Fused Deposition Modeling: Die Gebräuchlichste 3D-Druckmethode

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Bei fdm-druckern wird ein thermoplastisches filament verwendet, das auf seinen schmelzpunkt erhitzt und dann schicht für schicht zu einem dreidimensionalen objekt extrudiert wird.

Die additive Fertigung oder der 3D-Druck ist seit den 80er Jahren eine beliebte Methode zur Herstellung von Prototypen und entwickelt sich schnell zu der schnellsten und kostengünstigsten Methode, um kundenspezifische Konsumgüter herzustellen. Aber wie funktioniert diese trendige Technologie?

Es gibt verschiedene Methoden des 3D-Druckens, aber am häufigsten wird ein Prozess eingesetzt, der als Fused Deposition Modeling (FDM) bekannt ist. Bei FDM-Druckern wird ein thermoplastisches Filament verwendet, das auf seinen Schmelzpunkt erhitzt und dann Schicht für Schicht zu einem dreidimensionalen Objekt extrudiert wird.

Die Technologie hinter FDM wurde in den 1980er Jahren von Scott Crump, Mitbegründer und Vorsitzender von Stratasys Ltd., einem führenden Hersteller von 3D-Druckern, erfunden. Inzwischen haben andere 3D-Druckunternehmen ähnliche Technologien unter verschiedenen Namen eingeführt. Das in Brooklyn ansässige Unternehmen MakerBot (heute im Besitz von Stratasys) wurde auf Basis einer nahezu identischen Technologie namens Fused Filament Fabrication (FFF) gegründet.

Wie funktioniert FDM?

Objekte, die mit einem FDM-Drucker erstellt wurden, beginnen als CAD-Dateien (Computer-Aided Design). Bevor ein Objekt gedruckt werden kann, muss seine CAD-Datei in ein Format konvertiert werden, das ein 3D-Drucker verstehen kann - normalerweise das STL-Format.

FDM-Drucker verwenden zwei Arten von Materialien, ein Modellierungsmaterial, das das fertige Objekt darstellt, und ein Trägermaterial, das als Gerüst dient, um das Objekt beim Drucken zu unterstützen.

Während des Druckens haben diese Materialien die Form von Kunststofffäden oder -filamenten, die von einer Spule abgewickelt und durch eine Extrusionsdüse geführt werden. Die Düse schmilzt die Filamente und extrudiert sie auf eine Unterlage, die manchmal als Bauplattform oder Tisch bezeichnet wird. Sowohl die Düse als auch die Basis werden von einem Computer gesteuert, der die Abmessungen eines Objekts in X-, Y- und Z-Koordinaten übersetzt, damit Düse und Basis während des Druckens folgen können.

In einem typischen FDM-System bewegt sich die Extrusionsdüse horizontal und vertikal über die Bauplattform und "zieht" einen Querschnitt eines Objekts auf die Plattform. Diese dünne Kunststoffschicht kühlt und härtet aus und bindet sofort an die darunterliegende Schicht. Sobald eine Schicht fertiggestellt ist, wird die Basis um etwa ein Sechzehntel Zoll abgesenkt, um Platz für die nächste Kunststoffschicht zu schaffen.

Die Druckzeit hängt von der Größe des herzustellenden Objekts ab. Kleine Objekte - nur wenige Kubikzoll - und große, dünne Objekte werden schnell gedruckt, während größere, geometrisch komplexere Objekte länger zum Drucken benötigen. Im Vergleich zu anderen 3D-Druckverfahren wie Stereolithographie (SLA) oder selektivem Lasersintern (SLS) ist FDM ein ziemlich langsamer Prozess.

Sobald ein Gegenstand vom FDM-Drucker kommt, werden die Trägermaterialien entfernt, indem der Gegenstand entweder in eine Wasser- und Reinigungslösung eingeweicht wird oder bei thermoplastischen Trägern das Trägermaterial von Hand abgeknickt wird. Gegenstände können auch geschliffen, gefräst, lackiert oder plattiert werden, um ihre Funktion und ihr Aussehen zu verbessern.

