Die Materialextrusion ist eines der sieben weltweit anerkannten additiven Fertigungsverfahren. Sie hat zur Transformation von Prototypen und zur Herstellung komplexer Teile beigetragen. Sie ist einzigartig, weil sie einfach, kostengünstig und leicht zugänglich ist. Sie spielt eine wichtige Rolle bei Anwendungen, bei denen individuelle Anpassung, die Verwendung verschiedener Materialien und die Verarbeitungsgeschwindigkeit entscheidend sind.
Die Materialextrusion zeichnet sich bei Desktop- und industriellen 3D-Druckern durch die schichtweise Herstellung von Objekten aus. Im Vergleich zur herkömmlichen Extrusion, bei der mithilfe einer Düse kontinuierliche Formen erzeugt werden, wird bei der Materialextrusion das Material geschmolzen und in bestimmten Mustern aufgetragen, um 3D-Objekte zu bilden.
Inhalte
Was ist Materialextrusion?
Materialextrusion ist eine additive Fertigungstechnik, mit der dreidimensionale Bauteile durch kontinuierliches Auftragen eines Filaments aus thermoplastischen oder Verbundwerkstoffen schichtweise aufgebaut werden. Das Filament wird mithilfe einer beheizten Düse in zweidimensionalen Schichten aufgetragen.
Das erste patentierte und kommerzialisierte Materialextrusionssystem war Fused Deposition Modelling (FDM), das von SS Crump erfunden und 1989 von Stratasys kommerzialisiert wurde. Von einem breiteren Kreis von Herstellern wird es jedoch auch Fused Filament Fabrication (FFF) genannt.
Die Marktumfrage zur Materialextrusion prognostiziert eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) von 13.5 %. Der Markt, der 10.5 ein Volumen von 2024 Milliarden US-Dollar verzeichnete, dürfte dank steigender Verbrauchernachfrage und Branchenanpassungen bis 25.7 ein Volumen von 2033 Milliarden US-Dollar erreichen.
Materialextrusionsprozess
Der Materialextrusionsprozess folgt typischerweise einer systematischen Abfolge:
Laden des Materials
Der Prozess beginnt mit der Zufuhr eines thermoplastischen Filaments, Pellets, einer Paste oder eines anderen geeigneten Materials in den Drucker.
Erhitzen/Schmelzen
Das Material durchläuft eine Heizzone, wo es seinen Schmelzpunkt erreicht. Dadurch wird es weich und zähflüssig genug, um zu fließen, aber nicht so flüssig, dass es von der Stelle wegfließt, an der es aufgetragen wird.
Extrudieren durch eine Düse
Das geschmolzene oder zähflüssige Material wird normalerweise mit Hilfe eines Antriebsmechanismus oder Kolbensystems durch eine kleine Düse gedrückt.
Schichtweise Abscheidung
Der Druckkopf bzw. die Bauplattform bewegt sich auf vorprogrammierten Pfaden (basierend auf einem CAD-Modell) und trägt das Material schichtweise in zweidimensionalen Schichten auf. Jede Schicht kühlt ab und verfestigt sich, bevor die nächste aufgetragen wird. Die Schichten verbinden sich zum vollständigen 2D-Objekt.
Bei der Materialextrusion verwendete Materialien
Die Materialextrusion unterstützt eine breite Palette von Materialien, von denen jedes einzigartige Eigenschaften für unterschiedliche Anwendungen bietet:
Thermoplaste und Polymere
Zu den üblicherweise verwendeten Polymeren und Thermoplasten gehören PLA (Polymilchsäure), ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) und PETG (Polyethylenterephthalatglykol). Sie werden häufig verwendet, da sie bedruckbar, robust und leicht erhältlich sind.
Verbundwerkstoffe und faserverstärkte Werkstoffe
Verbundwerkstoffe wie mit Kohlenstofffasern, Glasfasern oder Metallpartikeln verstärkte Thermoplaste werden ebenfalls für die Extrusion verwendet. Sie sorgen für eine verbesserte mechanische Leistung.
Flexible und spezielle Filamente
TPU (Thermoplastisches Polyurethan), leitfähige Filamente und temperaturbeständige Kunststoffe erweitern die Einsatzmöglichkeiten.
Pellets und Pasten
Auch Materialien wie Rohkunststoffpellets oder Keramikton (Paste) werden für die Extrusion verwendet. Diese sind in verschiedenen Branchen von entscheidender Bedeutung, beispielsweise im Gesundheitssektor, wo Biomaterialien für medizinische Anwendungen hergestellt werden.
Arten von Materialextrusionstechniken
Bei der Materialextrusion gibt es mehrere Techniken, die von der Funktion und Form des verwendeten Materials abhängen, um nur einige zu nennen:
Schmelzfadenherstellung (FFF)
Auch bekannt als Fused Deposition Modelling und die am häufigsten verwendete Materialextrusionstechnik. Dabei wird aufgespultes Filament verwendet, das geschmolzen und durch eine beheizte Düse extrudiert und auf einem vorgewärmten Bauteil abgelegt wird.
Pellet-Extrusion
Eine Technik, die FDM und Spritzguss ähnelt. Wie beim Spritzguss werden die Pellets über ein Schnecken- und Zylindersystem einer Düse zugeführt und wie beim FDM extrudiert, um Teile schichtweise aufzubauen. Die Pelletextrusion in AM wird auch als Fused Granulate Fabrication (FGF) bezeichnet.
