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Generative Fertigungsverfahren - Extrusionsverfahren (FLM)

Extrusionsverfahren – Fused Layer Modeling (FLM)

Auszug aus
Andreas Gebhardt

Additive Fertigungsverfahren

10/2016, 736 Seiten, € 145,00
ISBN: 978-3-446-44401-0
S. 1 - 72, S. 259

Als Extrusionsverfahren werden Prozesse bezeichnet, die ein erhitztes und deshalb teigiges thermoplastisches Material vorzugsweise kontinuierlich durch eine oder mehrere Düse pressen und definiert auf einem Substrat ablegen. Die Energie im Material reicht dabei aus, das Substrat so anzuschmelzen, dass nach dem Abkühlen eine dauerhafte Verbindung entsteht. Um Konturen zu erzeugen, werden in der Bauebene entsprechend gekrümmte Stränge abgelegt, die geometrieabhängig sehr unterschiedlich lang sein können. Flächen entstehen durch eng nebeneinander abgelegte Stränge. Bei Stützen schrumpfen die Stränge bis auf einen (technischen) Punkt.

Zu den Extrusionsverfahren gehören neben den bekannten thermischen Kunststoff-Extrusionsverfahren auch Varianten, die mit Pasten oder Schäumen, also mit physikalisch oder chemisch aufbereiteten festen Ausgangsmaterialien arbeiten.

Prinzip des Fused Layer Modeling (Quelle: Gebhardt, Generative Fertigungsverfahren)

Von besonderer Bedeutung sind die thermischen Extrusionsverfahren. Das aufgebrachte Volumen erstarrt durch Wärmeleitung in das Bauteil. Das Verfahren ist für Werkstoffe mit geringer Wärmeleitfähigkeit, also für Wachse und Kunststoffe einschließlich höher schmelzender Qualitäten wie z. B. Polysulfon gut geeignet. Theoretisch besteht keine Einschränkung bezüglich der verwendbaren Werkstoffe.

Praktisch erfordern hohe Schmelztemperaturen, z. B. von Metallen und Keramiken, sowohl bezüglich der Aufschmelzung als auch bezüglich der Temperaturgradienten am Modell und der erforderlichen Vorheizung und Isolation des Arbeitsraums einen entsprechend höheren maschinentechnischen Aufwand. Da Materialzufuhr und Materialauftrag gemeinsam mittels einer Düse erfolgen, handelt es sich um ein nur von der Steuerung der Düse abhängiges, prinzipiell voll 3D fähiges Verfahren. Der relativ große Materialquerschnitt limitiert den erzielbaren Detaillierungsgrad der Modelle. Durch eine geeignete Maschinenkonstruktion können diese Nachteile weitestgehend reduziert werden.

Baukammer mit Bauplattform auf der ein Bauteil mittels Druckknopf entsteht (Bild: Goethe-Lab, Fachhochschule Aachen)

Eine befriedigende Verbindung zwischen dem extrudierten heißen Material und dem bereits fertiggestellten Teil des Modells erfolgt nur, wenn das Material „aufgequetscht“ wird. Dadurch wird der in der Düse noch kreisrunde Querschnitt des aufgetragenen Materials zu einer Ellipse. Nur dann lässt sich das Gleichgewicht von Volumen und Oberflächenkräften (Oberflächenspannung) so einstellen, dass eine möglichst glatte Verbindung entsteht. Dies bedingt aber, dass die Düsenlängsachse immer in der z-Ebene liegen muss und zudem mit der x-y-Ebene einen bestimmten verfahrensbedingten Winkel einschließt.

Das Auftragen teigiger Volumen durch Extrusion beinhaltet grundsätzlich das Problem, dass der extrudierte Strang einen Anfang und ein Ende hat. Das Zusammentreffen beim Schließen der Kontur ist als Ansatz sichtbar und hinterlässt sogenannte Bindenähte. Diese fallen besonders auf, wenn sie bei jeder Schicht an der gleichen Stelle liegen.

Auszug aus
Andreas Gebhardt

Additive Fertigungsverfahren

10/2016, 736 Seiten, € 145,00
ISBN: 978-3-446-44401-0
S. 1 - 72, S. 259
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