Fused Feedstock Deposition (FFD)

Materialextrusion

3D-Druck individueller Bauteile mit kommerziellen Spritzguss-Feedstocks

Mit dem Fused Feedstock Deposition können wir Ihnen die Fertigung individueller Bauteilgeometrien aus einer Vielzahl von kommerziell erhältlicher keramischer Werkstoffe anbieten. Mit unserem Know-how im Bereich der Feedstockentwicklung unterschiedlichster Materialien im Bereich des Vakuumheißgießens, können wir Ihnen, im Rahmen einer Machbarkeitsstudie, eine zusätzliche Werkstoffentwicklung anbieten, bei welcher der Feedstock genau auf Ihre Bedürfnisse angepasst werden kann.

Beim Fused Feedstock Deposition (FFD) wird ein keramischer Feedstock, in der Ausgangsform eines Granulates, aufgeschmolzen und per 3D-Druck-Verfahren selektiv auf eine Bauplattform aufgetragen. Grundlegend ähnelt das Verfahren stark dem Fused Deposition Modeling (FDM). Der Unterschied der beiden Verfahren liegt dabei in den verarbeiteten Materialien. Beim FDM kommen vorwiegend thermoplastische Kunststoffe zum Einsatz, wohingegen beim FFD thermoplastische Kunststoffe und Paraffine dazu eingesetzt werden, extrudier fähige Keramik- und/oder Metall-Feedstocks herzustellen, welche dann mittels 3D-Druck verarbeitet werden können.

Ablauf

Wie funktioniert Fused Feedstock Deposition im Detail?

Wie bei jedem anderen 3D-Druck-Verfahren beginnt der Prozess mit der Konstruktion einer CAD-Datei. Diese CAD-Datei wird dann per Software (Slic3r Prusa Edition) in horizontale Schichten (Slices) zerlegt, wobei die Höhe einer Schicht durch die gewählte Schichtdicke festgelegt wird. Die Schichtdicke hängt wiederum vom eingesetzten Düsendurchmesser ab. Normalerweise wird die Schichtdicke immer etwas kleiner als der Düsendurchmesser gewählt, um eine vollständige Haftung unter den einzelnen Schichten während des Drucks gewährleisten zu können. Zusätzlich übersetzt die Software die einzelnen Fahrwege des Druckkopfes jeder Schicht, in eine, für die FFD-Maschine verständliche Sprache (G-Code). Das Druckskript regelt neben den Bewegungen des Druckkopfes noch weitere druckspezifische Parameter, wie z.B. den Materialfluss oder die Druckkopfgeschwindigkeit während des Druckvorgangs.

Als Material kommen in der Regel kommerzielle Feedstocks in Form von Granulaten aus dem keramischen Spritzguss zum Einsatz. Das Granulat wird während des Drucks aus einem Reservoir in einen Schneckenextruder gezogen. Dort wird es gefördert und mittels eines Heizelementes auf Verarbeitungstemperatur erwärmt, wodurch es aufschmilzt. Durch die konstante Förderung des Feedstocks im Schneckenextruders, wird das aufgeschmolzene Material am Ende des Extruders durch eine Düse extrudiert, wodurch ein kontinuierlicher Strang auf der Bauplattform deponiert werden kann. Durch die, im G-Code zuvor generierten, Fahrwege wird mit diesem Strang jeweils eine Druckschicht des herzustellenden Bauteils aufgebaut. Die abgelegten Stränge einer Schicht erstarren und verfestigen durch Abkühlen auf der Bauplattform wieder, sodass eine weitere Schicht aufgetragen werden kann. Zum Auftragen der nächsten Schicht, wird dann die Z-Achse nach oben gefahren. Je nach Modell, entweder durch Heben des Druckkopfes oder durch Absenken der Bauplattform. Nun wird die nächste Schicht, mit den vorher per Software festgelegten Parametern, aufgetragen usw., bis das gesamte Bauteil aufgebaut wurde. Bevor das Bauteil gesintert werden kann, muss es einer Entbinderung unterzogen werden, um die thermoplastische Organik teilweise herauszulösen, welche sonst im Brand zu Verzug oder sogar Rissbildung im Bauteil führen kann. Nach dem Sintern hat das Bauteil dann seine, für den Einsatz entsprechenden werkstofflichen Eigenschaften, erhalten.

Möglichkeiten

Was sind die Möglichkeiten von Fused Feedstock Deposition?

Das FFD-Verfahren ist prinzipiell ein relativ kostengünstiges Verfahren, welches sich auf Grund seiner hohen Flexibilität insbesondere für die Prototypenentwicklung und Einzelfertigung eignet. Durch die relativ hohe Prozessgeschwindigkeit sind aber ebenfalls Kleinserienproduktionen denkbar. Mit dem FFD-Verfahren gefertigte Bauteile zeichnen sich i.d.R. durch eine geringe Porosität und eine hohe Festigkeit aus. Dabei kann die gewünschte Qualität, durch die Wahl unterschiedlicher Düseninnendurchmesser (0,4 – 1,5 mm) flexibel der entsprechenden Anforderung angepasst werden. Im Gegensatz zum Fused Deposition Modelling (FDM), kann bei FFD auf die anspruchsvolle Herstellung eines prozesssicheren Filaments verzichtet werden, indem hierbei Mischungen aus Thermoplasten und keramischem Pulver als fertiges Granulat zur Anwendung kommen. Da diese Granulate üblicherweise großtechnisch für den keramischen Spritzguss hergestellt werden, sind sie entsprechend kommerziell verfügbar. Somit kann auf eine breite Vielfalt an keramischen, metallischen, aber auch Polymerfeedstocks zurückgegriffen werden, und das zu überschaubaren Kosten.

Grenzen

Was sind die Grenzen von Fused Feedstock Deposition?

Bei unserem Drucksystem „FFD 150H“der Firma 3d-figo beträgt die maximale Bauteilgröße 150x150x150 mm. Dabei sollte die Wandstärke des Bauteils 1 mm nicht unter- und 5 mm nicht überschreiten. Überhängende Strukturen ab ca. 45°C müssen mit Stützstrukturen versehen werden. Die Auflösungsmöglichkeiten, sowie das Oberflächenfinish, kann hierbei allerdings nicht mit der Präzision des Binder-Jettings mithalten. Im Gegensatz zur kaltplastischen Extrusion, gibt es beim FFD einen zusätzlichen Entbinderungsschritt. Durch das breite Angebot an kommerziellen Feedstocks, können hierbei aber dafür Kosten im Bereich der Materialentwicklung eingespart werden.

Ansprechpartner

Dr. Dieter Nikolay