Materialextrusion im 3D-Druck:Definition, Geschichte, Anwendungen und Arbeitsablauf

Im Kontext des 3D-Drucks ist Extrusion der Prozess, bei dem eine halbverflüssigte Aufschlämmung oder Paste durch eine Öffnung oder Düse gepresst wird, um eine zylindrische (oder anders geformte) Linie aus dem Material zu erzeugen. Anschließend härtet es aus, sodass eine neue Schicht extrudierten Materials darauf gelegt werden kann. Mit dieser Technik wird sowohl beim Fused Deposition Modeling (FDM) als auch bei der Fused Filament Fabrication (FFF) gedruckt. 

Obwohl S. Scott Crump in seiner ersten Version des FDM-Verfahrens eine Klebepistole verwendete, wurde die Technologie verfeinert, um weitaus präziser und flexibler zu werden. Bei der Materialextrusion kann eine große Vielfalt an Materialien zum Einsatz kommen, beispielsweise Polymerfilamente, Polymerpellets, Wachsfilamente und -pellets, Keramikschlämme und polymergebundene Metallpulverfilamente.

In diesem Artikel werden der Prozess, die Geschichte und die Anwendungen der Materialextrusion im Zusammenhang mit dem 3D-Druck definiert und diskutiert.

Was ist Materialextrusion im 3D-Druck?

Im Bereich des 3D-Drucks bedeutet der Extrusionsprozess, dass klebefertiges Material durch eine beheizte Düse gedrückt wird, um es in aufeinanderfolgenden Schichten abzuscheiden. Jede Ebene ist praktisch ein 2D-„Schnitt“ des 3D-Objekts. Die meisten Drucker erhitzen entweder ein Polymer oder Wachs in einen gelartigen Zustand, um das Material bedruckbar zu machen. Diese Materialien können mit Additiven modifiziert werden, die ihnen entweder im gelierten Zustand (d. h. als Viskositätsregler) oder im festen Zustand gewünschte Eigenschaften verleihen.  

Weitere Informationen finden Sie in unserem Ratgeber „Wissenswertes über 3D-Drucker“.

Welche Materialien werden bei der Materialextrusion verwendet?

Materialextrusionsmaschinen können so ausgelegt sein, dass sie Folgendes drucken:

1. Polymere wie PLA, ABS, ASL und Nylon sind weit verbreitet und erhalten eine breite Palette an Zusätzen. Bei einigen anderen handelt es sich technisch gesehen um Wachse, aber sie funktionieren ähnlich wie Polymere.
2. Keramik wird 3D-gedruckt, um (im Allgemeinen künstlerische) Keramik herzustellen. Die Düsen hierfür sind 10–50 Mal so groß wie Kunststoffextruder.
3. Beton und verschiedene Baumaterialien haben in jüngster Zeit als Optionen für den 3D-Druck Aufmerksamkeit erregt. Die Idee besteht darin, ganze Gebäude zu drucken, und das Verfahren unterscheidet sich vom FDM vor allem nur im Maßstab.

Wo wird Materialextrusion eingesetzt?

Die Materialextrusion wird hauptsächlich beim FDM-Prototyping eingesetzt. Diese additive Fertigungsmethode ist für diesen Zweck beliebter als andere, da sie die günstigste und zugänglichste Option ist. FDM-Prototypen werden in verschiedenen Branchen eingesetzt, unter anderem im Marketing und in der Produktentwicklung. Die Teile werden schnell hergestellt und sind in der Regel funktionsfähig genug, damit Entwickler Funktionen testen können (sofern sie nicht kleiner als 1–2 mm sind). Allerdings handelt es sich bei den Prototypen nicht um Hochleistungsteile.

Wann entstand die erste Materialextrusionstechnologie?

Die Materialextrusionstechnologie wurde erstmals von einem Science-Fiction-Autor, Murray Leinster, in seiner Kurzgeschichte „Things Pass By“ aus dem Jahr 1945 vorhergesagt. Der eigentliche Prozess nahm jedoch Ende der 1980er Jahre praktische Form an und wurde von Stratasys kommerzialisiert. Dies wurde zum Rückgrat des 3D-Drucksektors.

Wie lautet der eingetragene Name für Materialextrusion?

Stratasys hat die Materialextrusion unter dem Namen „Fusion Deposition Modeling“ oder FDM registriert. Obwohl die Patente abgelaufen sind, haben sie immer noch Rechte an dem Namen, obwohl Stratasys dies offenbar nicht genau überwacht. Viele andere Hersteller nennen ihr Verfahren „Fused Filament Fabrication“ (FFF), obwohl der Spitzname FDM allgemeiner verstanden wird. 

Was ist der Materialextrusionsprozess?

Bei der Materialextrusion im 3D-Druckbereich werden Polymer- oder Wachsrohstoffe durch eine temperaturgesteuerte Düse gepresst. Dadurch wird das Material zu einem viskosen oder nahezu flüssigen Zustand erweicht, sodass es auf einen Bautisch oder eine vorhandene gedruckte Modellschicht aufgetragen werden kann. Jede Schicht ist praktisch zweidimensional, aber sie ergeben zusammen eine 3D-Konstruktion.

