FLM-Druckverfahren

 

 

FLM-Druckverfahren

 

Zum allgemeinen Verständnis der Technologie wird nachfolgend eine Erklärung und Einordnung der genutzten Verfahren beschrieben. Als Additive Fertigung werden alle Verfahren bezeichnet, die Bauteile mittels eines aufbauenden Verfahrens in Schichtbauweise erzeugen. Diese Verfahren werden in der amerikanischen Norm „ASTM F2792-12a“ beschrieben und unterteilt. Grundsätzlich werden die Verfahren nach den Zuständen des Verbrauchsmaterials in die Kategorien fest, flüssig und gasförmig unterteilt. Das in dieser Arbeit genutzte „FLM“-Verfahren verarbeitet Materialien, die in fester Form vorliegen. Diese werden wiederum nach der Form des verwendeten Verbrauchsmaterials in Pulver und Drahtform aufgeteilt. Die weitere Unterteilung erfolgt nach der Art der eingesetzten Technologie, um das Material zu aktivieren, z. B. Lasertechnik, Infrarottechnik oder durch Heizelemente. Des Weiteren wird eine Unterteilung nach den Verbrauchsmaterialien, Kunststoff, Metall und Mineralien durchgeführt. Das in dieser Arbeit genutzte „FLM“-Verfahren verwendet Kunststoff in fester Drahtform, welches zugeführt und mittels eines Heizelements aktiviert wird.

 

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Abbildung 1: Aufbau eines FLM-Drucksystems

 

Um ein Bauteil mit einem Additiven Verfahren generieren zu können, wird eine 3D-Datei benötigt. Diese wird mit einem vorgegebenen Dateitypen aus der Software, in welcher das Bauteil erstellt worden ist, exportiert. Anschließend erfolgt in einem Postprozessorprogramm die Konvertierung in ein für die Maschine verständliches Dateiformat. Innerhalb des Postprozessors wird die 3D-Datei in viele gleichmäßig dünne Schichten zerlegt. Die Schichten sind in horizontaler Richtung orientiert. Die Höhe der einzelnen Schicht hängt je nach Verfahren von der minimal möglichen Materialstärke ab und liegt zwischen 0,05 mm und 0,5 mm. Aufgrund dieser Art des Materialaufbaus entsteht bei gewölbten Bauteilen in vertikaler Richtung ein Treppenstufeneffekt, welcher bei starker Vergrößerung eine Oberfläche ähnlich den Pyramiden der Maya aufweist.

Da Überhänge, Hinterschnitte und Durchbrüche in horizontaler Richtung in vielen Verfahren nicht freitragend erzeugt werden können, muss eine sogenannte Supportstruktur eingesetzt werden. Ansonsten würden solche freitragende Geometrien ohne Unterbau durch die Schwerkraft zusammenfallen. Eine besondere Art der Supportstruktur ist der sogenannte Raft. Dieser bezeichnet einen Unterbau des gesamten Bauteils mit einer gitterförmigen Supportstruktur. Eingesetzt wird der Raft, um die Verbindung zwischen dem Bauteil und der Bauplattform zu verstärken. Notwendig ist eine gute Haftung, da die meisten Verfahren keinerlei Spann-Technologie verwenden und die Bauteile nur durch das umgebende Material und die Schwerkraft oder durch Adhäsion an ihrer Position auf der Bauplattform gehalten werden. Zusätzlich dient der Raft als Puffer für Spannungen zwischen der Bauplattform und dem Bauteil. Diese entstehen durch die Längenänderung des gesamten Bauteils aufgrund von Temperaturänderungen. Diese Spannungen können auch im Inneren des Bauteils entstehen und so zu ungewollten und unkontrollierbaren Verzug des Bauteils führen. In der Additiven Fertigung wird dieses Verhalten als Warping oder Curling bezeichnet. Um dies zu minimieren, muss das Bauteil gleichmäßig abkühlen.

Bei den Additiven Verfahren, welche in Drahtform zugeführte Materialien verwenden, wird von extrudierenden Verfahren gesprochen. Hauptsächlich wird hierbei thermoplastischer Kunststoff verarbeitet, da dieses Material sich durch Temperatureinwirkung in eine andere Form bringen lässt. Die Verfahren werden als „Fused Filament Fabrikation“ (FFF), „Fused Stick Modeling“ (FSM) oder „Fused Layer Modeling“ beziehungsweise „Fused Layer Manufacturing“ („FLM“) bezeichnet.

Das „Fused Layer Modeling“ („FLM“) wurde 1992 unter dem Begriff „Fused Deposition Modeling“ (FDM) von Scott Crump erfunden und von der amerikanischen Firma „Stratasys“ vertrieben. Das „FLM“-Verfahren gehört zu den Verfahren, die ein festes Ausgangsmaterial in Form eines Drahtes nutzen. Um ein Bauteil zu generieren, wird das sogenannte Filament, der Kunststoffdraht, in einer beheizten Düse aufgeschmolzen und auf eine Plattform, das sogenannte Druckbett, abgelegt. Das Druckbett kann beheizt sein oder nicht. Dies hängt von dem verwendeten Material ab. Für den Druckprozess bewegt sich der Druckkopf solange in einer Ebene vor und zurück und legt das heiße Filament auf das Druckbett, bis die geometrische Kontur vollständig ausgefüllt ist. Anschließend bewegt sich der Druckkopf in die nächsthöhere Z-Ebene und wiederholt den Prozess, wie in „Abbildung 2: Schematische Darstellung des Druckprozesses“ dargestellt.