Was wird gemacht?

FDM ist bei Unternehmen in einer Vielzahl von Branchen beliebt, von der Automobilindustrie (BMW, Hyundai, Lamborghini) bis zur Herstellung von Konsumgütern (Black & Decker, Dial, Nestle). Diese Unternehmen setzen FDM während ihrer gesamten Produktentwicklungs-, Prototypen- und Fertigungsprozesse ein.

Das gebräuchlichste Druckmaterial für FDM ist Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), ein üblicher Thermoplast, der für die Herstellung vieler Konsumgüter verwendet wird, von LEGO-Steinen bis hin zu Wildwasser-Kanus. Einige FDM-Maschinen bedrucken neben ABS auch andere Thermoplaste wie Polycarbonat (PC) oder Polyetherimid (PEI). Trägermaterialien sind üblicherweise wasserlösliches Wachs oder spröde Thermoplaste wie Polyphenylsulfon (PPSF).

Thermoplaste können Hitze, Chemikalien und mechanischen Belastungen standhalten und sind daher ein ideales Material zum Drucken von Prototypen, die Tests standhalten müssen. Und da FDM sehr detaillierte Objekte drucken kann, wird es häufig auch von Ingenieuren verwendet, die Teile auf ihre Passform und Form prüfen müssen.

FDM wird auch verwendet, um Endverwendungsteile herzustellen - insbesondere kleine, detaillierte Teile und spezialisierte Fertigungswerkzeuge. Einige Thermoplaste können sogar in Lebensmittel- und Medikamentenverpackungen verwendet werden, wodurch FDM zu einem beliebten 3D-Druckverfahren in der medizinischen Industrie wird.

Professionelle FDM-Drucker kosten in der Regel zwischen 10.000 und 300.000 US-Dollar. Damit sind sie eine der billigsten Optionen für Unternehmen, die in ein komplettes 3D-Drucksystem investieren.

Unternehmen, die FDM einsetzen

Obwohl Stratasys für die Erfindung von FDM verantwortlich ist, profitiert nicht nur dieses Unternehmen von dieser Technologie. In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich FDM zur weltweit am häufigsten verwendeten 3D-Druckmethode entwickelt.

[Siehe auch: Warum Patente den 3D-Druck nicht töten]

Viele Unternehmen, die FDM-Drucker herstellen, bieten ihren Kunden auch eine Reihe von 3D-Druckdienstleistungen an, einschließlich der externen 3D-Modellierung und des Druckens.

FDM zu Hause

Einige FDM-Drucker - wie der Cube 3D von 3D System, der Replikator von MakerBot und der Mojo von Stratasys - sind für Hobbyisten, Erfinder, Heimwerker und Kleinunternehmer konzipiert. Sie sind klein, effizient und benutzerfreundlich.

Einen dieser 3D-Drucker zu Hause zu haben, ist jedoch nicht billig. Der Cube gehört mit 1.299 US-Dollar zu den günstigsten Desktop-FDM-Druckern auf dem Markt. MakerBots Maschinen sind noch teurer und bewegen sich zwischen 2.549 und 3.299 US-Dollar. Und Stratasys 'Mojo kostet knapp 10.000 Dollar.

Diese populäre Technologie wird jedoch günstiger, da 3D-Druck-Startups wie der kalifornische Pirate3D die 3D-Technologie in den Haushalt der Durchschnittsverbraucher bringen wollen. Der Piraten3D-Buccaneer, der im Dezember 2013 erscheinen soll, kostet nur 347 US-Dollar.

3D-Enthusiasten, die keinen Desktop-FDM-Drucker kaufen möchten, können ihren eigenen bauen. Es gibt viele Standorte, die Kits und Teile für den "replizierenden Rapid-Prototyper" oder RepRap, ein Open-Source-3D-Drucker-Designprojekt, das an der University of Bath in Großbritannien gegründet wurde, verkaufen Projekt ist die Erstellung eines 3D-Druckers, der neue Kopien von sich selbst drucken kann.

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