Zusammenfassung:Fused Filament Fabrication (FFF) ist ein additiver Fertigungsprozess (AM), bei dem dreidimensionale Objekte hergestellt werden, indem geschmolzenes thermoplastisches Material Schicht für Schicht selektiv abgelagert wird.Dieser Leitfaden enthält eine detaillierte Untersuchung der FFF-Technologie, die seine Grundprinzipien, Prozessvariationen, Konstruktionsüberlegungen, Materialien, Nachbearbeitungstechniken und verschiedene Anwendungen umfasst.Es dient als autorisierte Referenz für Ingenieure, Designer und Hersteller, die diese weit verbreitete Fertigungstechnologie verstehen und nutzen wollen.
1. Einführung in die Herstellung von Fusionsfasern
Herstellen aus geschmolzenen Fasern (FFF),auch allgemein als Fused Deposition Modeling (FDM) bekannt, ist eine von Stratasys eingetragene Marke eine der am weitesten verbreiteten und zugänglichsten additiven FertigungstechnologienDas Kernprinzip von FFF besteht darin, ein thermoplastisches Filament bis zu seinem Schmelzpunkt zu erhitzen und es in einem kontrollierten Muster durch eine Düse zu extrudieren, wodurch das Objekt Schicht für Schicht aufgebaut wird.Diese Technologie fällt unter die breitere Kategorie der additiven Herstellung durch Materialextrusion, wie von ASTM International definiert.
Die Geschichte von FFF ist mit FDM verflochten, das Ende der 1980er Jahre von Dr. S. Scott Crump erfunden und patentiert wurde.Nach dem Ablauf wichtiger Patente und dem Aufstieg des Open-Source-Projekts RepRap (Replicating Rapid Prototyper), wurde die Technologie für die Öffentlichkeit weit verbreitet, was zur Annahme des nicht patentierten Begriffs "Fused Filament Fabrication" oder seines Synonyms "Fused Filament Fabrication (FFF) " führte.Diese Demokratisierung hat Innovationen angetrieben und FFF zu einer der beliebtesten und kostengünstigsten 3D-Druckmethoden für Hobbyisten und Profis gemacht.
FFF zeichnet sich durch seine einfache Bedienung, eine breite Materialauswahl und Kosteneffizienz für Prototypen und geringe Produktionsmengen aus.Um sein volles Potenzial zu verstehen, muss man sich tief in die Prozessmechanik eintauchen., Konstruktionsbeschränkungen und den laufenden Fortschritten, die seine Fähigkeiten weiter erweitern.
2Der FFF-Prozess: Schritt für Schritt
Der FFF-Prozess kann systematisch in drei Hauptphasen unterteilt werden: Vorverarbeitung, Druck und Nachverarbeitung.
2.1. Vorverarbeitung (digitale Vorbereitung)
Diese Phase beinhaltet die Vorbereitung des digitalen Modells für den Druck.die die äußere Geometrie des Objekts mit einem Maschen aus Dreiecken darstelltDieses Modell wird dann in die Schneidsoftware importiert. Die Software schneidet das 3D-Modell in dünne horizontale Schichten (typischerweise 0,05 bis 0,3 mm dick) und erzeugt den G-Code.Ein Satz von Anweisungen, der die Bewegungen des Druckers diktiert, einschließlich Werkzeugpfaden für das Modell und alle notwendigen Stützstrukturen, Drucktemperaturen und Druckgeschwindigkeiten.
2.2. Druckerei (Fertigungsprozess)
Der eigentliche Druckprozess folgt genau den Anweisungen des G-Codes:
Filamentzufuhr: Ein festes thermoplastisches Filament, typischerweise auf einer Spule gewickelt, wird durch einen Antriebsmechanismus in die Extruderanlage des Druckers eingespeist.
Erhitzen und Schmelzen: Das Filament wird in eine erhitzte Düse (oder einen Verflüssigungsmittler) geleitet, wo es zu einem halbflüssigen Zustand erhitzt wird, kurz über seiner Glasübergangstemperatur.
Extrusion und Ablagerung: Das geschmolzene Material wird durch eine feine Düse gezwungen (Durchmesser liegen üblicherweise zwischen 0,2 und 0).8 mm) und entlang des für die aktuelle Schicht definierten Werkzeugwegs auf der Bauplattform abgelagert.
Schichtkonsolidierung: Das extrudierte Material verschmilzt bei Berührung mit der zuvor abgeschiedenen Schicht und verfestigt sich durch Kühlung.Die Bauplattform senkt sich dann (oder der Druckkopf erhöht sich) um eine Schichthöhe, und der Prozess wiederholt sich, bis das Objekt abgeschlossen ist.
