Generative Fertigung durch Extrudieren

Verfahrensprinzipien

Die Extrusionsverfahren sind dadurch charakterisiert, dass eine oder mehrere Düsen flüssiges oder aufgeweichtes Material auf eine Bauplattform aufbringen. Durch das Erkalten erhält das Bauteil seine Festigkeit. Die beiden bekanntesten Verfahren sind das Fused Deposition Modeling (FDM) und das Multi Jet Modeling (MJM), auf die im Folgenden eingegangen werden soll.

Fused Deposition Modeling (FDM)

Beim Fused Deposition Modeling (FDM) wird einer beheizten Düse drahtförmiges Ausgangsmaterial zugeführt. Die Düse schmilzt das Baumaterial auf und ermöglicht somit den Materialauftrag auf eine Bauplattform. Die Düse besitzt in der Regel zwei Freiheitsgrade (in x- und y-Richtung). Zusätzlich besteht die Möglichkeit, die Bauplattform abhängig von der je- weiligen Schichtdicke zu heben oder zu senken. Dadurch kann ein dreidimensionales Bauteil hergestellt werden. Der Zusammenhalt zwischen den Extrusionsraupen ergibt sich aufgrund des Stoffschlusses beim Erkaltungsprozess. Da die Extrusionsraupen aufeinander abgelegt wer- den, ist die Oberflächenqualität der FDM-Bauteile in der Regel relativ niedrig (siehe Abbildung).

überhänge können mit dem FDM-Verfahren nur sehr schwer realisiert werden. Aus diesem Grund ist es notwendig, unterstützende Strukturen aufzubauen. Diese müssen in einem zusätzlichen Nachbearbeitungsschritt entfernt werden. Bei den ersten FDM-Anlagen war dies nur mit sehr großem Aufwand von Hand möglich. Die zeitlichen und finanziellen Vorteile dieser Rapid-Technologie wurden dadurch schnell eingebüßt. In neueren Anlagentechnologien ist dieses Problem, durch Verwendung unterschiedlicher Werkstoff­systeme gelöst. Das Material zum Aufbau einer unterstützenden Struktur (Support-Material ) unterscheidet sich vom Baumaterial. Daher muss es von einer zusätzlichen Düse verarbeitet werden. Die Eigenschaften des Supportmaterials lassen sich an die Aufgaben­stellung anpassen. Häufig wird wasserlösliches Material oder Material mit einer geringeren Schmelztemperatur als das Baumaterial verwendet. Die Entfernung der unterstützenden Strukturen erfolgt dann einfach durch Auswaschen bzw. eine Wärmebehandlung in einem Wärmeschrank.

Den erhöhten Kosten für die aufwändigere Anlagentechnologie stehen somit der geringere Aufwand der Supportentfernung und eine Prozessbeschleunigung gegenüber, da beide Düsen gleichzeitig arbeiten können.

Wie erwähnt entsteht das Modell beim FDM durch Aufschmelzen von thermoplastischem Kunststoff, der über eine Düse schichtweise aufgetragen wird (siehe Abbildung). Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, Maschinen dieses Verfahrens bürotauglich auszuführen.

Das Verfahren ist für eine Vielzahl von Anwendungen interessant, da Kunststoffe, wie beispielsweise ABS-Werkstoff, verarbeitet werden können.

Multi Jet Modeling (MJM)

Beim Multi Jet Modeling (MJM) werden mehrere Düsen zum Auftrag des Baumaterials verwendet. Das Ausgangsmaterial wird in flüssigem Zustand einem Druckerkopf zugeführt, dessen Funktionsweise mit dem eines Tintenstrahl­druckers zu vergleichen ist. Die Bau- plattform ist in z-Richtung verfahrbar und wird nach jedem Bauprozessschritt um eine Schichtdicke nach unten bewegt. Frühe MJM-Anlagen hatten Druckerköpfe , die lediglich in z- oder x-Richtung verfahren werden konnten. Dadurch war die Breite eines Bauteils von der Breite des Druckerkopfes abhängig (siehe Abbildung).

In neueren Anlagentechnologien sind Druckerköpfe mit zwei Freiheitsgraden realisiert. Dadurch besteht auch die Möglichkeit eines vektoriellen, schichtweisen Aufbaus. Dies bedeutet, dass die zu erstellenden Bauteilkonturen nachgefahren werden, wodurch eine höhere Genauigkeit des Bauprozesses erzielen lässt.

Die Problematik der Stützstrukturen ist ähnlich dem FDM-Verfahren. überhänge können nur mit unterstützenden Konstruktionen gebaut werden, die man anschließend in einem Nachbearbei- tungsschritt entfernen muss. Zusätzlich ist meist eine Verbesserung der Oberflächenqualität erforderlich. Analog zum FDM werden in neueren Anlagentechnologien unterschiedliche Materialien für Bauteilaufbau und Support verwendet. Diese unterscheiden sich in ihren Eigenschaften beispielsweise hinsichtlich Wasserlöslichkeit oder Schmelztemperatur.