FLM: Funktionsweise, Werkstoffe und Vorteile des 3D-Druckverfahrens
FLM: Funktionsweise des 3D-DruckverfahrensDiese Werkstoffe lassen sich beim FLM-Verfahren verarbeitenAnwendung von Polymilchsäure bei FLM-VerfahrenVor- und Nachteile des FLM-Verfahrens für Industrie, Gewerbe und Privat
FLM: Funktionsweise des 3D-Druckverfahrens
FLM steht für „Fused Layer Modeling“ und gilt als Verfahren, welches im 3D-Druck am weitesten verbreitet ist. Dabei handelt es sich nicht um ein neuartiges Verfahren, sondern um eines, das bereits Ende der 1980er Jahre durch S. Scott Crump und seine Frau entwickelt und patentiert wurde. Schon bald danach wurde das Verfahren kommerziell genutzt, wobei der große Durchbruch erst 2005 durch Dr. Adrian Bowyer von der englischen University of Bath vorangetrieben wurde. Der Name FLM basiert auf den Richtlinien des VDI. Seit 2009 ist das Grundpatent ausgelaufen, nun darf FLM von allen Herstellern genutzt werden. Übrigens: Auch die Bezeichnungen „FFF“ und „FDM“ stehen für das FLM-Verfahren.
Kommerziell genutzte Heißklebepistole?
Damit bedient sich FLM dem Prinzip der Heißklebepistole, bei der ebenfalls das Kunststoff-Filament geschmolzen wird. Aus diesem wird nun ein Modell gefertigt.
Bei diesem 3D-Druckverfahren hat das Filament aber noch eine weitere Funktion. Es dient als Kolben, über den der geschmolzene Zustand extrudiert wird. Schicht für Schicht entsteht ein gewünschtes Modell. So entsteht am Ende das gewünschte Bauteil.
Mittlerweile gibt es viele verschiedene FLM-Drucker und es ist sogar möglich, Angebote für FLM-Drucke zu erhalten.
Doch auch zu Hause kann sich jeder, der die nötige Ausrüstung hat, das gewünschte Produkt mit dem FLM-Drucker fertigen. Dieser verfügt in der Regel über drei Achsen, die in einem kartesischen Koordinatensystem arbeiten.
Damit bedient sich FLM dem Prinzip der Heißklebepistole (Foto: AdobeStock - 142585556 helenedevun)
Das heißt, die Achsen lassen Bewegung von links nach rechts, von vorn nach hinten sowie von oben nach unten und jeweils umgekehrt zu.
Die technische Umsetzbarkeit sowie die Anwendung der Drucker sind einfach und ungefährlich. Verbrennungen, die bei der Verwendung von Photopolymeren für den 3D-Druck entstehen, treten nicht auf.
Diese Werkstoffe lassen sich beim FLM-Verfahren verarbeiten
Je nach gewünschter Anwendung sowie der nötigen Eigenschaften lässt sich ein passendes Filament finden.
Das gewünschte Modell ist dabei maßgeblich für die Wahl des Filaments.
Wichtig ist, dass es sich stets um thermoplastische Materialien handelt, das heißt um solche, die unter Einfluss von Wärme aufschmelzen, im geschmolzenen Zustand formbar sind und danach wieder aushärten.
Im Gegensatz zu Duroplasten und Elastomeren liegt hier keine chemische Reaktion, die nicht mehr rückgängig gemacht werden kann, vor.
Thermoplastische Kunststoffe liegen in zwei Varianten vor:
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Amorphe Kunststoffe:
Die vorliegenden Strukturen der langen Polymerketten sind ungeordnet und nicht regelmäßig. Sie bilden eine Art Haufen. Nach dem Aufschmelzen und im Rahmen des Abkühlens ist die Volumenabnahme bei diesen Kunststoffen geringer, sie verziehen sich zudem deutlich weniger.
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Teilkristalline Kunststoffe:
Die Strukturen der langen Polymerketten sind zumindest teilweise dicht und regelmäßig. Beim Abkühlen nach dem Aufschmelzen nimmt das Volumen der Strukturen stark ab, die Kunststoffstränge verkleinern sich enorm. Dies wird als Schwindung bezeichnet. Da diese nicht immer gleichmäßig im gesamten Bauteil erfolgt, ist ein Verziehen desselben möglich.
Beim FLM-Verfahren wird schichtweise gearbeitet. Die Schmelzstränge, die noch abkühlen und schwinden, werden schichtweise auf die schon erkalteten Schichten gelegt. Durch die Abkühlung der noch heißen Schicht wird ein Zug auf die darunter befindliche Geometrie ausgeübt. Es ist möglich, dass sich Risse zeigen oder dass sich die Eckbereiche der Bauteile lösen. Dort liegen die stärksten Zugkräfte vor.
Diese unerwünschten Effekte lassen sich reduzieren, indem geeignete Prozessbedingungen geschaffen werden. Diese sehen unter anderem eine ausreichende Umgebungstemperatur, die Belüftung der Bauteile sowie die Wahl des passenden Kunststofftyps vor. Die Anwendung von teilkristallinen Werkstoffen verlangt eine deutlich größere Fachkenntnis beim Anwender und wird daher meist eher im gewerblichen Bereich als durch Heimwerker genutzt.