2.3. Nachbearbeitung
Nach dem Drucken können mehrere Schritte erforderlich sein:
Stützungsentfernung: Bei Modellen mit Überhängen oder komplexen Geometrien werden Stützungsstrukturen gleichzeitig mit einem separaten, oft wasserlöslichen oder abbrechenden Material gedruckt.Diese müssen nach Abschluss des Drucks manuell entfernt oder in einer Lösung gelöst werden..
Oberflächenveredelung: Teile können zur Verbesserung der Ästhetik oder Funktion veredelt werden.oder chemische Glättung mit Dämpfen zur Verringerung der Sichtbarkeit von Schichtlinien.
3Kritische Konstruktionsüberlegungen für FFF
Die Entwicklung von Teilen für FFF erfordert ein Verständnis der Fähigkeiten und Einschränkungen des Prozesses, um Druckfähigkeit und Funktionalität zu gewährleisten.
Schichthöhe: Dies bestimmt die vertikale Auflösung des Drucks. Kleinere Schichthöhen erzeugen glattere vertikale Oberflächen, erhöhen aber die Druckzeit.
Ausrichtung: Die Ausrichtung des Teils auf der Bauplatte beeinflusst entscheidend seine Festigkeit, Oberflächenqualität und den Bedarf an Stützen.Sie sind in der Regel am stärksten in der Richtung der Schichtablagerung (X-Y-Ebene) und am schwächsten in der vertikalen Richtung (Z), da die Schichtbindung ein potenzieller Ausfallpunkt ist..
Stützstrukturen: Überhängende Strukturen über einen bestimmten Winkel hinaus (typischerweise 45 Grad oder mehr) erfordern Stützen.Durch die Minimierung von Überhängen oder die Einführung selbsttragender Winkel kann der Materialverbrauch reduziert und die Effizienz der Nachbearbeitung verbessert werden.
Wände und Einfüllung: Die äußeren Umgebungen (Wände) definieren die Hülle des Teils, während das innere Einfüllmuster (z. B. Gitter, Honigstock) die innere Struktur liefert.Die Fülldichte (Prozentsatz des Feststoffs im Inneren des Teils) kann entsprechend der Gleichgewichtsfestigkeit angepasst werden, Gewicht, Materialverbrauch und Druckzeit.
Überbrückung: FFF kann Spannweiten zwischen zwei vertikalen Stützen ohne zugrunde liegendes Material drucken, eine Technik, die als Überbrückung bekannt ist.
Toleranzen und Maßgenauigkeit: Die Konstrukteure müssen die Materialschrumpfung berücksichtigen, insbesondere bei Materialien wie ABS, die zu Dimensionsunsicherheiten und Verformungen führen können.Eigenschaften wie Löcher und Nadeln müssen möglicherweise im digitalen Modell angepasst werden, um die gewünschten Endmaße zu erreichen.
4. Materialien für FFF
Die Materialauswahl für FFF ist umfangreich und dreht sich vor allem um Thermoplastik, da diese wiederholt geschmolzen und verfestigt werden können.
4.1. Allgemeine Fasern
Polymilchsäure (PLA): Ein biologisch abbaubares Thermoplast, das aus erneuerbaren Ressourcen wie Maisstärke gewonnen wird.aber es hat eine geringere Festigkeit und Wärmebeständigkeit im Vergleich zu anderen technischen Kunststoffen.
Acrylonitril Butadien Styrol (ABS): Bekannt für seine gute Festigkeit, Langlebigkeit und Hitzebeständigkeit.Es ist schwieriger zu drucken als PLA aufgrund der erheblichen Schrumpfung und Verformung, wenn nicht in einer beheizten Kammer gedruckt.
Polyamid (Nylon): Wertschätzt für seine hohe Festigkeit, Langlebigkeit, Flexibilität und Abriebfestigkeit.
Polycarbonat (PC): Ein technischer Kunststoff mit sehr hoher Festigkeit und Hitzebeständigkeit, der jedoch hohe Drucktemperaturen und eine geschlossene Kammer erfordert, um eine Verformung zu verhindern.
Polyetherether Keton (PEEK): Ein hochleistungsfähiges Superpolymer mit außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften und thermischer Stabilität, das in anspruchsvollen Luft- und Raumfahrt- und medizinischen Anwendungen verwendet wird.
