3D-печать FDM. Объяснение простыми словами.

В этой статье мы рассмотрим технологию FDM, которая чаще всего находит свое применение в мире 3D-печати. FDM расшифровывается как Fused Deposition Modeling, иногда также известное как FFF - Fused Filament Fabrication.

3D-печать FDM относится к семейству экструзионных технологий. Она представляет собой самую широкую базу устанавливаемых 3D-принтеров во всем мире. Именно поэтому это первая технология, с которой знакомится новичок в аддитивном производстве.

Теперь потребители могут создавать готовые изделия прямо у себя дома. Возникает вопрос: с чего все это началось? Давайте узнаем!

Что такое технология FDM?

Технология FDM была создана Скоттом и Лизой Крамп в 1988 году. Интересно, что технология зародилась, когда Крамп создавал игрушку-лягушку для своей двухлетней дочери с помощью клеевого пистолета и смеси полиэтилена и свечного воска.

Родителям удалось создать игрушечную лягушку, после чего они запатентовали эту технологию на свое имя и основали компанию под названием Stratasys.

Компания, основанная в 1989 году, затем создала программное обеспечение, которое конвертировало файлы STL в другие форматы.

STL - это аббревиатура от стереолитографии. Важно отметить, что до этого изобретения 3D-принтеры не могли связываться с компьютерами.

Это программное обеспечение также делало так называемое сечение трехмерной модели. Как вы догадываетесь, это стало огромным прорывом в аддитивном производстве.

В FDM продукт создается путем выборочного нанесения расплавленного материала по заранее заданному пути. Это наплавление выполняется слой за слоем, и материалы, используемые здесь, представляют собой термопластичные полимеры, которые выпускаются в виде нитей.

Теперь, когда вы получили первичные знания о 3D-печати FDM, давайте шаг за шагом (слой за слоем) изучим, как это работает.

Как работает 3D-принтер FDM?

Чтобы лучше понять, как работает 3D-принтер FDM, на картинке приведена его схематическая диаграмма:

1. Катушка с филаментом.
2. Нагревательный элемент.
3. Сопло.
4. Стол 3D-принтера (платформа).
5. Напечатанный объект.
6. Опоры (поддержки).

Теперь вы знаете, что наплавление в FDM происходит слой за слоем.

Процессы, задействованные в технологии FDM условно можно поделить на 3 основных этапа.

Этап 1. Вам необходимо иметь готовую 3D-модель для печати. Вы можете создать ее самостоятельно в CAD-программе или найти готовую на бесчисленных ресурсах в интернете.

Читайте также. 25 лучших сайтов с бесплатными файлами STL для 3D-принтеров.

Этап 2. Процесс начинается с загрузки пластиковой нити. Эти термопластические нити являются материалом для печати FDM. Нить подается в экструдер, когда температура печатающей головки достигает точки плавления конкретной нити. Температура будет отличаться в зависимости от выбора материалов в 3D-принтерах FDM.

Этап 3. Теперь, когда вы выбрали файл и загрузили материал в 3D-принтер, начинается моделирование методом наплавления.

Один слой за другим, материал наносится в соответствии с 3D-дизайном, который был введен в 3D-принтер FDM. После каждого слоя происходит охлаждение термопласта с помощью охлаждающих вентиляторов, прикрепленных к экструзионной головке.

После завершения каждого слоя платформа опускается, освобождая место для нанесения следующего слоя. Следующий слой накладывается на предыдущий, и весь процесс продолжается до тех пор, пока вся трехмерная деталь не будет распечатана полностью.

Теперь, когда вы ознакомились с пошаговой процедурой работы 3D-принтера FDM, пришло время взглянуть на некоторые типичные характеристики, которые должен иметь в виду каждый владелец 3D-принтера.

Требования, которым должны следовать дизайнеры моделей.

Как и любая техника, технология FDM имеет свои особенности и ограничения. Хороший дизайнер должен использовать эту технику таким образом, чтобы получить максимум от специализации и минимизировать ограничения.

Поэтому перед тем, как приступить к проектированию с помощью 3D-принтера FDM, дизайнер должен помнить о следующих вещах.

Область печати и высота слоя.

