Какво представлява FDM 3D принтиране и какви 3D принтери се използват

Fused Deposition Modeling (FDM) – моделиране чрез отлагане на разтопен материал, или Fused Filament Fabrication (FFF) – производството със стопяема нишка, представлява добавен производствен процес, който принадлежи към семейството на екструдиране на материали. При FDM 3D принтиране обектът се изгражда чрез селективно нанасяне на разтопен материал в предварително определен път слой по слой. Материалите, които се използват, са термопластични полимери под формата на нишка.

FDM е най-широко използваната технология за 3D принтиране. В световен мащаб тя е най-обширната инсталирана база от 3D принтери, което често я превръща в първата такава технология, с която хората се запознават.

В тази статия са представени основните принципи и ключовите аспекти на FDM технологията.

Дизайнерът трябва да има предвид възможностите и ограниченията на технологията, когато изработва част с FDM, тъй като това ще му помогне да постигне най-добрия резултат.

Ето как работи процесът на производство с FDM:

Първоначално в 3D принтера се зарежда макара от термопластична нишка. След като дюзата достигне желаната температура, нишката се подава към екструзионната глава и в дюзата, където се разтапя.

Екструзионната глава е прикрепена към 3-осна система, която й позволява да се движи в X, Y и Z посоки. Разтопеният материал се екструдира на тънки нишки и се отлага слой по слой на предварително определени места, където се охлажда и втвърдява. Понякога охлаждането на материала се ускорява чрез използване на охлаждащи вентилатори, прикрепени към екструзионната глава.

За запълване на дадена област са необходими множество проходи (подобно на оцветяването на правоъгълник с маркер). Когато един слой е завършен, платформата за изграждане се премества надолу (или при други машинни настройки, екструзионната глава се движи нагоре) и се нанася нов слой. Този процес се повтаря, докато частта е напълно завършена.

Повечето FDM системи позволяват регулиране на няколко технологични параметъра. Те включват температурата на дюзата и платформата за изграждане, скоростта на изграждане, височината на слоя и скоростта на охлаждащия вентилатор. Тези параметри обикновено се определят от оператора, така че те не трябва да засягат дизайнера.

За дизайнера са значително важни размерът на изработката и височината на слоя:

Наличният размер на изработка на настолен 3D принтер обикновено е 200 x 200 x 200 мм. За индустриални 3D принтери този размер може да бъде до 1000 x 1000 x 1000 мм. В случай че работата изисква настолна машина (за намаляване на разходите например), един голям модел може да се разбие на по-малки части и след това да се сглоби.

Височината на слоя използвана в FDM принтерите обикновено варира между 50 и 400 микрона. Тя може да бъде определена при поръчка. По-малката височина на слоя дава по-гладки части и улавя изкривените фигури по-точно, докато по-голямата височина произвежда части по-бързо и с по-ниска цена. Най-често използваната височина на слоя е 200 микрона.

Изкривяването е един от най-често срещаните дефекти при FDM. Това се случва докато екструдираният материал се охлажда по време на втвърдяването, което причинява изменение в размерите му. По време на принтиране, различните части на модела се охлаждат с различна скорост. Съответно, скоростта, с която техните размери се променят също варира.

Диференциалното охлаждане води до натрупване на вътрешни напрежения, които издърпват базовия слой нагоре, което го кара да се изкривява. От технологична гледна точка, изкривяването може да се предотврати чрез по-внимателно наблюдение на температурата на FDM системата (например на платформата за изграждане и камерата) и чрез увеличаване на сцеплението между детайла и платформата за изграждане.

• Големите равни площи (например при изграждане на правоъгълна кутия) са по-податливи на изкривяване и трябва да се избягват, когато е възможно.
• Тънките изпъкнали елементи също са податливи на изкривяване. В тези случаи, това може да се избегне чрез добавяне на малко количество допълнителен материал в края на елемента, за да се увеличи площта, която е в контакт с платформата за изграждане.
• Острите ъгли се изкривяват по-често, отколкото заоблените форми. В подобни случаи, заоблянето на ъглите на модела се счита за добра дизайн практика.
• Различните материали са податливи на изкривяване по различен начин: ABS обикновено е по-чувствителен към изкривяване в сравнение с PLA или PETG, поради по-високата си температура на преминаване на стъклото и относително високия коефициент на топлинно разширение.

При FDM, доброто прилепване на слоевете е от изключително значение. Когато разтопеният термопласт се екструдира през дюзата, той се притиска към предишния слой. Високата температура и налягането претопяват повърхността на предишния слой и позволяват свързването на новия слой с предварително отпечатаната част.

