3d печать fdm или методом наплавленного осаждения, также известная как FFF (Fused Filament Fabrication), представляет собой процесс аддитивного производства (AM), относящийся к области экструзии материалов. FDM позволяет создавать детали слой за слоем путем выборочного движения и нанесения расплавленного материала по заданной траектории. Для формирования конечных физических объектов используются термопластичные полимеры, которые поставляются в виде нитей.
FDM является самой распространенной технологией в большинстве отраслей промышленности и, вероятно, это именно тот процесс, о котором вы подумали, когда речь зашла о 3D-печати.
Давайте рассмотрим основные принципы и ключевые характеристики этой популярной аддитивной технологии. Разберем различия между машинами FDM, предназначенными для прототипирования (настольными) и для промышленного применения, и дадим советы и рекомендации инженерам, позволяющие добиться наилучших результатов при 3D-печати FDM.
Принцип работы 3D-принтера FDM
FDM 3d принтер работает по принципу послойного нанесения расплавленного материала на платформу для сборки до получения готовой детали. FDM использует цифровые файлы дизайна, загружаемые в машину, и преобразует их в физические параметры. Материалами для 3d fdm служат такие полимеры, как ABS, PLA, PETG и PEI, которые машина подает в виде нитей через нагретое сопло.
Сначала в принтер загружается катушка с термопластичным материалом. Как только сопло достигает необходимой температуры, принтер подает нить через экструзионную головку и сопло.
Экструзионная головка крепится к системе, которая позволяет ей перемещаться по осям X, Y и Z. Принтер выдает расплавленный материал в виде тонких нитей и послойно наносит их на поверхность по траектории, определенной проектом. После нанесения материал охлаждается и застывает. В некоторых случаях для ускорения охлаждения к экструзионной головке можно подключить вентиляторы.
Для заполнения области требуется несколько проходов. Это напоминает раскрашивание фигуры маркером. Когда принтер заканчивает нанесение слоя, платформа опускается, и машина начинает работу над следующим слоем. В некоторых случаях экструзионная головка поднимается вверх. Этот процесс повторяется до тех пор, пока деталь не будет готова.
Параметры печати для 3D-принтеров FDM
Большинство систем FDM позволяют настраивать несколько параметров процесса. К ним относят: температуру сопла и платформы сборки, скорость сборки, высоту слоя и скорость работы вентилятора охлаждения. Если вы дизайнер, то обычно вам не нужно беспокоиться об этих настройках, поскольку оператор, скорее всего, уже позаботился о них.
Однако важно учитывать такие факторы, как размер сборки и высота слоя. Обычный размер сборки настольного 3D-принтера составляет 200x200x200 мм, в то время как промышленные машины позволяют достигать размеров 1000x1000x1000 мм. Если вы предпочитаете использовать настольную машину для печати своей детали, вы можете разбить большую модель на более мелкие части, а затем собрать ее воедино.
Типичная высота слоя в FDM составляет 50-400 мкм. Печать тонких слоев позволяет получать более гладкие детали и точнее передавать криволинейные геометрические формы. Использование более толстых слоев дает возможность создавать детали быстрее и по более низкой цене.
Разница между настольными и промышленными FDM-принтерами
FDM-принтеры принято делить на две категории: промышленные (профессиональные) и прототипирующие (настольные) машины. Оба класса имеют свои области применения и преимущества, хотя основное различие между ними заключается в масштабах производства.
Промышленные FDM 3D-принтеры гораздо дороже своих настольных аналогов, предназначенных для потребительского использования. Поэтому изготовление деталей по индивидуальному заказу на профессиональных машинах потребует больших затрат. Профессиональные принтеры эффективны, мощны, и, чаще всего, используются для изготовления оснастки, функциональных прототипов и конечных изделий.
Промышленные FDM-принтеры выполняют крупные заказы гораздо быстрее, чем настольные машины. Они рассчитаны на повторяемость и надежность и могут производить одну и ту же деталь раз за разом с минимальным вмешательством человека. Настольные FDM-принтеры, конечно, не столь надежны. Они требуют частого обслуживания и регулярной калибровки.
Таблица 1. Сравнительные характеристики 3D-принтеров FDM
Свойство
Промышленный FDM
Настольный FDM
Стандартная точность, % (мм)
± 0,15 (0,2)
± 1 (± 1,0)
Толщина слоя, мм
0,18 — 0,5
0,10 — 0,25
Минимальная толщина стенки, мм
1
0,8 — 1
Рабочая зона, мм
Большая, например, 900х600х900
Средняя, например, 200х200х200
Используемые материалы
ABS, PC, ULTEM
PLA, ABS, PETG
Материал поддержки
Водорастворимый/отрывной
Водорастворимый/отрывной
Производственные возможности
Низкие/средние
Низкие
Ориентировочная стоимость принтера
$50 000+
до $5000
Особенности FDM 3D-печати
3D-принтеры FDM различаются по системам экструзии и качеству готовых деталей, получаемых на разных машинах. Но существуют общие характеристики, которые можно ожидать от процесса FDM-печати.
