Fused Deposition Modeling

Fused Deposition Modeling, of kortweg FDM, is de techniek die bij het grote publiek het meest bekend is. Wanneer mensen denken aan een 3D-printer, zien ze vaak een machine voor zich die een plastic draad smelt en laagjes op elkaar legt. Dat is precies wat FDM is. Het is de meest toegankelijke, maar ook een van de meest veelzijdige manieren om objecten te produceren.

Oorspronkelijk was deze technologie gepatenteerd en alleen beschikbaar voor grote bedrijven, maar tegenwoordig staat er in menig huiskamer, werkplaats en ontwerpstudio een FDM-printer. De kracht van deze techniek ligt in de eenvoud van het proces en de enorme keuze aan beschikbare materialen.

Hoe werkt FDM precies?

Het basisprincipe van FDM is te vergelijken met een heel nauwkeurig, geautomatiseerd lijmpistool. Het proces begint met een rol plastic draad, het filament. Een motor duwt dit filament door een verwarmde printkop, de zogenaamde nozzle. In deze printkop wordt het plastic net heet genoeg gemaakt om te smelten en vloeibaar te worden.

De printer beweegt de printkop vervolgens volgens een geprogrammeerde route over het printbed. Terwijl de kop beweegt, wordt het gesmolten plastic op de bouwplaat gedrukt. Omdat de plaat of de ventilator op de printkop koeler is dan het gesmolten plastic, stolt het materiaal vrijwel direct. Zodra een volledige laag is getekend, zakt het printbed een fractie van een millimeter naar beneden (of gaat de kop omhoog) en begint het proces opnieuw voor de volgende laag. Zo groeit het object langzaam vanuit het niets omhoog.

De opbouw van de printer: Cartesisch vs CoreXY

Niet alle FDM-printers zien er hetzelfde uit of bewegen op dezelfde manier. De manier waarop de printkop en het bed bewegen, heeft invloed op de snelheid en de kwaliteit van je print.

• Cartesische printers: Dit is het meest voorkomende type. Hierbij beweegt het printbed naar voren en naar achteren, terwijl de printkop van links naar rechts en omhoog gaat. Dit zijn vaak robuuste en betaalbare machines. Het nadeel is dat het printbed met het zware model erop heen en weer moet schudden. Bij hoge snelheden kan dit zorgen voor trillingen in de print.
• CoreXY printers: Bij deze printers blijft het bed stil staan en zakt het alleen langzaam naar beneden. De printkop doet al het snelle werk in de horizontale richtingen. Omdat het zware model niet heen en weer geschud wordt, kunnen deze printers vaak veel sneller en nauwkeuriger printen. Dit zie je vaak bij professionelere machines.
• Delta printers: Deze vallen op door hun drie lange armen. Ze zijn ontworpen voor snelheid en zijn vooral goed in het printen van hoge objecten. Ze zijn echter wat complexer om goed af te stellen.

Filament aanvoer: Bowden of Direct Drive?

Een belangrijk technisch detail is de plek waar de motor zit die het filament aanduwt. Dit bepaalt namelijk voor een groot deel welke materialen je goed kunt printen.

Bij een Bowden systeem zit de motor vast aan het frame van de printer en wordt het filament via een lange slang naar de printkop geduwd. Dit maakt de printkop licht en snel, maar het maakt het lastig om flexibele materialen te printen. Het is alsof je een touwtje door een rietje probeert te duwen; het gaat opstropen.

Bij een Direct Drive systeem zit de motor direct bovenop de printkop. De motor trekt het filament rechtstreeks de nozzle in. Dit geeft veel meer controle en kracht. Hierdoor kun je ook zachte, rubberachtige materialen (zoals TPU) zonder problemen printen. Het nadeel is dat de printkop zwaarder is, waardoor je soms iets minder snel kunt bewegen.

Materiaalkeuze: Van plastic tot metaalvervangers

Het grootste voordeel van FDM is de enorme bibliotheek aan materialen. Voor elke toepassing is er wel een specifiek filament.

• PLA: Het standaard materiaal voor beginners. Het is gemaakt van zetmeel, ruikt niet tijdens het printen en trekt niet krom. Het is hard, maar kan niet goed tegen hitte (vervormt in een hete auto).
• PETG: Het beste van twee werelden. Het print bijna net zo makkelijk als PLA, maar is veel sterker en kan beter tegen warmte en UV-licht. Dit is de standaard voor functionele onderdelen.
• ABS en ASA: Klassieke industriële plastics. Ze zijn zeer hittebestendig en sterk. Het nadeel is dat ze krimpen tijdens het afkoelen, waardoor ze snel loskomen van de bouwplaat (warping). Je hebt een gesloten printer nodig om hiermee te werken.
• Flexibles (TPU): Rubbers die je kunt gebruiken voor banden, pakkingen of schokdempers. Ze zijn onbreekbaar en elastisch.
• Composieten: Plastics versterkt met stukjes koolstofvezel (Carbon) of glasvezel. Deze materialen zijn extreem stijf en sterk, bedoeld voor zwaar belaste onderdelen.

De zwakke plek: Lagen en sterkte

Er is één belangrijk nadeel aan FDM waar je als ontwerper rekening mee moet houden. Omdat het object uit laagjes is opgebouwd, is het niet in alle richtingen even sterk. Je kunt het vergelijken met hout, dat een nerf heeft. In de richting van de lijnen is het materiaal heel sterk, maar als je kracht zet tussen de lagen, kan het splijten.

Dit fenomeen heet anisotropie. Een haakje dat rechtop geprint is, kan makkelijk afbreken als je er gewicht aan hangt. Print je datzelfde haakje plat op zijn kant, dan lopen de lijnen met de bocht mee en is het vele malen sterker. Bij het voorbereiden van je print (slicen) moet je dus altijd goed nadenken over hoe het onderdeel belast gaat worden.

Ondersteuning en complexe vormen

Een 3D-printer kan niet in de lucht printen. Als je een model hebt met uitstekende delen, zoals de armen van een poppetje of het dak van een huisje, moet daar iets onder staan om het plastic op te vangen. Dit noemen we support-materiaal.

Standaard printers printen deze steunpilaren van hetzelfde materiaal als het model. Na het printen breek je deze weg. Dat laat vaak wel wat lelijke plekjes achter. Geavanceerde printers hebben twee printkoppen. De ene print het model, de andere print de supports van een speciaal oplosbaar materiaal (zoals PVA). Na het printen leg je het model in een bak water en lossen de supports vanzelf op. Hiermee kun je waanzinnig complexe vormen maken die met geen enkele andere techniek mogelijk zijn.

Wanneer kies je voor FDM?

FDM is de ideale keuze als je functionele, sterke onderdelen nodig hebt zonder de hoofdprijs te betalen. Het is perfect voor prototypes die moeten werken, behuizingen voor elektronica, gereedschapshouders en reserveonderdelen. Zoek je echter extreme details voor bijvoorbeeld miniatuurpoppetjes of sieraden? Dan is een andere techniek zoals SLA waarschijnlijk een betere keuze, omdat FDM altijd zichtbare lijntjes op het oppervlak houdt.