- bei niedrigen Temperaturen zwischen 190 und 220 °C verarbeitbar
- stabil und schwindet wenig
- nicht gesundheitsschädlich
- einfach anzuwenden und stellt keine besonderen Anforderungen an den Drucker
Verwendung von speziellen Kunststoffen
Bei manchen Anwendungen ist PLA nicht das richtige Material, dann kommen technische Werkstoffe wie Polycarbonat oder ABS infrage. Auch Hochleistungskunststoffe, wie sie in der Luft -und Raumfahrt verwendet werden, sind teilweise eine bessere Wahl.
Verarbeitet werden unter anderem PEI und PEEK, wobei für beide die Düse stärker beheizt werden muss. Für PEEK werden Temperaturen ab 360 °C empfohlen!
Im Druckkopf muss zudem eine gute thermische Trennung vorliegen, da das Filament andernfalls nicht mehr zu befördern ist.
Die Umgebungsbedingungen müssen unbedingt angepasst werden: Unter anderem ist die Raumtemperatur zu erhöhen, sodass die einzelnen Schichten nicht zu schnell auskühlen. Die Befahr des Verziehens wäre zu groß. Zudem ist das Verschweißen bei zu niedrigen Temperaturen nur unzureichend möglich.
Thermoplastische Elastomere sind für FLM-Verfahren hervorragend geeignet, wobei diese eine Härte von rund 85 Shore A erreichen. Mithilfe besonderer Maßnahmen ist eine Härte von etwa 65 Shore A möglich.
Darüber hinaus können Filamente verwendet werden, die mit Additiven gefüllt sind. Denkbar sind hier unter anderem Füllungen mit Metallpulver, Holzpartikeln, Metallpulver oder Treibmitteln.
Verwendung mehrerer Materialien
Die Kombination der Werkstoffe innerhalb einer Schicht ist durch die Nutzung mehrerer und voneinander unabhängig arbeitender Düsen möglich.
Die unterschiedlichen Filamente laufen dann in einer Düse zusammen.
- mehrere Druckköpfe auf einer Achse
- automatisch wechselbare Druckköpfe
- automatisch wechselnde Filamente
- Verschweißung unterschiedlicher Materialabschnitte je nach Filament
- Verwendung löslicher und nachträglich entfernbarer Stützen
Vor- und Nachteile des FLM-Verfahrens für Industrie, Gewerbe und Privat
Klar ist mittlerweile, dass FLM-Verfahren ein großes Potenzial trotz einiger Nachteile haben. Vor allem die Möglichkeit, in kurzer Zeit große Volumen zu verarbeiten, sowie die einfache technische Umsetzung macht das Verfahren so beliebt. Mittlerweile gibt es eine große Vielfalt an 3D-Druckern, die auf dieses Verfahren spezialisiert sind. Damit ist diese Art des 3D-Drucks auch für Heimanwender interessant, denn sie müssen keine technische Vorausbildung mitbringen, um mit dem Verfahren arbeiten und gute Ergebnisse erzeugen zu können. Die einfacheren Geräte überzeugen auch preislich, denn einfache 3D-Drucker, die mit dem FLM-Verfahren arbeiten, sind schon im unteren Preisbereich erhältlich.
Video: Fused Layer Modeling-Verfahren (FLM) - Deutsch
FLM hat auch Nachteile
Werden bei der Verwendung mehrerer Materialien Stützelemente genutzt, müssen diese nachträglich entfernt werden. Das wiederum ist nicht immer einfach, denn bei einem Abbrechen der Stütze kann ein Schaden am Werkstück entstehen. Sichtbare Fehler sind auch möglich, wenn die Stützen durch Schneiden oder anderweitiges Herauslösen entfernt werden.
Die betroffenen Oberflächen unterscheiden sich später stets vom übrigen Werkstück, wenn keine Nacharbeiten vorgenommen werden. Ebenfalls von Nachteil ist die Anisotropie, die bei der Verbindung mehrerer Schichten entsteht.
Das Werkstück ist damit nicht gleichmäßig stabil, sondern an den Schweißstellen, die die Verbindung der einzelnen Schichten miteinander darstellen, weniger fest als innerhalb einer Schicht. Durch die Nutzung verschiedener Werkstoffe kann es zudem zu Abweichungen unter den einzelnen Schichten kommen.
Die Oberflächengüte ist nicht immer ausreichend. Unbehandelt zeigen sich FLM-gefertigte Bauteile oft mit einer rauen Oberfläche, die teilweise Grate und Unebenheiten aufweisen kann.
Im Vergleich zu Teilen, die beim Spritzgießen entstehen, zeigen sich FLM-Bauteile teilweise mit einer treppenartigen Struktur an Schrägen und Krümmungen, da das Aufbringen der einzelnen Schichten nicht immer gleichmäßig möglich ist.
Gegenüber den üblichen Standardwerten können die einzelnen Schichthöhen und Durchmesser der Düsen zwar verringert werden, extreme Auflösungen wie bei anderen Verfahren, die harzbasiert sind, lassen sich aber nicht erreichen. Wer feine Details wünscht, muss dafür außerdem eine längere Druckzeit in Kauf nehmen, was bei der Beauftragung des Drucks zu einer geringeren Wirtschaftlichkeit führt.