Коробление
Это один из наиболее распространенных дефектов FDM-печати. Когда экструдированный материал охлаждается в процессе затвердевания, его размеры уменьшаются. Поскольку разные участки печатной детали охлаждаются с разной скоростью, их размеры также изменяются с разной скоростью. Дифференциальное охлаждение приводит к возникновению внутренних напряжений, которые тянут нижележащий слой вверх, вызывая его коробление.
Существует несколько способов предотвращения коробления. Один из них заключается в тщательном контроле температуры FDM-системы, особенно платформы и камеры. Для уменьшения коробления можно также увеличить адгезию между деталью и платформой.
Некоторые решения, принятые на этапе проектирования, также могут снизить вероятность коробления. Вот несколько примеров:
Большие плоские участки, такие, как боковая поверхность прямоугольной коробки, более склонны к короблению. Старайтесь избегать их, если это возможно;
Тонкие выступающие элементы, например зубчики вилки, также подвержены данному процессу. Добавление материала по краям тонких элементов для увеличения площади соприкосновения с платформой позволяет избежать коробления;
Острые углы деформируются чаще, чем округлые формы, поэтому рекомендуется добавлять в конструкцию галтели;
Каждый материал имеет свою чувствительность к деформации. Так, ABS более ей подвержен, чем, например, PLA или PETG.
Адгезия слоев
Надежная адгезия между наносимыми слоями является критически важной для процесса FDM. Когда машина выдает расплавленный термопластик через сопло, этот материал прижимается к ранее напечатанному слою. Под действием высокой температуры и давления этот слой вновь расплавляется и соединяется с предыдущим слоем.
А поскольку расплавленный материал прижимается к ранее напечатанному слою, его округлая форма деформируется и становится овальной. Это означает, что FDM-детали всегда имеют волнистую поверхность независимо от высоты слоя. А мелкие элементы, например, небольшие отверстия или резьба, могут потребовать постобработки.
Несущая конструкция
FDM-принтеры не могут наносить расплавленный термопластик на воздух. Для некоторых геометрических форм требуются поддерживающие конструкции, которые обычно печатаются из того же материала, что и сами детали.
Зачастую удаление поддерживающих материалов затруднено. Поэтому гораздо проще спроектировать их таким образом, чтобы свести к минимуму необходимость в таких конструкциях. Существуют материалы, которые растворяются в жидкости, но они имеют высокую стоимость и обычно используются в профессиональной печати.
Толщина заполнителя и оболочки
Для сокращения времени печати и экономии материалов FDM-принтеры обычно не производят сплошных деталей. Вместо этого машина за несколько проходов прорисовывает внешний периметр (оболочку) и заполняет внутреннюю часть (засыпку или заполнитель) структурой низкой плотности. Толщина заполнителя и оболочки существенно влияет на прочность деталей, напечатанных методом FDM.
Таблица 2. Характеристики 3D-печати FDM
Характеристика
Промышленный FDM
Настольный FDM
Материалы
Термопластики: PLA, ABS, PETG, PC, PEI и др.
Термопластики: PLA, ABS, PETG, PC, PEI и др.
Размерная точность, % (мм)
± 0,15 (0,2)
± 0,15 (0,5)
Размер сборки, мм
900 х 600 х 900
200 х 200 х 200
Общая толщина слоя, мкм
50-400
50-400
Поддержка
Не всегда требуется
Не всегда требуется
Материалы, используемые для FDM 3D-печати
Технология печати fdm обладает большим преимуществом — это широкий спектр используемых материалов. Это и товарные термопласты, такие как PLA и ABS, и инженерные материалы, такие как PA, TPU и PETG, и высокоэффективные пластики, включая PEEK и PEI.
Филамент PLA — наиболее распространенный материал для настольных FDM-принтеров. Печать PLA-пластиком относительно проста и позволяет получать детали с тонкими элементами.
Если требуется повышенная прочность, пластичность и термостойкость, то используется ABS-пластик. Однако он более склонен к деформации, особенно если мы имеем дело с машиной без подогреваемой камеры.
Другой альтернативой для настольной FDM-печати является PETG, который схож с ABS по составу и легкости печати. Все три этих материала подходят для большинства сервисных применений 3D-печати — от прототипирования с целью определения формы, посадки и функциональности до малосерийного производства моделей или функциональных деталей.
