Моделирование наплавлением, или сокращенно FDM, представляет собой метод экструзии, при котором 3D-принтер берет нить на основе полимера и пропускает ее через нагретое сопло, которое плавит материал и наносит его 2D-слоями на платформу сборки. Пока они еще теплые, эти слои сливаются друг с другом, образуя в конечном итоге трехмерную деталь.
Обычно FDM считается самым простым способом 3D-печати. Он достаточно эффективен и широко популярен.
В этой статье мы подробно расскажем о его внутренней работе, возможностях материалов и многом другом. Для начала давайте выясним, как он стал настолько популярен среди производителей и любителей.
Содержание:
- Происхождение
- Как это работает
- Экструзия и осаждение
- Настройки оборудования
- Движение печатающей головки
- Типы декартовых 3D-принтеров
- Сравнение
- Производительность печати
- Качество печати
- Нить
- Опции принтера
- Популярные варианты
- Где можно купить материалы для 3D-печати?
Происхождение
Хотя FDM является, бесспорно, самым популярным способом 3D-печати, может стать неожиданностью тот факт, что это был не первый метод, который был изобретен, и даже не второй. Скотт Крамп подал заявку на первый патент FDM в 1989 году. Он и его жена Лиза основали одну из ведущих компаний по 3D-печати Stratasys.
Однако FDM стал популярным среди некоммерческих пользователей только позже благодаря сообществу RepRap и под альтернативным названием Fused Filament Fabrication (FFF). Когда в 2009 году истек срок действия патента, несколько бывших добровольцев RepRap основали MakerBot Industries. Другие компании, занимающиеся 3D-печатью, такие как UltiMaker и Prusa Research, также начали свой путь. Вскоре MakerBot и UltiMaker объединили свои усилия.
Все эти предприятия и частные лица проложили путь к огромному рынку 3D-печати для потребителей и любителей, который мы имеем сегодня.
Как это работает
FDM (или FFF) в основном характеризуется экструзией и избирательным осаждением термопластов в слои, которые накапливаются для создания трехмерного объекта. Это может показаться немного расплывчатым, поэтому давайте рассмотрим этот процесс более подробно.
По своей сути метод FDM относительно прост. Его основные функции выполняются двумя отдельными системами: одна отвечает за экструзию и осаждение, а другая – за движение печатающей головки. Мы обсудим их в следующих разделах.
Экструзия и осаждение
В общих чертах, систему экструзии и осаждения можно разделить на два основных узла: «холодный» и «горячий конец». Термопласты, используемые в 3D-печати FDM, часто поставляются в катушках с нитью, и первый отвечает за подачу этого материала из катушки в 3D-принтер. Таким образом, он также контролирует скорость, с которой материал осаждается на другом конце, часто называемым «потоком».
С другой стороны, горячий конец отвечает за нагрев движущегося пластикового материала до такой степени, что его можно «продуть» через сопло, отсюда и его название. На этом этапе задействованы различные компоненты, в том числе нагревательные картриджи, радиаторы и, конечно же, сопла.
Холодный и горячий концы должны работать синергетически, чтобы экструдировать необходимое количество материала при необходимой температуре и физическом состоянии для правильного укладки слоев.
Настройки оборудования
Когда дело доходит до экструзии, существует множество различных настроек. Например, холодный конец может быть расположен рядом с движущимся горячим, в схеме, известной как прямая экструзия. Также он может быть прикреплен к раме принтера, что потребует соединительной трубки для направления нити в хотэнд, часто называемый трубкой Боудена.
Узлы горячего конца также бывают разных конфигураций. Так называемые «цельнометаллические», например, позволяют достигать более высоких температур в сопле по сравнению с горячими концами с футеровкой из PTFE, в которых внутри используется короткая трубка для уменьшения трения нити. Однако она ограничивает температуру максимум примерно до 240 °C.
Если рассматривать экструзию и осаждение вместе, существуют также системы мультиэкструзии. Они позволяют работать с несколькими материалами одновременно.
У каждой установки есть свои плюсы и минусы, и окончательный выбор будет зависеть от скорости, ресурсов и приложений, которые будет обслуживать 3D-принтер.
