Das Fused Layer Modeling, kurz FLM, ist ein Extrusionsverfahren und zugleich ein wichtiges additives Fertigungsverfahren für Kunststoffe. Vorgefertigtes thermoplastisches Material wird in geheizten Düsen aufgeschmolzen und schichtweise als Strang aufgetragen. Durch die Verwendung von eingefärbten Kunststoffen können auch mehrfarbige Bauteile gefertigt werden.
Wir stellen das FLM näher vor!
Inhalt:
Fused Layer Modeling
Das FLM gehört zu den am weitesten verbreiteten 3-D-Druckverfahren. Dabei wird ein drahtförmiger Kunststoff, ein sogenanntes Filament, in einer Düseneinheit aufgeschmolzen und anschließend in Schichten definiert auf ein Substrat abgelegt. Die einzelnen Stränge verbinden sich nach dem Abkühlen dauerhaft miteinander.
Das Verfahren arbeitet in erster Linie mit thermoplastischen Kunststoffen.
Aus technischer Sicht handelt es sich bei FLM um ein Extrusionsverfahren. Denn beim Fused Layer Modeling führt ein Extruder dem Druckkopf das Filament zu und erhitzt es im Inneren, bis das Filament verflüssigt ist. In diesem Zustand kann eine bewegliche Düse das Filament dann punktgenau auf eine Bauplattform auftragen.
Schicht für Schicht wird der plastifizierte Kunststofffaden dort auf die vorhergehende, schon verfestigte Schicht aufgebracht. Flächen entstehen, indem die Stränge eng nebeneinander abgelegt werden. Um Konturen zu erzeugen, werden die Stränge entsprechend gekrümmt. Je nach Geometrie des Bauteils können die Stränge dabei sehr unterschiedliche Längen haben.
Obwohl der Kunststoff sehr schnell erstarrt, müssen Bauteile mit größeren Überhängen oder Hinterschneidungen abgestützt werden.
Die Stützen sind vollautomatisch generiert und bestehen aus einem spröden Werkstoff, meist ebenfalls einem Kunststoff. Später werden die Stützen entweder manuell entfernt oder bei Systemen mit Doppelextrudern in einem Laugenbad ausgewaschen.
Die Materialien für FLM
Für das Fused Layer Modeling stehen sehr viele Kunststoffe zur Verfügung.
Dazu gehören zum Beispiel Polypropylen (PP), Polylactid (PLA), Polyethylenterephthalat mit Glykol (PETG) und thermoplastische Elastomere. Auch Konstruktionsmaterialien wie Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS), Polycarbonat (PC), PC-ABS und spezielle Ausführungen für die Medizintechnik können verarbeitet werden.
Gleiches gilt für Hochleistungskunststoffe wie Polyetheretherketon (PEEK) oder Polyetherimide (PEI), die unter anderem in der Luft- und Raumfahrt genutzt werden.
Neben einer großen Bandbreite an Kunststoffmaterialien gibt es für FLM auch eine Vielzahl an Farben. Sogar fluoreszierende Materialien sind verfügbar. Allerdings ist die Farbe im Filament, also dem Materialstrang, gebunden. Ein Farbwechsel während des Prozesses ist deshalb nicht möglich.
Anwendungsgebiete für das Extrusionsverfahren
Mittels FLM können wir stabile und haltbare Bauteile fertigen, die sich durch eine gute Steifigkeit kennzeichnen. Ohne weitere Bearbeitung ist die Oberfläche aber eher grob. Für sehr detailreiche Bauteile ist das Verfahren deshalb nicht geeignet.
Zu den typischen Anwendungen für FLM gehören präzise Bauteile, die in anspruchsvollen Tests und rauen Umgebungen zum Einsatz kommen, sowie Befestigungsteile, -werkzeuge und -prototypen.
Außerdem verwenden wir das Verfahren, um Bauteile für die Automobilbranche, die Medizintechnik und die Luft- und Raumfahrt zu fertigen.