 

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Abbildung 2: Schematische Darstellung des Druckprozesses

 

Das Kunststofffilament wird auf einer nahegelegenen Rolle bereitgestellt. Die Stützstruktur muss anschließend in einer Nachbearbeitung entfernt werden. Dies kann, abhängig vom verwendeten Stützmaterial, manuell durch Herausbrechen oder durch das Herauslösen mit Chemikalien oder Wasser erfolgen. Das „FLM“-Verfahren ist nicht sehr komplex und die benötigten Komponenten und Maschinen sind zu günstigen Preisen zu erhalten. So werden im privaten Bereich Anlagen, welche dieses Verfahren nutzen, bereits ab unter 1.000 € als Bausatz angeboten. Deshalb hat sich dieses Verfahren in der Hobby-Community stark durchgesetzt. Es gibt verschiedene Grundkonzepte für den Maschinenaufbau. In „Abbildung 3“ werden die bekanntesten Konzepte von links nach rechts gezeigt: Kartesischer „FLM“-Drucker, Delta „FLM“-Drucker, Polar „FLM“-Drucker und ein SCARA „FLM“-Drucker.

 

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Abbildung 3: Maschinenkonzepte

 

Das Kartesische Prinzip ist einer Portalfräsmaschine nachempfunden. Es wird vor allem im Hobby-bereich genutzt. Auch die Großraumanlagen von „Stratasys“ sind nach diesem Prinzip aufgebaut. Hier wird ein System angewendet, welches mittels drei angetriebenen Linearachsen den dreidimensionalen Bauraum mit den Koordinatenachsen X, Y und Z realisiert. Aufgrund seiner vergleichsweise einfachen Steuerung, der sehr stabilen Bauform und der möglichen hohen Präzision können große genaue Maschinen gebaut werden, weshalb dieses System bei Fräsmaschinen weit verbreitet ist. Der mögliche Einsatz von nur einem Werkzeug je Prozessschritt, die eher geringe mögliche Prozessgeschwindigkeit und die Begrenzung auf drei Achsen sind jedoch von Nachteil. Der Delta-Drucker nutzt das Prinzip der Parallelogramm-Kinematik und ist besonders gut für hohe und schlanke Bauteile geeignet. Der Druckkopf kann so programmiert werden, dass er leicht schwenkbar ist. Dieses System verbindet eine hohe Prozessgeschwindigkeit mit hoher Präzision. Realisiert wird das dreidimensionale Koordinatensystem durch das Verfahren von drei angetriebenen Achsen in vertikaler Richtung, welche den Werkzeugträger halten. Die Steuerung hierbei ist erheblich aufwändiger und das System ist aufgrund seiner Bauform in der horizontalen Baugröße stark eingeschränkt. Das Konzept des Polar-Druckers ähnelt dem des Delta-Druckers. Hier wird nur die Z-Achse und die X-Achse über ein Portal dargestellt, die Y-Achse wird durch ein drehbares Druckbett realisiert.

Dieses Konzept eignet sich sehr gut für hohe, rotationssymmetrische Bauteile. Es ist jedoch von der Steuerung und Bauraumbegrenzung ähnlich eingeschränkt wie das System des Delta-Druckers. Der SCARA-Drucker (Selective Compliance Assembly Robot Arm) nutzt die Robotertechnologie, um die X-Achse und Y-Achse darzustellen. Für die Z-Achse wird wieder auf das Kartesische System zurückgegriffen. Es bietet eine sehr hohe Prozessgenauigkeit bei hoher Prozessgeschwindigkeit. Zusätzlich kann durch den Einsatz mehrerer Systeme ein großer Bauraum mit geringen Prozesszeiten realisiert  werden. Jedoch ist die Steuerung dieses Systems sehr aufwändig und fehleranfällig. Eine weitere Unterteilung kann durch das verwendete Materialfördersystem erreicht werden. Es gibt zwei grundlegende Prinzipien, die Materialförderung und den Druckaufbau für das Hot-End (Kombination aus Düse und Extrudermotor) zu realisieren. Beim sogenannten Direct-Drive wird der Fördermotor direkt oberhalb des Hot-Ends positioniert. Dies ermöglicht eine präzise Steuerung des Materialdurchflusses durch die Düse. Problematisch wird der Einsatz des Direct-Drive bei langen Materialförderstrecken, da der Reibungswiederstand der Rolle eine erhebliche zusätzliche Belastung für den Motor darstellt. Der Platzbedarf oberhalb des Hot-Ends muss vom vorhandenen Bauraum abgezogen werden. Hier bietet das System des Bowdenzugs einen deutlichen Vorteil. Bei diesem ist der Motor nicht oberhalb des Hot-Ends, sondern an einer festen Position am äußeren Rahmen des Druckers angebracht. Bei langen Verfahrwegen kann es zum unkontrollierten Herausziehen und Hereindrücken des Filaments am Hot-End kommen. Auch kann das Material bei langen Förderstrecken abknicken. Beides kann zum Prozessabbruch oder zu Fehlstellen am Bauteil führen. Eine Gegenüberstellung beider Systeme ist in „Abbildung 4: Gegenüberstellung Bowdenzug und Direct-Drive“ dargestellt.

 

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Abbildung 4: Gegenüberstellung Bowdenzug und Direct-Drive