gegensatz zu subtraktiven Methoden wie CNC-Fräsen verwendet FDM nur das für das Bauteil benötigte Material plus temporäre Stützen, was es effizient und materialsparend macht.

• FDM-Druck hängt von drei Hauptfaktoren ab: dem Filamentmaterial, der Slicing-Software, die G-Code erzeugt, und dem Extrusionssystem; andere Komponenten wie Motoren werden mit anderen Fertigungsarten geteilt.

• Es ist die erschwinglichste und zugänglichste 3D-Druckmethode und bietet eine große Auswahl an Materialien, einschließlich flexibler, verstärkter und hochtemperaturbeständiger Filamente, geeignet für Hobbyisten und Profis.

• FDM-Drucker gibt es mit verschiedenen Bewegungssystemen: Cartesian („bed slinger“), Gantry, CoreXY (riemengetriebene Synchronisation für flüssigere Bewegungen) und Delta (dreieckige Armpositionierung für Geschwindigkeit und Präzision).

• Extruder sind entweder Direktantrieb (Motor am Hotend für bessere Kontrolle bei flexiblem Filament) oder Bowden (entfernter Motor für leichtere, schnellere Bewegungen), wobei moderne Verbesserungen Direktantriebe für Vielseitigkeit begünstigen.