Обычный настольный 3D-принтер, который используется в быту, в среднем имеет размеры 200 × 200 × 200 мм. А 3D-принтер, который используется в промышленных целях, имеет габариты 1000 × 1000 × 1000 мм.

При печати на домашнем принтере большие детали следует разбивать на мелкие, а затем собирать, тогда как если вы используете промышленный 3D-принтер, вы можете напечатать на нем целую деталь.

Высота слоя напрямую влияет на качество поверхности изделия, а также на точность геометрических параметров.

Здесь возникает первое противоречие: если вы выберете маленькую высоту слоя (20-100 мкм), вы сможете изготавливать детали, которые будут гладкими и иметь изогнутую геометрию, но потратите на печать достаточное количество времени.

Большая высота слоя (>200 мкм) позволит вам работать с большей скоростью, но вы получите ступенчатую деталь и некоторые расхождения геометрических параметров. Используя технологию FDM вы не можете получить идеальное качество поверхности, печатая на высокой скорости с высотой слоя >200 мкм.

Итак, помните правило: всякий раз, когда вам нужно создать изогнутую геометрию или нужны точные и острые углы изделия, установите небольшую высоту слоя.

Если вам нужно просто посмотреть или пощупать деталь и высокая точность не требуется, производите быстрее, устанавливая большую высоту слоя.

Деформация.

Этот эффект вызван затвердеванием, которому подвергается термопластический материал после послойного осаждения.

Независимо от геометрии материала скорость охлаждения на разных участках его поверхности будет разной. При деформировании большую роль играет материал, выбранный проектировщиком.

Основываясь на нашем опыте мы можем сделать вывод, что ABS, распространенный термопластический материал, используемый в FDM-печати, более чувствителен к деформации по сравнению с PLA или PETG. Причиной этого эффекта является более высокая температура стеклования и относительно высокий коэффициент теплового расширения.

Тонкие выступающие части также подвергаются большему короблению. Таким образом, перед 3D-печатью FDM таких моделей всегда добавляйте дополнительный материал на края изделия. Это увеличит его общую площадь, которая останется в контакте с платформой принтера.

С другой стороны, также следует избегать больших плоских участков для применения технологии FDM, поскольку они тоже склонны к деформации. Острые углы больше подвержены деформации, следовательно, при печати на принтере FDM, когда это возможно, необходимо сохранять скругления в дизайне, чтобы избежать коробления.

Адгезия слоя.

При изучении общей топографии любого материала отчетливо видно, что чем выше адгезия слоев, тем выше его прочность.

Это правило справедливо и для деталей, напечатанных с помощью 3D-печати FDM. Помните, моделирование происходит слой за слоем.

Это означает, что высокая температура термопластичного материала расплавит некоторую поверхность предыдущего слоя и позволит соединить новый слой с предыдущим.

Это также приведет к деформации материала. Детали, произведенные с помощью FDM, всегда будут иметь слегка волнистую или ступенчатую поверхность, которая может нуждаться в постобработке после печати на FDM принтере.

Использование минималистичных опорных конструкций.

Иногда 3D-дизайн не может пройти процесс печати без опорной конструкции.

Причина использования опорной структуры заключается в следующем: термопластичный материал не может быть нанесен на воздух. Опоры обеспечивают поддержку конструкций с выступами или другими ограничениями.

Это та часть, о которой дизайнеры должны позаботиться больше всего. Деталь FDM должна быть напечатана таким образом, чтобы ей требовалось наименьшее количество опорных конструкций.

Потому что опорные конструкции будут печататься так же, как распечатывается деталь FDM. И это только усложнит постобработку. Более того, чистота поверхности также ухудшается при снятии поддержек с печатных деталей.

Заполнение и толщина стенок.

Факт, который нужно знать о печати FDM, заключается в том, что детали не всегда сплошные. Правильный выбор заполнения и толщины стенок по периметру сократит время, а также сэкономит материал.

Внешний материал, трассируемый с помощью проходов, называется стенкой, а внутренний материал называется заполнением.

Оба параметра влияют на общую прочность детали FDM. Для разных типов принтеров доступны общие настройки, которые должен знать оператор 3D-принтера. Это необходимо для обеспечения точности конструкции.

Плюсы и минусы.

Теперь, когда вы всесторонне познакомились с 3D-печатью FDM, пришло время узнать о плюсах и минусах этого метода по сравнению с другими методами 3D-печати.

