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Fused Filament Fabrication

Wie funktioniert Fused Filament Fabrication?

Beim dem am weitesten verbreiteten 3D-Druckverfahren - dem Fused Filament Fabrication (FFF) - wird ein thermoplastisches Kunststofffilament durch eine beheizte Düse aufgeschmolzen und schichtweise in x- und y-Richtung abgelegt. Anschließend senkt sich das Druckbett ab oder der Druckkopf hebt sich um die zuvor eingestellte Schichtstärke in z. Dieser Ablauf wird schichtweise wiederholt, bis das vollständige Bauteil entstanden ist. Zur Vermeidung von Bauteilfehler benötigen Überhänge, die über die vorherige Schicht hinausragen, mitunter Stützstrukturen. In Abhängigkeit des eingesetzten Kunststoffs wird der Bauraum entsprechend temperiert. Durch Variation der Parameter Schichtstärke, Schichtbreite und Druckgeschwindigkeit kann Einfluss auf die Optik, Maßgenauigkeit und Qualität der Bauteile genommen werden. Nach Beendigung des Bauprozesses werden die Stützstrukturen manuell entfernt oder in einem Spezialbad gelöst bzw. ausgewaschen.

Eine Variante des Verfahrens verwendet Filamente, die mit Metall- oder Keramikpartikeln gefüllt sind. Im Gegensatz zum Einsatz von Kunststoffen entstehen im additiven Prozess Grünkörper, die anschließend entbindert und gesintert werden müssen. Hierbei folgt die Prozesskette im Wesentlichen der des Multimaterialjettings (MMJ) oder Binder Jettings.

Darüber hinaus können die entstehenden Bauteile funktionalisiert werden, indem z.B. elektrische Leiter, Heizer, Sensoren oder andere elektronische Bauelemente während des Prozesses in die Struktur integriert werden. Auch die Multimaterialverarbeitung (Verwendung von mehreren Filamenten mit beispielsweise funktionalen Eigenschaften) kann bewerkstelligt werden.

Funktionsschema

Welche Materialien werden eingesetzt?

  • Thermoplastische Kunststoffe (Ultem 9085, PC, ABS, PA12, PLA, PEEK , ASA, HIPS, PP, PVA, Filaflex, PEI, PETG, PPSU, PVDF, TPU)
  • Metallgefüllte Filamente (316L, 17-4PH, NiTi, Cantorlegierung)
  • Keramikgefüllte Filamente (Al2O3, ZrO2, SiC, LTCC, Si3N4/MoSi2, SiCf/SiC, Cordierit, WC/Co, Porzellan, PA/PZT)

 

Was sind die Vorteile von Fused Filament Fabrication?

  • Vielfältige Materialpalette (Kunststoffe, Metalle, Keramiken, Mischmaterialien)
  • Multimaterialfähigkeit
  • Hohe Genauigkeit, hohe Reproduzierbarkeit
  • große Austragsmengen
  • komplexe Geometrien herstellbar
  • Ressourcenschonung durch nahezu vollständige Materialverwendung
  • Anlagentechnik ist kostengünstig (im Vergleich zu beispielsweise Pulverbettverfahren wie LPBF, BJT, EBM)
  • Geringe Anforderungen an Arbeitsschutz da z.B. keine Verwendung von losen Pulvern
  • Verfahren ist sowohl industriell als auch im Consumerbereich weitverbreitet, Verwendung mannigfaltigen von Standardgeräten möglich

 

Welche Anwendungen gibt es bereits?

Aufgrund der positiven Eigenschaften des FFF-Verfahrens (hohe Genauigkeit, Geometriefreiheit und Materialvielfalt) eröffnen sich die verschiedensten Anwendungsbereiche. Das heißt, es eignet sich sowohl für komplexe Einzelteile als auch für kleine und mittlere Serien. Ebenso kann es im Prototypen- und Vorrichtungsbau angewendet werden: vor allem in der Automobilbranche, sowie im Schienenfahrzeugbereich und der Luft- und Raumfahrttechnik. Durch die Weiterentwicklung der Materialien in Richtung Biokompatibilität konnte der Anwendungsbereich um den Bereich individualisierter Medizinprodukte erweitert werden. Die Verarbeitung klassischer Sinterwerkstoffe wie etwa Metalle und Keramiken erlaubt es, Bauteile für den strukturellen und Hochtemperatureinsatz herzustellen. So konnten kürzlich keramische Heizelemente zum Schweißen von Kunststoffbauteilen aus elektrisch leitfähiger Keramik hergestellt werden. Mehr Informationen dazu erhalten Sie hier.

Durch eine Faserverstärkung im Keramikbereich kristallisiert sich dieses Extrusionsverfahren für die Implementierung von Kurz- oder Langfasern (z.B. Kohlenstoff, Glas, Basalt, Aluminiumoxid, Siliziumkarbid) heraus und grenzt sich somit von den meisten anderen additiven Fertigungsverfahren ab. Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, klicken Sie hier.

 

Ansprechpartner

für metallgefüllte & polymere Filamente:
Elisa Sachse
(Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS)

Telefon +49 351 83391-3472
elisa.sachse@iws.fraunhofer.de

 

für polymere Filamente:
Tobias Sauerstein
(Fraunhofer-Institut für Werkzeug-maschinen und Umformtechnik IWU)

Telefon +49 3583 54086-4007
tobias.sauerstein@iwu.fraunhofer.de

 

für keramikgefüllte Filamente:
Johannes Abel
(Fraunhofer-Institut für keramische Technologien und Systeme IKTS)

Telefon +49 351 2553-7502
johannes.abel@ikts.fraunhofer.de

 

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