Метод послойного наплавления (FDM)

История

Технология печати методом послойного наплавления (FDM) была разработана С. Скоттом Трампом в конце 1980-х и представлена на рынке компанией Stratasys, начиная с 1990. На данный момент технология получает все большее распространение среди энтузиастов, создающих принтеры с открытым исходным кодом, а также коммерческих компаний, ввиду истечения срока действия оригинального патента. В свою очередь, широкое распространение технологии привело к существенному снижению цен на 3D-принтеры, использующие данный метод производства.

Технология

Производственный цикл начинается с обработки трехмерной цифровой модели. Модель в формате STL делится на слои и ориентируется наиболее подходящим образом для печати. При необходимости генерируются поддерживающие структуры, необходимые для печати нависающих элементов. Некоторые устройства позволяют использовать разные материалы во время одного производственного цикла. Например, возможна печать модели из одного материала с печатью опор из другого, легкорастворимого материала, что позволяет с легкостью удалять поддерживающие структуры после завершения процесса печати. Альтернативно, возможна печать разными цветами одного и того же вида пластика при создании единой модели.
Изделие, или «модель», производится выдавливанием («экструзией») и нанесением микрокапель расплавленного термопластика с формированием последовательных слоев, застывающих сразу после экструдирования.
Пластиковая нить разматывается с катушки и скармливается в экструдер – устройство, оснащенное механическим приводом для подачи нити, нагревательным элементом для плавки материала и соплом, через которое осуществляется непосредственно экструзия. Нагревательный элемент служит для нагревания сопла, которое в свою очередь плавит пластиковую нить и подает расплавленный материал на строящуюся модель. Как правило, верхняя часть сопла наоборот охлаждается с помощью вентилятора для создания резкого градиента температур, необходимого для обеспечения плавной подачи материала.

Экструдер перемещается в горизонтальной и вертикальной плоскостях под контролем алгоритмов, аналогичных используемым в станках с числовым программным управлением. Сопло перемещается по траектории, заданной системой автоматизированного проектирования («САПР» или «CAD» по англоязычной терминологии). Модель строится слой за слоем, снизу вверх. Как правило, экструдер (также называемый «печатной головкой») приводится в движение пошаговыми моторами или сервоприводами. Наиболее популярной системой координат, применяемой в FDM, является Декартова система, построенная на прямоугольном трехмерном пространстве с осями X, Y и Z. Альтернативой является цилиндрическая система координат, используемая так называемыми «дельта-роботами».

Технология FDM отличается высокой гибкостью, но имеет определенные ограничения. Хотя создание нависающих структур возможно при небольших углах наклона, в случае с большими углами необходимо использование искусственных опор, как правило, создающихся в процессе печати и отделяемых от модели по завершении процесса.

В качестве расходных материалов доступны всевозможные термопластики и композиты, включая ABS, PLA, поликарбонаты, полиамиды, полистирол, лигнин и многие другие. Как правило, различные материалы предоставляют выбор баланса между определенными прочностными и температурными характеристиками.

Моделирование методом послойного наплавления (FDM) применяется для быстрого прототипирования и быстрого производства. Быстрое прототипирование облегчает повторное тестирование с последовательной, пошаговой модернизацией объекта. Быстрое производство служит в качестве недорогой альтернативы стандартным методам при создании мелкосерийных партий.

Среди используемых материалов числятся ABS, полифенилсульфон, поликарбонат и полиэфиримид. Эти материалы ценятся за термостойкость. Некоторые варианты полиэфиримида, в частности, обладают высокой огнеупорностью, что делает их пригодными для использования в аэрокосмической отрасли.

FDM является одним из наименее дорогих методов печати, что обеспечивает растущую популярность бытовых принтеров, основанных на этой технологии. В быту 3D-принтеры, работающие по технологии FDM, могут применяться для создания самых разных объектов целевого назначения, игрушек, украшений и сувениров.

Преимущества и недостатки

Достоинства данного метода:

· недорогое и широко распространенное сырье для печати (полимеры и пластик);

· простая в изготовлении и ремонте механическая часть устройства;

· возможность использования обширной палитры цветов для печати;

· невысокая стоимость печати.

Минусы, присущие данной методике, очевидны:

· невысокая скорость работы (но, собственно, очень уж высокой скоростью не могут похвастать и другие технологии: для построения крупных и сложных моделей требуются многие часы и даже десятки часов);

· небольшая разрешающая способность как по горизонтали, так и по вертикали, что приводит к более или менее заметной слоистости поверхности изготовленной модели;

· проблемы с фиксацией модели на рабочем столе (первый слой должен прилипнуть к поверхности платформы, но так, чтобы готовую модель можно было снять); их пытаются решить разными способами — подогревом рабочего стола, нанесением на него различных покрытий, однако совсем и всегда избежать не получается;

· для нависающих элементов требуется создание поддерживающих структур, которые впоследствии приходится удалять, но даже с учетом этого некоторые модели попросту невозможно сделать на FDM-принтере за один цикл, и приходится разбивать их на детали с последующим соединением склейкой или другим способом.

· Таким образом, для очень многих образцов, изготовленных по технологии FDM, потребуется более или менее сложная финишная обработка, которую сложно или невозможно механизировать, поэтому в основном она производится вручную.

· Есть и менее очевидные недостатки, например, зависимость прочности от направления, в котором прикладывается усилие. Так, можно сделать образец достаточно прочным на сжатие в направлении, перпендикулярном расположению слоев, но вот на скручивание он будет гораздо менее прочным: возможен разрыв по границе слоев.

· Другой момент в той или иной мере присущ любой технологии, связанной с нагревом: это термоусадка, которая приводит к изменению размеров образца после остывания. Конечно, тут много зависит от свойств используемого материала, но порой нельзя примириться даже с изменениями в несколько десятых долей процента.

Далее: технология может показаться безотходной только на первый взгляд. И речь не только о поддерживающих структурах в сложных моделях, немало пластика уходит в отходы даже у опытного оператора при подборе оптимального для конкретной модели режима печати.

DODJet

Технология

Технология 3d печати DODJet (Drop-On-Demand-Jet) используется в 3д принтерах Solidscape. 3D печать происходит на основе напыления капель нагретого модельного материала и дальнейшего фрезерования слоя.

В технологии 3д печати DODJet задействованы два вида расходных материалов – модельный материал и материал поддержки. Печатающая головка одновременно распыляет эти два вида материалов, после чего фрезеровочная головка производит фрезерование и дальнейшую механическую обработку. Технология DODJet позволяет получить готовые модели высокого качества с идеально гладкой поверхностью. Скорость 3d печати напрямую зависит от движущейся печатающей головки и сложности геометрии самой 3d модели.

Перед стартом 3д печати модельный материал и материал поддержки в специальных контейнерах нагревается до жидкого состояния. Затем материал подается на печатающий блок, двигаясь по осям x, y. Материал распыляется, и уже после чего производится фрезеровка специальной головкой.

Преимущества и недостатки

Преимущества технологии 3д печати DODJet

· Гладкость поверхности – готовые модели имеют очень гладкую поверхность;

· Разрешение 3d печати достигает 3 мкм; (не имеет аналогов в мире);

· Точность построения не превышает 0,0254 мм;

· Точность фрезеровки варьируется от 0,0008 до 0,0016 мм;

Из недостатков технологии следует отметить невысокую скорость 3d печати, которая зависит от точности построения поверхности: чем выше точность, тем ниже скорость;

Другие технологии