Плюсы:

В отличие от других методов 3D-печати, можно изготовить деталь с огромным диапазоном размеров. С помощью 3D-печати FDM можно изготовить детали размером от нескольких миллиметров до нескольких метров. Причина такой огромной масштабируемости заключается в том, что FDM имеет меньшие ограничения по области печати.

3D-печать FDM может быть выполнена с использованием огромного количества материалов. Термопластичные материалы могут подвергаться нескольким модификациям. Несмотря на модификации, материал дает фантастические конечные результаты.

По сравнению с некоторыми традиционными технологиями 3D-печать FDM выполняется быстрее, и, следовательно, с ее помощью можно производить больше за тот же промежуток времени.

Процесс FDM также является наиболее экономичной технологией 3D-печати для изготовления термопластичных деталей по индивидуальному заказу. Потому что термопластичные материалы доступны в широком ассортименте и совместимы, когда дело доходит до создания прототипа.

Минусы:

Точность и степень детализации печати FDM ниже по сравнению сдругими технологиями.

Постепенное остывание материала может привести к деформации и скручиванию деталей. В результате усадки материала ваш объект может потерять форму. Калибровка платформы и правильные температурные настройки компенсируют этот недостаток, но вам потребуется какое-то время для вывода идеальных настроек для каждого принтера и материала.

Механизм адгезии слоев делает технологию FDM естественно анизотропной. Потому что производимые детали имеют видимые линии, которые образуются путем наложения слоя за слоем. Это также увеличивает время, необходимое для постобработки, чтобы получить более гладкую поверхность, чем другие методы.

Топ-3 рекомендации для 3D-принтеров FDM.

3D-принтеры FDM доступны в широком диапазоне цен. 3D-принтеры для дома, как правило, дешевле промышленных.

Лучшим принтером для дома, сочетающим цену и качество, мировым сообществом признан 3D-принтер Ender 3 v2 компании Creality.

Creality Ender-3 V2 – это обновленная, улучшенная версия 3D-принтера Ender-3. Нагревательная платформа из карбидокремниевого стекла с превосходными адгезивными свойствами, а также цельнометаллическая конструкция корпуса и безопасный мощный блок питания позволят вам получить качественные результаты по бюджетной цене.

Среди 3D-принтеров с 2-мя экструдерами первенство для домашнего и полупрофессионального использования сохраняет Creator Pro 2 компании Flashforge.

Flashforge Creator pro 2 - это обновленная версия оригинального Creator Pro. Это полностью закрытый 3D-принтер с умной системой двойного независимого экструдирования IDEX. Он имеет интуитивно понятный пользовательский интерфейс, область печати 200x148x150 мм и металлический каркас для стабильной печати.

Flashforge Creator Pro 2 обеспечивает новичкам высокое качество печати и простоту использования, благодаря надежной конструкции, новому сенсорному дисплею и открытому исходному коду.

Если вам требуется печать больших изделий, в этом случае стоит отдать предпочтение 3D-принтеру CR-10S Pro Creality.

Creality CR-10S PRO – это 3D-принтер с большой областью печати (300х300х400), датчиком окончания филамента, автокалибровкой платформы, а также функцией возобновления печати после отключения электроэнергии. Мощный блок питания, высокотемпературная тефлоновая трубка, обновленная материнская плата и другие улучшения позволят получить высокое качество печати, снизить уровень шума, и получить удовольствие от процесса 3D-печати по доступной цене.

Вывод.

Если вы являетесь производителем или планируете им стать, вам необходимо помнить некоторые правила, связанные с печатью FDM.

FDM известен как недорогой метод 3D-печати, который позволяет создавать прототипы и функциональные детали быстрее, чем другие традиционные технологии.

Технология FDM производит изначально анизотропные детали, поэтому любой эксперимент с изотропными материалами приведет к неудаче.

Если вы выберете этот метод печати, вы всегда будете в большей безопасности при использовании 3D-печати из-за его доступности и широкого охвата.

Другие методы все еще совершенствуются, и потребуется время, чтобы они стали такими же широко распространенными, как 3D-печать FDM. По этой причине этот метод также является наиболее предпочтительным методом для начинающих в аддитивном производстве.

Удачной печати!