Fused Filament Fabrication (FFF)

Materialextrusion

3D-Druck Verfahren auf Filamentbasis

Das Fused Filament Fabrication (auch Fused Deposition Modelling (FDM) genannt) bietet die Möglichkeit individualisierte keramische Bauteile, sowie Kunststoffbauteile für Ihren Anwendungszweck herzustellen. Hierbei handelt es sich um ein additives Fertigungsverfahren, bei dem ein aufgerolltes Filament, das üblicherweise aus einem thermoplastischen Polymer besteht, in Richtung einer Düse gefördert wird. Durch Aufschmelzen des Filamentes kann das Material dann durch die Düse extrudiert und per 3D-Druck Verfahren verdruckt werden. Es ist historisch gesehen, das erste 3D-Druck Verfahren im Bereich der Material Extrusion, welches bereits 1987 zum Patent angemeldet wurde. Dabei können wir Sie bei der Konzipierung und Erstellung Ihrer Geometrien im CAD-Format unterstützen und beratend zur Seite stehen.

Ablauf

Wie funktioniert der Keramik 3D-Druck mit dem Fused Fused Fabrication (FFF) Verfahren im Detail

Wie bei jedem anderen 3D-Druck Verfahren muss als erstes eine CAD-Datei generiert worden sein, welche die genauen Maße des gewünschten Bauteils wiedergibt. Diese CAD-Datei wird dann von einer Software in horizontale Schichten (Slices) zerlegt. Die einzelnen Schichten werden gleichzeitig in Bewegungsbefehle in X- und Y-Richtung für den Düsenkopf im späteren Druck übersetzt. Das entstandene Druckskript legt außerdem fest, mit welchem Muster und Füllgrad die jeweiligen Schichten zu drucken sind. Beim eigentlichen Druck wird dann ein, auf einer Rolle befindliches Filament, per Zugkraft in Richtung der Düse gefördert. Vor der Düse befindet sich ein sogenanntes Hotend, in dem das Filament aufgeschmolzen wird. Durch weiteres Fördern und Aufschmelzen des Filamentes wird das Material so schlussendlich in Form eines Stranges durch die Düse gedrückt bzw. extrudiert. Mit den zuvor generierten Bewegungsbefehlen kann durch selektives Ablegen des Stranges auf der Bauplattform eine komplette Schicht gefüllt werden. Um die nächste Schicht drucken zu können, bewegt sich der D-Drucker dann in Z-Richtung, in Höhe der gewünschten Schichtdicke, nach oben. Das passiert entweder durch Anheben des Druckkopfes oder Absenken der Bauplattform , je nach Bauart des Druckers. Nun kann die nächste Schicht auf die vorherige aufgetragen werden.

Damit es zu einer guten Anhaftung der nächsten Schicht kommt und das bereits abgelegte Material nicht vorzeitig erstarrt, wird die Bauplattform zusätzlich beheizt. Wurden alle Schichten gedruckt ist das Bauteil fertig. Bei der Verwendung eines thermoplastischen Filamentes mit Keramikanteil, folgt noch ein Entbinderungsschritt, bei dem die organischen Anteile aus dem Bauteil herausgezogen werden, welche sonst beim Sintern zu unerwünschten Verformungen und Rissen im späteren Bauteil führen können. Erst durch den Sinterprozess erhält das Bauteil dann seine eigentlichen keramischen Eigenschaften.

Möglichkeiten

Was sind die Möglichkeiten des 3D Druck Verfahrens?

Fused Filament Fabrication verfügt, wie auch die kaltplastische Extrusion und das FFD-Verfahren, über eine hohe Prozessgeschwindigkeit, welche maßgeblich von der gewünschten Präzision und damit von der Wahl des Düseninnendurchmessers abhängig ist. Da es das momentan am weitesten verbreite Verfahren im Bereich der Material Extrusion darstellt, kann sich zum einen auf ein hohes Know-how im Bereich der Parametereinstellungen gestützt und zum anderen auf eine breite Palette an kommerziell erhältlichen Filamenten zurückgegriffen werden. Neben Thermoplasten wie PLA und ABS sind mittlerweile auch keramische und metallische Werkstoffe erhältlich. Grundlegend eignet sich das Verfahren insbesondere zur Herstellung von Einzelbauteilen bis hin zu kleineren Serien. Aus Kunststoffen können Spezialbauteile (z.B. Halterungen) für Prototypen angefertigt werden und aus Keramik individualisierte Bauteile für Anwendungen mit bestimmten mechanischen und physikalischen Eigenschaften. Sofern das Oberflächenfinish nicht von ausschlaggebender Bedeutung ist, können sogar komplexere Urformen für das Vakuumheißgießen hergestellt werden.

Grenzen

Wo sind die Grenzen von Fused Filament Fabrication?

Durch die Verwendung des bei uns eingesetzten Prusa i3 MK3 ist die Bauteilgröße auf 200x200x200 mm beschränkt. Infolge von Instabilität, sollte die Wandstärke nicht kleiner als 1 mm gewählt werden. Besitzen Bauteile einem deutlichen Überhang (ab 45°) müssen Stützstrukturen zur Anwendung kommen. Aufgrund der starken Abhängigkeit von kommerziellen Produkten, bietet das Verfahren im Bereich der Materialentwicklung nicht ansatzweise den gleichen Spielraum wie z.B. KPE, wodurch es für Entwicklungsprojekte gänzlich ungeeignet ist. Und bei der Verwendung von keramischen Filamenten muss, wie beim FFD, vor der Sinterung mit einem Entbinderungsschritt gearbeitet werden.

Ansprechpartner

Anurag Kadam