Здравината на връзките между различните слоеве винаги е по-ниска от основната здравина на материала. 

Следователно, FDM частите са анизотропни – здравината им в оста Z винаги е по-малка от здравината им в равнината X, Y. Ето защо, когато се проектират FDM части, е важно да се има предвид тяхната ориентация. 

Това се вижда ясно при сравнение на разтегливи тестови части хоризонтално принтирани в ABS с 50% запълване и тестови части, които са вертикално принтирани. Хоризонтално принтираните части имат около 4 пъти  по-голяма здравина на разтегливостта в X, Y посоката на отпечатване, в сравнение с посоката Z (17.0 MPa спрямо 4.4 Mpa) и се удължават почти 10 пъти повече преди счупване (4.8% в сравнение с 0.5%).

Освен това, тъй като разтопеният материал е притиснат към предишния слой, формата му се деформира до овал. Това означава, че FDM частите винаги ще имат вълнообразна повърхност, дори и при ниска височина на слоя. Следователно, малки елементи като малки дупки или конци може да се наложи да бъдат допълнително обработени след принтиране.

Опорната структура е от съществено значение за създаването на фигури с издадени елементи в FDM. Разтопеният термопластичен материал не може да се отлага върху тънък въздух, заради което някои фигури изискват подобна опорна структура.

Често плоскостите принтирани върху опора са с по-ниско качество на повърхността от останалите елементи на частта. Именно за това се препоръчва частта да е проектирана по такъв начин, че нуждата от опора да сведе до минимум.

Опората обикновено се принтира от същия материал като самата част. Съществуват и опорни материали, които се разтварят в течност, но те се използват главно в настолни или индустриални FDM 3D принтери от висок клас. Принтирането върху разтворими опори подобрява значително качеството на повърхността на детайла. Въпреки това, общите разходи значително се увеличават, тъй като се изисква специализирана машина с двойно екструдиране. Също така цената на разтворимия материал е относително висока.

FDM частите не се отпечатват плътно, за да се намали времето за принтиране и да се спестят материали. Вместо това външният периметър се проследява с помощта на обвивка (shell), а вътрешността е изпълнена с вътрешна структура с ниска плътност, наречена пълнеж (infill).

Плътността на пълнежа и обвивката значително влияе върху здравината на дадена част. За настолни FDM принтери настройката по подразбиране е 25% гъстота на запълване и плътност на обвивката 1 мм, което е добър компромис между силата и скоростта при бързо принтиране.

Една от ключовите силни страни на FDM е широката гама от налични материали. Те могат да бъдат както широкоразпространени термопласти (PLA, ABS), така и инженерни материали (PA, TPU, PETG) и термопласти с висока производителност (PEEK, PEI).

Използваният материал влияе както на механичните свойства и прецизността на принтираната част, така и на нейната цена.

Най-често използваните FDM материали са обобщени в следната таблица:

* Прорезите на интерфейса на слоя са критични точки за развитие на бактерии, така че е необходимо цялостно почистване след всяка употреба.

FDM частите могат да бъдат завършени по много висок стандарт с помощта на различни методи за последваща обработка. Те могат да бъдат шлайфане и полиране, грундиране и боядисване, студено запояване, изглаждане на изпаренията, епоксидно или метално покритие.

Основните предимства и недостатъци на технологията са обобщени по-долу:

✔️ FDM е най-рентабилният начин за производство на термопластични части и прототипи по поръчка.
✔️ Времето за изпълнение на FDM е кратко, поради високата наличност на технологията.
✔️ Предлага се широка гама от термопластични материали, подходящи както за прототипиране, така и за някои нетърговски функционални приложения.

❌ FDM има най-ниска точност на размери и разделителна способност в сравнение с други технологии за 3D принтиране, което я прави неподходяща за части със сложни детайли.
❌ FDM частите често имат видими линии на слоевете, което изисква последваща обработка за изглаждане на повърхността.
❌ Механизмът на прилепване на слоевете прави FDM частите анизотропни.

• FDM 3D принтирането може да произвежда прототипи и функционални части бързо и на ниска цена от широка гама термопластични материали.
• Типичният размер на изграждане на настолен FDM 3D принтер е 200 х 200 х 200 мм. Индустриалните машини имат по-голям размер на изработка.
• За да се предотврати изкривяване е важно да се избягват големи равни площи и да се добавя заобляне при острите ъгли. За оптимални резултати се консултирайте с професионални 3D принтер услуги.

FDM е анизотропен, така че не се препоръчва за механично критични компоненти.