3D-друк FDM. Пояснення простими словами.

У цій статті ми розглянемо технологію FDM, яка найчастіше знаходить своє застосування у світі 3D-друку. FDM розшифровується як Fused Deposition Modeling, іноді також відоме як FFF - Fused Filament Fabrication.

3D-друк FDM належить до сімейства екструзійних технологій. Він є найширшою базою встановлюваних 3D-принтерів у всьому світі. Саме тому це перша технологія, з якою знайомиться новачок в адитивному виробництві.

Тепер споживачі можуть створювати готові вироби прямо вдома. Постає питання: з чого все це почалося? Дізнаймося!

Що таке технологія FDM?

Технологія FDM була створена Скоттом та Лізою Крамп у 1988 році. Цікаво, що технологія зародилася, коли Крамп створював іграшку-жабу для своєї дворічної доньки за допомогою клейового пістолета та суміші поліетилену та свічкового воску. Батькам вдалося створити іграшкову жабу, після чого вони запатентували цю технологію на своє ім'я та заснували компанію під назвою Stratasys.

Компанія, заснована в 1989 році, потім створила програмне забезпечення, яке конвертувало файли STL в інші формати.

STL - це абревіатура від стереолітографії. Важливо відзначити, що до цього винаходу 3D-принтери не могли зв'язуватися з комп'ютерами. Це програмне забезпечення також робило так званий переріз тривимірної моделі. Як ви здогадуєтеся, це стало величезним проривом в адитивному виробництві.

У FDM продукт створюється шляхом вибіркового нанесення розплавленого матеріалу заздалегідь заданим шляхом. Це наплавлення виконується шар за шаром, і матеріали, що використовуються тут, є термопластичні полімери, які випускаються у вигляді ниток.

Тепер, коли ви отримали первинні знання про 3D-друк FDM, давайте крок за кроком (шар за шаром) вивчимо, як це працює.

Як працює 3D-принтер FDM?

Щоб краще зрозуміти, як працює 3D-принтер FDM, на малюнку наведено його схематичну діаграму:

1. Котушка з філаментом.
2. Нагрівальний елемент.
3. Сопло.
4. Стіл 3D-принтера (платформа).
5. Надрукований об'єкт.
6. Опори (підтримки).

Тепер ви знаєте, що наплавлення у FDM відбувається шар за шаром.

Процеси, залучені в технології FDM, умовно можна поділити на 3 основні етапи.

Етап 1. Ви повинні мати готову 3D-модель для друку. Ви можете створити її самостійно в програмі CAD або знайти готову на незліченних ресурсах в інтернеті.

Читайте також. 25 найкращих сайтів з безкоштовними файлами STL для 3D-принтерів.

Етап 2. Процес починається із завантаження пластикової нитки. Ці нитки є матеріалом для друку FDM. Нитка подається в екструдер, коли температура друкуючої голівки досягає точки плавлення конкретної нитки. Температура відрізнятиметься залежно від вибору матеріалів у 3D-принтерах FDM.

Етап 3. Тепер, коли ви вибрали файл і завантажили матеріал у 3D-принтер, починається моделювання методом наплавлення.

Один шар за іншим, матеріал наноситься відповідно до 3D-дизайну, який був введений у 3D-принтер FDM. Після кожного шару відбувається охолодження термопласту за допомогою вентиляторів, прикріплених до екструзійної голівки.

Після завершення кожного шару платформа опускається, звільняючи місце для нанесення наступного шару. Наступний шар накладається на попередній, і весь процес триває, доки вся тривимірна деталь не буде роздрукована повністю.

Тепер, коли ви ознайомилися з покроковою процедурою роботи 3D-принтера FDM, настав час поглянути на деякі типові характеристики, які повинен мати на увазі кожен власник 3D-принтера.

Вимоги, які повинні виконувати дизайнери моделей.

Як і будь-яка техніка, технологія FDM має свої особливості та обмеження. Хороший дизайнер повинен використовувати цю техніку таким чином, щоб отримати максимум від спеціалізації та мінімізувати обмеження.

Тому перед тим, як розпочати проєктування за допомогою 3D-принтера FDM, дизайнер повинен пам'ятати про наступні речі.

Область друку та висота шару.

Звичайний настільний 3D-принтер, який використовується в побуті, в середньому має розміри 200×200×200 мм. А 3D-принтер, який використовується у промислових цілях, має габарити 1000×1000×1000 мм.