Промышленные FDM-машины в основном используют инженерные термопласты, в том числе ABS, поликарбонат (PC) и Ultem. Эти материалы содержат добавки, изменяющие их свойства и делающие их особенно полезными для промышленных нужд: высокая ударная прочность, термостойкость, химическая стойкость и биосовместимость.
Таблица 3. Свойства материалов для FDM-печати
Материал
Характеристики
ABS
+ Хорошая прочность, хорошая термостойкость
— Более подвержен короблению
PLA
+ Отличное визуальное качество, простота печати
— Низкая ударопрочность
Нейлон (PA)
+ Высокая прочность, отличная износостойкость и химическая стойкость
— Низкая влагостойкость
PETG
+ Безопасен для пищевых продуктов, хорошая прочность, легко печатать
TPU
+ Очень гибкий
— Трудно точно распечатать
PEI
+ Отличная прочность по весу, отличная огнестойкость и химическая стойкость
— Высокая стоимость
Постобработка при 3D-печати FDM
Детали, напечатанные методом FDM, могут быть обработаны несколькими методами, включая:
Удаление поддержки
Шлифовка
Холодная сварка
Заполнение промежутков
Полировка
Грунтовка и покраска
Разглаживание растворителем
Выравнивание паром
Нанесение эпоксидного покрытия
Металлизация
Резюмируя вышесказанное:
FDM позволяет быстро и с минимальными затратами изготавливать прототипы и функциональные детали;
Существует широкий спектр материалов, доступных для FDM;
Стандартный размер сборки настольного FDM 3D-принтера — 200x200x200 мм. Промышленные машины обладают большими размерами сборки;
Для предотвращения деформации следует избегать больших плоских участков и добавлять галтели на острые углы;
FDM печать мало подходит для изготовления механически ответственных деталей;
Минимальный размер детали в FDM-машинах ограничивается диаметром сопла и толщиной слоя;
Экструзия материала делает невозможным изготовление вертикальных элементов (в направлении Z) с геометрией, меньшей, чем высота слоя (обычно 0,1-0,2 мм);
FDM, как правило, не позволяет получать плоские элементы (в плоскости XY) с геометрией меньше диаметра сопла (0,4-0,5 мм);
Стенки изделия должны быть как минимум в 2-3 раза больше диаметра сопла (т.е. 0,8-1,2 мм);
Если требуется получить гладкие поверхности и очень тонкие детали, может потребоваться дополнительная обработка, например, пескоструйная или механическая. В этом случае стоит рассмотреть другую технологию, например, SLA.
Если вы готовы запустить свои детали в производство, вы можете написать нам на почту 3dp@3dprintspb.com, а также позвонить по телефону в наш отдел 3d-печати и прототипирования +7 (921) 098-07-11.
Часто задаваемые вопросы
В чем преимущества 3D-печати FDM?
FDM более экономична, чем любая другая технология аддитивного производства, и позволяет использовать широкий спектр термопластичных материалов. Производство с использованием FDM позволяет сократить время выполнения заказа.
Каковы недостатки 3D-печати FDM?
Несмотря на высокую экономичность FDM-технологии, она имеет самое низкое разрешение по сравнению с другими технологиями 3D-печати. Это делает её менее подходящим вариантом для изделий с очень мелкими деталями.
Требует ли FDM постобработки?
Детали, напечатанные с использованием FDM, скорее всего, будут иметь видимые линии слоев, поэтому для придания им гладкости необходима постобработка.
Насколько точна технология FDM?
В целом, точность деталей зависит от того, как был откалиброван FDM-принтер, и от сложности самой модели. Промышленные машины производят детали более точно, чем настольные.
Насколько дорогостоящим является FDM?
FDM - это самый экономичный способ производства нестандартных термопластичных деталей и прототипов на современном рынке. Настольная технология FDM является наиболее экономичным вариантом, но при этом качество деталей у нее ниже, чем у промышленного аналога.
Какие материалы доступны для FDM?
Для FDM доступен широкий спектр материалов, включая PLA, ABS, TPU, PETG и PEI.
Насколько быстрым является FDM?
Изготовление деталей по индивидуальному заказу с помощью FDM происходит относительно быстро, причем сроки изготовления, как правило, невелики (обычно всего несколько дней).
Для чего используется FDM?
Технология FDM, как правило, наиболее подходит для создания прототипов, моделирования и малосерийного производства. В промышленных масштабах FDM может использоваться, в частности, для изготовления функциональных прототипов и деталей конечного потребления.
Почему технология FDM в настоящее время является самой популярной технологией 3D-печати?
FDM-принтеры производят высококачественные детали из прочных материалов, способных сохранять хорошие механические свойства. Оба типа FDM-машин (настольные и профессиональные) обеспечивают высокую точность размеров, и даже на промышленном уровне FDM, как правило, более экономична, чем другие AM-процессы.