Движение печатающей головки
Помимо различных настроек экструзии, которые могут иметь 3D-принтеры FDM, пожалуй, наиболее значительные различия в дизайне заключаются в раме и системе движения.
Система движения отвечает за перемещение узла горячего конца в трехмерном пространстве для соответствующего нанесения расплавленного материала. На самом маленьком уровне эти компоненты, часто представляют собой шаговые двигатели, линейные направляющие, ходовые винты и системы резиновых ремней.
Переместить горячий конец можно разными способами. Для начала давайте охарактеризуем различные установки на основе их операционных систем координат. На сегодняшний день доминирующей является декартова, где положение задается тремя позициями (X, Y и Z). Однако существует небольшая категория 3D-принтеров FDM, которые используют полярную систему координат, которая использует линейные и угловые значения.
Типы декартовых 3D-принтеров
Декартовы машины можно далее классифицировать с точки зрения их системы движения. Например, в 3D-принтерах Delta используются вертикальные направляющие и три независимо управляемых рычага, прикрепленных к горячему концу, которые движутся вместе, чтобы расположить его соответствующим образом. Принтеры SCARA, наоборот – используют горизонтально перемещаемые ручки для выполнения плоского движения.
Тем не менее, есть вероятность, что если вы столкнетесь с 3D-принтером в реальной жизни, это будет машина декартового прямолинейного типа. Здесь у вас есть шаговые двигатели, направляющие движение исключительно по осям X, Y и Z с помощью системы винтов, ремней и шкивов. Под эту категорию подпадает несколько идентифицируемых видов, среди которых наиболее популярными являются Cartesian-XZ-head в стиле i3 и CoreXY.
Есть также ленточный 3D-принтер. Он предлагает непрерывную печать в том смысле, что сборочная платформа движется как конвейерная лента на производственной линии, что позволяет производить необычайно длинные детали или непрерывно рассылать несколько материалов.
Сравнение
Хотя FDM имеет ряд преимуществ перед другими методами 3D-печати, у него есть и недостатки. Давайте перечислим его плюсы и минусы в отношении производительности печати и общего качества деталей.
Производительность печати
FDM предлагает наиболее экономичное решение с точки зрения масштабируемости и гибкости материалов.
Плюсы
Масштабируемость - одно из наиболее значительных преимуществ FDM. Эти принтеры можно легко увеличивать до любого размера, поскольку единственным ограничением является перемещение каждого портала. Также на нём можно делать самые разнообразные термопластические материалы и экзотические нити с относительно небольшим количеством обновлений и модификаций.
Наконец, с ним лучше работать чем со смолой и SLS. Вам не потребуется никакого дополнительного этапа очистки, кроме снятия опор, в отличие от спиртовых ванн и струйной обработки сжатым воздухом, необходимых для этих альтернативных методов. При использовании FDM также не нужно ждать отверждения. После завершения процесса печати детали готовы к работе.
Минусы
Из-за простоты компонентов такие принтеры часто требуют множества настроек (а именно, выравнивания стола), чтобы достичь уровня надежности и качества других методов печати.
В отличие от смолы и SLS, FDM во многом зависит от физического движения. В результате, помимо калибровки, многие детали принтера требуют регулярного обслуживания и внимания: натяжение ремня, очистка экструдера, смазка направляющих и даже замена частей, таких как сопла с горячим концом.
Также, печать FDM во многом зависит от качества исходного материала. Низкая точность размеров нити может привести к ряду проблем при экструзии, а химический состав пластика также может затруднить процесс печати. Кроме того, катушки с нитями необходимо хранить надлежащим образом, чтобы избежать впитывания влаги.
Качество печати
Это горячая тема, поскольку многие считают качество печати её ахиллесовой пятой. Хотя это утверждение не является необоснованным, здесь следует учитывать различные точки зрения.
Плюсы
Качество печати - это не только внешний вид. Механические характеристики также имеют значение, и FDM предлагает отличное соотношение цены и качества для производства прочных и долговечных функциональных деталей, особенно по сравнению с 3D-печатью из хрупкой смолы.
Она также очень универсальна, поскольку качеством можно пожертвовать в пользу скорости и даже прочности, что делает ее отличным инструментом для производства, как привлекательных эстетических элементов, так и более функциональных и прочных.