Під час друку на домашньому принтері великі деталі слід розбивати на дрібні, а потім збирати, тоді як якщо ви використовуєте промисловий 3D-принтер, ви можете надрукувати на ньому цілу деталь.

Висота шару безпосередньо впливає на якість поверхні виробу, а також на точність геометричних параметрів.

Тут виникає перша суперечність: якщо ви оберете маленьку висоту шару (20-100 мкм), ви зможете виготовляти деталі, які будуть гладкими й матимуть вигнуту геометрію, але витратите на друк достатню кількість часу.

Велика висота шару (>200 мкм) дозволить вам працювати з більшою швидкістю, але ви отримаєте ступінчасту деталь та деякі розбіжності геометричних параметрів. Використовуючи технологію FDM, ви не можете отримати ідеальну якість поверхні, друкуючи на високій швидкості з висотою шару >200 мкм.

Отже, пам'ятайте правило: щоразу, коли вам потрібно створити вигнуту геометрію або потрібні точні та гострі кути виробу, встановіть невелику висоту шару.

Якщо вам потрібно просто подивитися або помацати деталь і висока точність не потрібна, робіть швидше, встановлюючи велику висоту шару.

Деформація.

Цей ефект викликаний затвердінням, якому піддається термопластичний матеріал після пошарового осадження.

Незалежно від геометрії матеріалу швидкість охолодження на різних ділянках поверхні буде різною. При деформуванні велику роль відіграє матеріал, вибраний проєктувальником.

Ґрунтуючись на нашому досвіді, ми можемо зробити висновок, що ABS, поширений термопластичний матеріал, що використовується у FDM-друку, більш чутливий до деформації у порівнянні з PLA або PETG. Причиною цього ефекту є більш висока температура склування та відносно високий коефіцієнт теплового розширення.

Тонкі частини, що виступають, також піддаються більшому жолобленню. Таким чином, перед 3D-друком FDM таких моделей завжди додавайте додатковий матеріал на краї виробу. Це збільшить загальну площу, яка залишиться в контакті з платформою принтера.

З іншого боку, також слід уникати великих плоских ділянок для застосування технології FDM, оскільки вони також схильні до деформації. Гострі кути більше схильні до деформації, отже, при друкуванні на принтері FDM, коли це можливо, необхідно зберігати заокруглення в дизайні, щоб уникнути короблення.

Адгезія шару.

При вивченні загальної топографії будь-якого матеріалу чітко видно, що чим вища адгезія шарів, тим вища його міцність.

Це правило є правильним і для деталей, надрукованих за допомогою 3D-друку FDM. Пам'ятайте, що моделювання відбувається за шаром.

Це означає, що висока температура термопластичного матеріалу розплавить деяку поверхню попереднього шару і дозволить з'єднати новий шар із попереднім.

Це також призведе до деформації матеріалу. Деталі, вироблені за допомогою FDM, завжди будуть мати трохи хвилясту або ступінчасту поверхню, яка може потребувати постобробки після друку на FDM принтері.

Використання мінімалістичних опорних конструкцій.

Іноді 3D-дизайн не може пройти процес друку без опорної конструкції.

Причина використання опорної структури полягає в наступному: термопластичний матеріал не може бути нанесений на повітря. Опори забезпечують підтримку конструкцій із виступами або іншими обмеженнями.

Це та частина, про яку дизайнери повинні подбати найбільше. Деталь FDM має бути надрукована таким чином, щоб вона потребувала найменшу кількість опорних конструкцій.

Оскільки опорні конструкції будуть друкуватись так само як роздруковується деталь FDM. І це лише ускладнить постобробку. До того, чистота поверхні також погіршується під час зняття підтримки з друкованих деталей.

Заповнення та товщина стінок.

Факт, який потрібно знати про друк FDM, полягає в тому, що деталі не завжди суцільні. Правильний вибір заповнення та товщини стінок по периметру скоротить час, а також заощадить матеріал.

Зовнішній матеріал, який трасується за допомогою проходів, називається стінкою, а внутрішній матеріал називається заповненням.

Обидва параметри впливають на загальну міцність деталі FDM. Для різних типів принтерів доступні загальні установки, які повинен знати оператор 3D-принтера. Це необхідно для забезпечення точності конструкції.

Плюси та мінуси.