Pasten- oder Tonextrusion
Die Extrusion von Paste oder Ton erfolgt entweder über einen Ram-Extruder, einen Schneckenventil-Extrusionsmechanismus oder einen Nadelventil-Extrusionsmechanismus. Diese drei Mechanismen bestehen aus einem Spritzen- und Kolbensystem, unterscheiden sich jedoch in ihren Extrusionsprozessen.
Extrusion von Biomaterialien
Auch als Extrusions-Bioprinting bekannt, handelt es sich um eine Technik, bei der Biotinten durch eine Düse extrudiert werden, um Strukturen zu erzeugen, die Gewebe oder Organfunktionen nachahmen können.
Vorteile und Nachteile der Materialextrusion
Vorteile
Low Cost
Die verwendeten Geräte und Materialien sind relativ günstig, sodass es sich ideal für Anfänger und Bildungseinrichtungen eignet.
Barierrefreiheit
Desktop-3D-Drucker, die Materialextrusion verwenden, sind weit verbreitet, leicht zu erlernen und benutzerfreundlich.
Materielle Vielfalt
Die Materialextrusion unterstützt eine Vielzahl von Thermoplasten, Verbundwerkstoffen und Spezialmaterialien.
Anpassung
Es ermöglicht schnelles Prototyping und die bedarfsgerechte Produktion kundenspezifischer Teile.
Nachteile
Oberflächenfinish
Aufgrund sichtbarer Schichtlinien und rauer Oberflächen ist bei extrudierten Teilen häufig eine Nachbearbeitung erforderlich.
Anisotropie
Die Stärke variiert je nach Druckausrichtung. Beispielsweise können Teile entlang der Z-Achse schwächer sein.
Begrenzte Materialfestigkeit
Im Vergleich zu anderen AM-Prozessen wie dem Pulverbettschmelzen kann die Materialextrusion zu schlechteren mechanischen Eigenschaften führen.
Materialextrusionsanwendungen
Die Materialextrusion wird in zahlreichen Branchen für unterschiedliche Zwecke eingesetzt, darunter:
Schneller Prototypenbau
Ingenieure und Designer nutzen es, um schnell und kostengünstig funktionsfähige Prototypen zu erstellen.
Endverbrauchsteile
In Branchen wie der Automobil- und Luftfahrtindustrie wird die Materialextrusion zur Herstellung von Vorrichtungen, Halterungen und Produktionsteilen in kleinen Stückzahlen eingesetzt.
Biomedizinische
Es wird zur Herstellung von Gerüsten, Prothesen und auch biogedruckten Geweben für medizinische Zwecke verwendet.
Architektur und Bauwesen
Die Pastenextrusion im großen Maßstab wird zum Drucken von Betonstrukturen und Architekturkomponenten eingesetzt.
Lebensmittelverpackung
Es wird auch zur Herstellung essbarer Lebensmittel wie Schokolade und anderer Snacks, Müsli, Nudeln usw. verwendet.
Materialextrusion in der additiven Fertigung
Die Materialextrusion ist eines der sieben von ASTM definierten additiven Fertigungsverfahren. Sie ist in der Regel die erste Methode, mit der neue Anwender in Berührung kommen, da sie kostengünstig und einfach ist. Im Gegensatz zu pulverbasierten Verfahren erfordert sie weder eine kontrollierte Atmosphäre noch ein Nachsintern. Dies macht sie für kleine Unternehmen und Privatpersonen zugänglicher.
Mit der Weiterentwicklung der Branche dringt die Materialextrusion immer weiter in Industriebereiche vor, in denen kundenspezifische Werkzeuge, Kleinserienproduktion und komplexe Geometrien erforderlich sind.
Was ist der Unterschied zwischen Material Jetting und Material Extrusion?
Die folgende Tabelle erläutert die Unterschiede zwischen Materialspritzen und Materialextrusion.
| Eigenschaften | Materialextrusion | Materialstrahl |
|---|---|---|
| Prozess | Trägt teilweise geschmolzenes Material in Linien und Punkten auf. Auflösung: ~0.5–1 mm. | Trägt flüssige Harze in Tropfen auf. Auflösung: oft kleiner als 0.05 mm. |
| Schichtaufbau | Verwendet eine einzelne Applikatordüse. Die Baugeschwindigkeit wird durch den Düsenhub begrenzt. | Verwendet breite Tintenstrahlköpfe (bis zu 100 mm), um schneller ganze Streifen pro Durchgang zu zeichnen. |
| Z-Layer-Builds | Baut dickere Schichten auf (0.1 mm bis 0.5 mm), wodurch weniger, aber schnellere Schichten möglich sind. | Bildet ultradünne Schichten (16–50 µm), erfordert mehr Schichten und Zeit. |
| Kosten der Ausrüstung | Die Ausrüstung ist relativ einfach und kostengünstig (FDM/FFF). | Die Ausrüstung ist komplex und teuer (1–2 Größenordnungen mehr als FDM). |
FAQ
Was ist der Unterschied zwischen Materialextrusion und herkömmlicher Extrusion?
Durch Materialextrusion (3D-Druck) werden Teile Schicht für Schicht aus digitalen Dateien aufgebaut. Dies eignet sich hervorragend für Prototypen und komplexe Formen. Es ist präzise, flexibel und verursacht geringe Einrichtungskosten.
Bei der traditionellen Extrusion wird Material durch eine Düse gepresst, um kontinuierliche Formen wie Rohre oder Platten herzustellen. Diese Methode ist zwar weniger präzise, aber für die Massenproduktion effizient, allerdings sind die Einrichtungskosten höher.
Kurz gesagt: Die 3D-Extrusion eignet sich für kundenspezifische Teile in kleinen Chargen, während die traditionelle Extrusion am besten für einheitliche Produkte in großen Stückzahlen geeignet ist.