Das Polymer (oder Wachs) wird in der Düse erhitzt, bis es einen gelierten Zustand erreicht. Das Material sollte ausreichend geschmolzen sein, um sich zu biegen und mit umgebenden (kühleren) Materialien zu verbinden, aber nicht so flüssig, dass es vom Auftragspunkt wegfließt. Das extrudierte Material kühlt dann schnell ab und verfestigt sich, sodass die nächste Schicht darauf aufgetragen werden kann.

Was sind die Vorteile der Materialextrusion?

Die Materialextrusion, wie sie beim FDM/FFF-3D-Druck angewendet wird, bietet mehrere Vorteile:

1. Polymere können bei niedrigen Temperaturen gedruckt werden, daher ist die Druckausrüstung einfach und kostengünstig. 
2. Es ist nur sehr wenig Prozesswartung erforderlich. Sobald die Maschineneinstellungen optimiert sind, kann ein Drucker über sehr lange Zeiträume unbeaufsichtigt laufen.
3. Extrudierbare Materialien gehören zu den günstigsten im 3D-Druck-Bereich. Sie sind bei einer Vielzahl konkurrierender Anbieter erhältlich.
4. Modelle können ausreichende kosmetische und mechanische Standards erreichen, um in einer Vielzahl von Anwendungen nützlich zu sein.
5. FDM/FFF-Drucker sind günstiger und arbeiten mit geringeren Betriebskosten als andere 3D-Drucker. Dadurch haben sie die niedrigsten Preise aller 3D-Drucksysteme.

Was sind die Nachteile der Materialextrusion?

Die Nachteile der Materialextrusion sind:

1. Teile, die durch Materialextrusion gedruckt werden, können nur 20 % der typischen Festigkeit des Materials aufweisen. Die Modelle neigen dazu, an sich schwach zu sein.
2. Das kosmetische Finish lässt oft zu wünschen übrig. FDM kann weder in der X-Y-Richtung noch auf der Z-Achse mit hohen Auflösungen drucken. Teurere Geräte sind besser als billigere Systeme. Das Verfahren eignet sich jedoch am besten für relativ grobe Modelle, denen es an feinen Details mangelt und die keine präzise Oberflächenbearbeitung erfordern. 
3. Da das Material beim Auftragen heiß ist, bleiben bei vielen Modellen innere Spannungen zurück, die sie beim Abkühlen verformen. Die teureren Drucker verfügen über beheizte Baukammern, die dazu beitragen können, diesen Effekt zu reduzieren.
4. Die Bindung innerhalb der Schicht ist bei manchen Materialien recht schlecht. Dies führt zu stark anisotropen Eigenschaften. Manche Materialien haften besser als andere, aber es gibt immer Kompromisse bei ihren Eigenschaften. 

Was ist der Unterschied zwischen Materialstrahlen und Materialextrusion?

Materialausstoß und Materialextrusion unterscheiden sich in mehrfacher Hinsicht:

1. Prozess: Beim Extrudieren wird teilweise geschmolzenes Material in Linien und Punkten aufgetragen. Die minimale Punktauflösung liegt zwischen 0,5 mm und 1 mm Durchmesser (abhängig vom Drucker und dem jeweiligen Kunststoff oder Wachs). Material-Jetting-Verfahren sind um eine Größenordnung präziser und tragen flüssige Harze mit einer Punktgröße auf, die oft kleiner als 0,05 mm ist.
2. Schichtaufbau: Extrusionsbasierte Systeme verwenden (zu jedem Zeitpunkt) eine einzelne Applikatordüse, um ein Modell zu erstellen, was die Baugeschwindigkeit begrenzt. Beim Materialstrahlverfahren werden Tintenstrahldruckköpfe mit einer Breite von bis zu 100 mm verwendet, um in einem einzigen Tischdurchgang breite Streifen einer Schicht zu „zeichnen“. Diese zusätzliche Breite beschleunigt den Aufbau jeder Schicht erheblich.
3. Z-Layer-Builds: Extrusionsbasierte Systeme haben den Vorteil, relativ dicke Schichten aufzubauen. Diese sind selten dünner als 0,1 mm und können oft bis zu 0,5 mm dick sein. Die Material-Jetting-Schichtdicken betragen im Allgemeinen 16 µm bis 50 µm. Das bedeutet, dass zum Aufbau der Z-Höhe mehr Schichten erforderlich sind, wodurch der Aufbau im Allgemeinen insgesamt langsamer wird, obwohl jede Schicht schnell gedruckt wird.
4. Ausrüstungskosten: Die extrusionsbasierte FDM/FFF-Technologie ist einfach und macht die Maschinen zu den günstigsten aller 3D-Drucker. Das Materialstrahlen ist heikel und komplex, daher ist die Ausrüstung im Allgemeinen ein bis zwei Größenordnungen teurer als FDM/FFF.

Zusammenfassung

In diesem Artikel wurde das Konzept der Materialextrusion in seiner Anwendung auf die 3D-Drucktechnologie untersucht. Um mehr über die Materialextrusion zu erfahren und festzustellen, ob es sich um die richtige Technologie für Ihre Anwendung handelt, wenden Sie sich an einen Xometry-Vertreter.

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