Хотя уже упоминалось гибкость и доступность различных материалов, FDM также играют здесь важную роль. Один 3D-принтер может производить детали с совершенно разными свойствами и внешним видом, просто меняя тип нити (как мы увидим дальше).
Минусы
Тем не менее, если требуется общая эстетика и качество отделки поверхности, FDM может оказаться проблематичным. Поскольку материал экструдируется слоями определенной заданной толщины, получить детализированные отпечатки сложно, и для придания профессионального законченного вида часто требуется значительная постобработка.
Мелкие детали иногда невозможно напечатать с помощью FDM. Поскольку стандартный размер сопла составляет 0,4 мм, любая более мелкая деталь потребует замены сопла (до 0,2 мм), и даже в этом случае оно просто не может превзойти точность и четкость 3D-печати из смолы и SLS.
Еще одним недостатком является то, что прочность связи между слоями ниже.
Нить
В этой статье мы упоминали нить - материал на основе полимера, скрученный в катушку.
Её диаметр условно составляет 1,75 или 2,85 мм, и это зависит от экструзионного узла 3D-принтера. Стоит отметить, что экструдер размером 1,75 мм подойдет только для нити такого размера.
Наиболее распространенными нитями для FDM являются PLA, PETG и ABS. Первый, пожалуй, самый простой материал для 3D-печати с помощью FDM, он также биоразлагаем и не имеет запаха. Его недостатком является низкая термостойкость: он размягчается при температуре до 60 °C.
PETG, с другой стороны, обеспечивает гораздо лучшую термостойкость, но могут быть трудности, поскольку он очень склонен к растеканию и растягиванию. ABS лидирует по механическим свойствам, хотя его 3D-печать может быть проблемной без корпуса принтера, потому что он выделяет токсичные пары.
Несмотря на все вышесказанное, опыт работы с каждым из этих материалов может отличаться в зависимости от конкретного пользователя, оборудования и особенно от производителя нити.
Как уже упоминалось, одним из больших преимуществ 3D-печати FDM является гибкость материалов и их доступность на рынке. Существует масса экзотических и необычных видов инструментов для ваших проектов, таких как металлические нити, углеродное волокно, и даже резиноподобные термопласты, такие как TPU.
Опции принтера
Если считаете, что FDM вам подходит, пришло время подумать о том, чтобы приобрести себе этот станок. Предположим, вы ищете принтер: с чего начать?
Первое, что следует учитывать, — зачем он вам. Хотите ли вы присоединиться к движению производителей, узнать больше об этой технологии или использовать ее в коммерческих или профессиональных целях?
Второе, о чем следует подумать, — это какие детали вы будете печатать на нём. Вы думаете о декоративных, забавных элементах? Или вам нужен принтер, способный обрабатывать функциональные детали из высококачественных материалов?
Популярные варианты
Если вы новичок или ищете дешевый, но очень приличный 3D-принтер FDM, серия Ender 3 должна вам сослужить хорошую службу. Они относительно просты и чрезвычайно популярны, поэтому вы сможете найти множество учебных пособий и руководств.
Если вы более серьезно относитесь к своим амбициям в области 3D-моделирования и имеете больший бюджет, вам обязательно стоит взглянуть на Prusa i3 MK3S+ или даже на MK4, который имеет отличные характеристики печати, автоматическое выравнивание стола и другие возможности.
Для пользователей, которые будут профессионально заниматься 3D-печатью или нуждаются в новой машине для своего цеха, UltiMaker S3 обеспечит высокую надежность и универсальность. Он может выдерживать температуру сопла до 280 °C и имеет закрытую камеру, что позволяет печатать на 3D-принтере самые разнообразные материалы. Он также поддерживает двойную экструзионную печать.
Независимо от ваших целей и бюджета, обязательно найдется машина, которая подойдет именно вам. Добро пожаловать в мир печати FDM!
Где можно купить материалы для 3D-печати
Магазин Артлайн готов вам предоставить большой выбор разной и материалов для вашей печати. У нас большая цветовая гамма нитей. Мы всегда готовы ответить на все вопросы, которые касаются покупки техники.
г. Киев, ул. Кирилловская, 104
- (080) 033-10-06
- (044) 338-10-06
- (066) 356-10-01
- (097) 356-10-01
- (063) 356-10-01