Funktionsweise von FFF

Der FFF-Drucker ist ein wenig mit der Heißklebepistole vergleichbar. Auch dort gibt es eine Düse, durch die das Filament, also das Schmelzmaterial, das sich auf einer Spule befindet, gezogen wird. Das Gerät schmilzt das Filament auf, wobei die Düse gleichzeitig als Kolben fungiert: Das geschmolzene Material wird dort entlangbefördert und erkaltet dabei. Nach dem Austritt aus der Düse kann das Material Schicht für Schicht aufgebracht werden. Diese Schichten bilden die Geometrie des zu fertigenden Produktes.

Dabei können durchaus Schwierigkeiten entstehen. Das Kunststoff-Filament härtet aus, wobei die jeweils untere Schicht schon fester ist als die, die gerade aufgebracht wird. Es entstehen Verbindungsstellen, die unterschiedlich ausgehärtet und entsprechend flexibel sind.

Diese Stellen sind wenig robust und können später zu Bruchstellen werden oder Risse zeigen. Des Weiteren können sich Ecken runden, weil die oberste Schicht beim Aushärten dafür sorgt, dass die darunter liegende Schicht mitgezogen wird. Eine Ecke ist dann keine solche mehr, sondern eher eine Rundung. Das Kunststoff-Filament erfährt bei der Trocknung und Aushärtung eine Schrumpfung, die für den genannten Verzug sorgt. Bei den typischen Heimanwendungen kann dies meist vernachlässigt werden, bei sehr präzise zu fertigenden Werkstücken stellen sich Schrumpfung und Verzug als problematisch dar.

Der FFF-Drucker ist ein wenig mit der Heißklebepistole vergleichbar. (Foto: AdobeStock - 21075058 fefufoto)

Im geschmolzenen Zustand sind die Materialien formbar. Kühlen sie dann ab, behalten sie die neue Form und können in dieser verwendet werden. Thermoplastische Kunststoffe sind damit anders als Duroplaste oder Elastomere, die durch eine chemische Reaktion verändert und vernetzt werden können. Diese Veränderung ist jedoch nicht wieder umkehrbar.

• Amorphe Materialien:

  Sie sind ungeordnet und liegen praktisch in einem Haufen vor. Beim Abkühlen muss mit einem geringen Schwund und Verzug gerechnet werden, die Volumenabnahme ist nur gering.

• Teilkristalline Materialien:

  Die langen Polymerketten sind geordnet, regelmäßig und dicht. Nach dem Schmelzen schrumpfen teilkristalline Materialien stark, was zu starkem Verzug führen kann.

Überraschende Anwendung des 3D-Drucks in der Medizin

Kaum vorstellbar, dass es heute auch Medikamente aus dem 3D-Drucker geben soll! Und doch ist dies Realität und wurde bereits 2020 durch die TH Köln veröffentlicht.

Hintergrund war die hohe Nachfrage nach individuell zugeschnittenen Medikamente, die eine hohe Wirksamkeit bei gleichzeitig geringen Nebenwirkungen haben sollten.

Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurde ein pharmazeutischer Schmelzextruder verwendet. Dieser vermischte die nötigen Ausgangssubstanzen für die Medikamente und schmolz diese auf.

Ein neues Drucksystem wurde verwendet, welches in der Lage war, die gewünschte Darreichungsform wie Tabletten oder Dragees herzustellen. Damit der Druck der Medikamente gelingt, musste ein Kunststoff verwendet. Werden. Die Wahl fiel auf bioresorbierbare Polymere, das sind Kunststoffe, die der Körper abbauen kann.

Auch dabei ergab sich eine Schwierigkeit, die jedoch nichts mit der Form des fertigen „Werkstückes“ zu tun hatte.

Vielmehr musste sichergestellt werden, dass das homogene Gemisch den Vorgaben der Arzneimittelverordnung entsprach und absolut hochwertig war. Darüber hinaus musste es reproduzierbar sein, denn ein Unikat eines Medikaments nutzt niemandem.

Eine große Herausforderung war dabei die Produktion von Medikamenten, die über eine sehr geringe Wirkstoffdosierung verfügen.

Das dafür nötige Drucksystem wurde vom Labor für Fertigungssysteme der TH Köln entwickelt. Rund 100 Tabletten pro Stunde waren damit herstellbar, was allerdings erst nach optimaler Einstellung des Extruders möglich war.

Der 3D-Druck wird auch als Materialextrusion bezeichnet und erlebt einen ungebrochenen Aufwärtstrend. (Foto: AdobeStock - 179169216 mari1408)

Beim Auskühlen wirkt dieses auf die darunter liegende Schicht, was zum bereits erwähnten Ziehen und Zerren führt. Vor allem an den Eckbereichen kann es zu Verformungen kommen, auch Risse sind möglich.

Um nun diesen typischen Herausforderungen zu begegnen, sind geeignete Prozessbedingungen wichtig. Unter anderem muss der Bauraum beheizt sein, um zu große Temperaturunterschiede zu vermeiden.

Darüber hinaus kommt es auf die Wahl des Kunststoffs an, um die unerwünschten Effekte zu reduzieren.

Werden diese Bedingungen bestmöglich geschaffen, ist es durch Anwender mit dem entsprechenden fachlichen Know-how möglich, sogar teilkristalline Werkstoffe hochwertig zu verarbeiten.

Das aus Metallpulver und der Kunststoffmischung bestehende Bauteil wird als „Grünteil“ bezeichnet. (Foto: AdobeStock - 359471000 mari1408)

• leichte Zugänglichkeit des Verfahrens
• günstige Anlagetechnik
• Vielfalt an FFF-Druckern für industrielle, gewerbliche und private Anwendung
• freies Einstellen der Parameter
• Verwendung unterschiedlicher Materialien
• kostengünstige Herstellung von Bauteilen, Ersatzteilen und weiteren Produkten möglich
• Herstellung großer Bauteile von mehr als 1 m³ möglich

Dennoch gibt es auch Nachteile bei der Anwendung des FFF-Verfahrens. Vor allem bei komplexen Geometrien, bei denen Stützen verwendet werden, zeigt sich häufig eine unzureichende Oberflächengüte.

Werden die Stützen herausgelöst, entstehen raue Stellen, die nachbearbeitet werden müssen. Außerdem ist die Anisotropie mitunter problematisch. Sie entsteht durch die unterschiedlichen Festigkeiten der einzelnen Schichten, die im Rahmen des Druckens aufgebracht werden.

Die Qualität harzbasierter Verfahren lässt sich nicht erreichen. Sollen feine Details umgesetzt werden, ist damit zudem eine deutlich längere Druckzeit verbunden, was zu höheren Kosten führt.

Durch die Entwicklung neuer Verfahren wie etwa des erwähnten metallischen 3D-Drucks, sind jedoch deutliche Verbesserungen und ein Ausgleich der Nachteile möglich.