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Pellets statt Filament im FDM-3D-DruckPellets statt Filament im FDM-3D-Druck

Etablierte Hersteller machen es vor und präsentieren nach und nach erste Pellet-Drucker für den 3D-Druck. Die Geräte verarbeiten Granulate, die auch im Spritzguss verwendet werden. Wir erklären die Technologie und gehen auf Vor- und Nachteile ein.

Auf einen Blick

Dem FDM-3D-Druck steht die nächste technologische Revolution ins Haus. Die noch junge additive Fertigungstechnologie war von Beginn an auf die Verwendung von sogenanntem „Filament“ als Ausgangsmaterial ausgelegt. Dabei handelt es sich um eine Art Kunststoffdraht, der auf Spulen aufgewickelt verwendet wird. Nach vielen Jahren des technischen Fortschritts in anderen Bereichen des FDM 3D-Drucks manifestiert sich nun der Trend zur Abkehr von diesem historischen Ausgangsmaterial. Die Zukunft gehört dem Kunststoffgranulat, den sogenannten „Pellets“, die aus der Spritzgussfertigung adaptiert wurden.

Der Übergang von Filament zu Pellets kam jedoch definitiv nicht über Nacht. Schon seit längerem experimentieren Hobbyisten und Start-Ups mit dem Kunststoffgranulat, welches bisher bei der Spritzgussfertigung Verwendung fand. Die Innovationen dieser Pioniere wurden von Maschinenherstellern übernommen und für einen großen Markt zugänglich gemacht. Auf den großen 3D-Druck Messen des vergangenen Jahres haben diverse etablierte Hersteller, darunter Bosch und Creality, neue Pellet-3D-Drucker vorgestellt.

Traditionelles Filament vs. Pellets für den FDM-3D-Druck
Traditionelles Filament vs. Pellets für den FDM-3D-Druck

Funktionsweise von Pellet-FDM-Druckern

Beim FDM-3D-Druck wird ein Bauteil schichtweise generativ auf einer Druckplatte erstellt. Dabei führt ein Druckkopf definierte Verfahrbewegungen aus und legt entsprechend der Bauteilgeometrie definierte Kunststoffmengen an den jeweiligen Stellen ab. Der Kunststoff wird dazu im Druckkopf aufgeschmolzen, heiß durch eine Düse gepresst und anschließend sofort von einem Lüfter abgekühlt und zum Erstarren gebracht.

Im Gegensatz zu klassischen FDM-Druckern verfügen Pellet-FDM-Drucker über einen im Druckkopf eingebauten Schneckenextruder, der über einen Trichter mit Kunststoffgranulat versorgt wird. Der Extruder arbeitet nach dem klassischen, aus dem Spritzguss bekannten Prinzip. Eine rotierende Schnecke befördert das Granulat vom Trichter zur Düse. Die integrierten Heizelemente schmelzen das Granulat, sodass schließlich eine plastifizierte, homogenisierte Kunststoffmasse entsteht, die unter Druck durch die Düse gepresst wird.

Vorteile

Klassisches Filament wird hergestellt, indem Kunststoffgranulat in einem Extruder erhitzt und zu einem dünnen Strang extrudiert wird. Danach folgen mehre aufwendige Kalibrationsschritte bis schließlich der fertige Kunststoffdraht auf Spulen aufgewickelt wird. Der Grundgedanke des Pellet-3D-Drucks besteht darin, diesen Zwischenschritt komplett zu überspringen und das Kunststoffgranulat direkt in einem im Drucker verbauten Extruder zu verwenden, wodurch sich 60 bis 90 % der Materialkosten einsparen lassen. Die Spulen als Trägermaterial und der manuelle Arbeitsaufwand beim Spulenwechsel am 3D-Drucker fallen damit gänzlich weg.

Das Kunststoffgranulat wird seit vielen Jahrzenten genauso im Spritzguss verwendet, ist also technologisch sehr gut ausgereift und leicht am Markt verfügbar. Ein Großteil dieses enormen Portfolios an Materialien erschließt sich nun auch für den FDM-3D-Druck. Außerdem können durch die neue Technologie alte Bauteile, Stützstrukturen und Fehldrucke viel leichter recycelt werden. Sie müssen lediglich durch einen Schredder zerkleinert werden und können sofort wieder in Granulatform dem Fertigungsprozess zugeführt werden. Die Farbe des Materials lässt sich durch das Mischen von Pellets in verschiedenen Farben und verschiedenen Mengenanteilen sehr leicht verändern.

Die Extruder der Pellet-FDM-Drucker erwärmen das Material sehr viel schneller, was einen größeren Materialdurchsatz ermöglicht. In Kombination mit großen Düsendurchmessern können so deutlich schnellere Druckgeschwindigkeiten erreicht werden. Allerdings sind die somit dickeren Materialschichten auch optisch offensichtlicher zu erkennen und filigrane Details lassen sich durch die größeren Düsendurchmesser nicht mehr herstellen.

Nachteile

Der Materialdurchfluss von Pellet-Maschinen ist zwar deutlich höher als der von klassischen Filament-Druckern, aber die Kontrolle und Steuerung dieses Durchflusses ist auch sehr viel eingeschränkter. Filament-Drucker können sehr schnell den Kunststoffstrang zurückziehen, wenn z. B. Verfahrbewegungen während des Drucks erfolgen, während denen kein Material austreten soll. Dies ist konstruktionsbedingt bei Pellet-Druckern nur mit geringer Geschwindigkeit möglich, sodass ungewollt zu viel Material austreten könnte.

Anwendung im Unternehmen

Pellet-FDM-Drucker haben Defizite bei filigranen Bauteilen, der optischen Bauteilqualität durch dickere Materialschichten und womöglich ungewollten austretendem Material. Dafür brilliert es in Bezug auf Druckgeschwindigkeit, Wirtschaftlichkeit und Materialauswahl. Vor diesem Hintergrund ist das Verfahren eindeutig am besten für große Bauteile mit einfachen Geometrien und Bauteile für die Serienproduktion geeignet. Daher fokussiert sich das Anwendungsfeld insbesondere auf den industriellen Sektor.

Quellen

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