Тепер, коли ви всебічно познайомилися з 3D-друком FDM, настав час дізнатися про плюси та мінуси цього методу у порівнянні з іншими методами 3D-друку.

Плюси:

На відміну від інших методів 3D-друку, можна виготовити деталь із величезним діапазоном розмірів. За допомогою 3D-друку FDM можна виготовити деталі розміром від кількох міліметрів до кількох метрів. Причина такої величезної масштабованості полягає в тому, що FDM має менші обмеження щодо друку.

3D-друк FDM може бути виконаний з використанням величезної кількості матеріалів. Термопластичні матеріали можуть піддаватися декільком модифікаціям. Попри модифікації, матеріал дає фантастичні результати.

У порівнянні з деякими традиційними технологіями 3D-друк FDM виконується швидше, і, отже, за його допомогою можна робити більше за той самий проміжок часу.

Процес FDM також є найбільш економною технологією 3D-друку для виготовлення термопластичних деталей на індивідуальне замовлення. Тому що термопластичні матеріали доступні в широкому асортименті та сумісні, коли справа доходить до створення прототипу.

Мінус:

Точність і ступінь деталізації друку FDM нижче у порівнянні з іншими технологіями.

Поступове охолодження матеріалу може призвести до деформації та скручування деталей. В результаті усадки матеріалу ваш об'єкт може втратити форму. Калібрування платформи та правильні температурні налаштування компенсують цей недолік, але вам потрібен якийсь час для виведення ідеальних налаштувань для кожного принтера та матеріалу.

Механізм адгезії шарів робить технологію FDM природно анізотропною. Тому, що вироблені деталі мають видимі лінії, які утворюються шляхом накладання шару за шаром. Це також збільшує час, необхідний для обробки, щоб отримати більш гладку поверхню, ніж інші методи.

Топ-3 рекомендації для 3D-принтерів FDM.

3D-принтери FDM доступні у широкому діапазоні цін. 3D-принтери для дому, як правило, дешевші за промислові.

Кращим принтером для дому, що поєднує ціну та якість, світовою спільнотою визнано 3D-принтер Ender 3 v2 компанії Creality.

Creality Ender-3 V2 – це оновлена, покращена версія 3D-принтера Ender-3. Нагрівальна платформа з карбідокремнієвого скла з чудовими адгезивними властивостями, а також суцільнометалева конструкція корпусу та безпечний потужний блок живлення дозволять вам отримати якісні результати за бюджетною ціною.

Серед 3D-принтерів з двома екструдерами першість для домашнього та напівпрофесійного використання зберігає Creator Pro 2 компанії Flashforge.

Flashforge Creator pro 2 - це оновлена ​​версія оригінального Creator Pro. Це повністю закритий 3D принтер з розумною системою подвійного незалежного екструдування IDEX. Він має інтуїтивно зрозумілий інтерфейс користувача, область друку 200x148x150 мм і металевий каркас для стабільного друку.

Flashforge Creator Pro 2 забезпечує новачкам високу якість друку та простоту використання завдяки надійній конструкції, новому сенсорному дисплею та відкритому вихідному коду.

Якщо вам потрібний друк великих виробів, у цьому випадку варто віддати перевагу 3D-принтеру CR-10S Pro Creality.

Creality CR-10S PRO – це 3D-принтер з великою областю друку (300х300х400), датчиком закінчення філаменту, автокалібруванням платформи, а також функцією відновлення друку після відключення електроенергії. Потужний блок живлення, високотемпературна тефлонова трубка, оновлена ​​материнська плата та інші покращення дозволять отримати високу якість друку, знизити рівень шуму та отримати задоволення від процесу 3D-друку за доступною ціною.

Висновок.

Якщо ви є виробником або плануєте ним стати, вам необхідно пам'ятати деякі правила, пов'язані з друком FDM.

FDM відомий як недорогий метод 3D-друку, який дозволяє створювати прототипи та функціональні деталі швидше, ніж інші традиційні технології.

Технологія FDM робить спочатку анізотропні деталі, тому будь-який експеримент з ізотропними матеріалами призведе до невдачі.

Якщо ви оберете цей метод друку, ви завжди будете в більшій безпеці при використанні 3D-друку через його доступність і широке охоплення.

Інші методи все ще удосконалюються, і потрібен час, щоб вони стали такими ж поширеними, як 3D-друк FDM. З цієї причини цей метод також є найкращим методом для початківців у адитивному виробництві.

Вдалого друку!