4.2. Unterstützungsmaterial
Breakaway-Stützpunkte: üblicherweise aus demselben Grundmaterial wie das Modell hergestellt, aber mit einem weniger dichten Muster gedruckt, um es einfacher zu entfernen.
Wasserlösliche Träger: Materialien wie Polyvinylalkohol (PVA) lösen sich in Wasser auf, was sie ideal für komplexe innere Geometrien macht, bei denen eine manuelle Entfernung unmöglich ist.
| Material | Schlüsselmerkmale | Druckschwierigkeiten | Gemeinsame Anwendungen |
| PLA | Einfach zu drucken, wenig Warp, biologisch abbaubar, spröde | Ganz einfach. | Prototypen, Bildungsmodelle, nicht funktionelle Teile |
| ABS | Hart, langlebig, hitzebeständig, leicht verformbar | Mittelfristig | Funktionale Prototypen, Gehäuse, Automobilteile |
| PETG | Starke, langlebige, chemische und feuchtigkeitsbeständige | Leicht bis mittelschwer | Wasserflaschen, mechanische Teile, Lebensmittelbehälter |
| mit einer Breite von nicht mehr als 15 mm | Stärke, Flexibilität, Abriebsbeständigkeit, Hygroskopie | Mittel bis hart | Züge, Scharniere, Werkzeuge |
| TPU/TPE | Flexibel, elastisch und schlagfest | Mittelfristig | Verpackungen, Tragbaren, Stoßdämpfer |
5Vorteile und Einschränkungen von FFF
5.1. Vorteile
Kostenwirksamkeit: FFF-Drucker, insbesondere Desktop-Modelle, haben eine niedrige Einstiegskosten.
Materialverschiedenheit: Es gibt eine Vielzahl von thermoplastischen Materialien, darunter Verbundwerkstoffe mit Kohlenstofffasern, Holz oder Metallpartikeln für spezielle Eigenschaften.
Benutzerfreundlichkeit und Sicherheit: Der Prozess ist sauber und beinhaltet keine leistungsstarken Laser oder giftigen Chemikalien, weshalb er für Büro- und Heimumgebungen geeignet ist.
Rapid Prototyping: Er ermöglicht eine schnelle Iteration und Visualisierung von Konzepten.
5.2Beschränkungen
Anisotrope mechanische Eigenschaften: Teile sind zwischen Schichten (Z-Achse) von Natur aus schwächer als innerhalb einer Schicht (X-Y-Ebene).
Schichtlinien: Sichtbare Schichtlinien bewirken eine "Treppe-Schritt" -Effekt auf gebogene Oberflächen, die Ästhetik beeinflussen kann und erfordert Nachbearbeitung glatt zu werden.
Niedrigere Auflösung und Genauigkeit: FFF hat im Vergleich zu Technologien wie Stereolithographie (SLA) oder Selektives Lasersintern (SLS) im Allgemeinen eine geringere Dimensionsgenauigkeit und Feature-Auflösung.
Langsame Bauschnelligkeit: Die punktweise Ablagerung des Materials macht FFF langsamer als einige andere AM-Prozesse für große, feste Teile.
Notwendigkeit von Stützstrukturen: Dies führt zu Materialverschwendung, verlängert die Druckzeit und erfordert zusätzliche Arbeitskräfte für die Nachbearbeitung.
6Anwendungen der FFF-Technologie
Die Vielseitigkeit von FFF ermöglicht einen Einsatz in einer Vielzahl von Branchen.
Rapid Prototyping: Die traditionellste Anwendung, die es Designern und Ingenieuren ermöglicht, physikalische Modelle für Form-, Pass- und Funktionstests schnell und kostengünstig zu erstellen.
Herstellungshilfen: FFF wird zur Herstellung von Geräten, Vorrichtungen und kundenspezifischen Werkzeugen für Montageanlagen verwendet, die die Produktionszeiten und -kosten verkürzen können.
Bildung: Die geringen Kosten und die einfache Funktionsweise des FFF machen es zu einem ausgezeichneten Instrument für die STEM-Ausbildung und fördern so Kreativität und praktisches Lernen in Design und Ingenieurwissenschaften.
Medizin und Zahnheilkunde: Zu den Anwendungen gehören anatomische Modelle für die chirurgische Planung, kundenspezifische Prothesen und Hilfsgeräte.
Endverwendungsteile: Mit hochleistungsfähigen Materialien und optimierten Druckparametern wird FFF zunehmend für die Herstellung von Endprodukten in geringerem Volumen verwendet, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie,und Konsumgüterindustrie.