Die Vorteile vom Fused Layer Modeling
Das Fused Layer Modeling ermöglicht, vergleichsweise große Volumen in ziemlich kurzer Zeit aufzubringen. Gleichzeitig ist die technische Umsetzung relativ einfach. Die benötigten Maschinen können auch in Umgebungen betrieben werden, in denen nur ein begrenzter Raum zur Verfügung steht.
Im Unterschied zu den meisten anderen Fertigungsverfahren können wir beim FLM unterschiedliche Kunststoffarten innerhalb eines Bauprozesses und theoretisch sogar innerhalb einer Schicht verwenden.
Die Anzahl der eingesetzten Materialien wird nur dadurch begrenzt, dass die entsprechend benötigten Extrusionsköpfe geometrisch in der Maschine untergebracht und technisch in den Prozess eingebunden werden müssen.
Ein weiterer Pluspunkt besteht darin, dass der Werkstoff komplett verwendet wird. Lösungsmittel und andere Zusätze sind nicht erforderlich. Außerdem wird nur die Menge an Material in den Fertigungsprozess einbezogen, die benötigt wird, um das Bauteil und eventuelle Stützen anzufertigen.
Das Material, das nicht zum Bauteil verarbeitet wird, ist an dem Prozess nicht beteiligt. Dadurch ergeben sich keinerlei Vorschädigungen und der Werkstoff bleibt uneingeschränkt nutzbar.
Die Nachteile vom Fused Layer Modeling
Zu den größten Nachteilen vom Fused Layer Modeling gehört, dass es nicht möglich ist, Strukturen darzustellen, die feiner sind als die Extrusionsbreite. Auch Details sollten nicht kleiner sein als die doppelte Spurbreite. Dünne Schlitze und vor allem feine Rippen sind deshalb nur bedingt zu realisieren.
Wenn teigige Volumen durch Extrusion aufgetragen werden, hat der extrudierte Strang immer einen Anfang und ein Ende. Je nach Material bleibt der Ansatz auch nach dem Schließen der Kontur als sogenannte Bindenaht sichtbar.
Diese macht sich vor allem dann bemerkbar, wenn sich die Ansätze der Stränge in jeder Schicht an der gleichen Stelle befinden. Hinzu kommt, dass manche Kunststoffmaterialien dazu neigen, Fäden oder Kondenswasser zu bilden. Weil die Düsen anfällig für Verstopfungen sind, muss deshalb im Rahmen der Fertigung auch ein geeigneter Reinigungsmechanismus eingeplant werden.
Vor allem preiswerte Maschinen und Fabber haben mitunter einen großen Düsenquerschnitt, der zu recht groben Bauteilen führt. Bei einem Fabber handelt es sich um ein Gerät, das dreidimensionale Gegenstände aus Daten erzeugt, die ein Computer generiert hat.
Nicht zuletzt spielt beim FLM auch die verfahrensbedingte Anisotropie eine Rolle. Der schichtweise Aufbau bei der Fertigung bringt es mit sich, dass die Abschnitte des Bauteils, die in der Ebene geschichtet sind, eine stabilere Verbindung miteinander haben als die Abschnitte, die vertikal übereinander gestapelt sind.
Andere Bezeichnungen für das Verfahren
Synonyme für das Fused Layer Modeling sind Fused Deposition Modeling, kurz FDM, und Fused Filament Fabrication, kurz FFF. Dass es für ein Verfahren drei verschiedene Bezeichnungen gibt, hängt mit dem Patentrecht zusammen.
Das Unternehmen „Stratasys“ entwickelte diese 3-D-Drucktechnologie erstmals und ließ sie unter dem Namen FDM als Trademark registrieren.
Trotzdem fingen andere Unternehmen damit an, entsprechende 3-D-Drucker zu produzieren. Gleichzeitig entschieden sie sich dafür, die Bezeichnung FFF zu verwenden. Hierzulande hingegen ist gemäß der Richtlinien zum Extrusions-3-D-Druck die Kurzbezeichnung FLM üblich.
