Что такое 3D-печать FDM?

После знакомства с настольными 3D-принтерами всех форм и размеров большинство читателей этого сайта приобрели более чем поверхностное знакомство с технологией 3D-печати. Однако немного дополнительных знаний никому не повредит. В этой статье мы используем базовый подход к определению технологии моделирования методом наплавления (FDM), которая лежит в основе огромного количества настольных 3D-принтеров. Это также отличный вводный материал для новичков, которые хотели бы заняться 3D-печатью в качестве хобби.

Что такое FDM?

FDM, или моделирование методом наплавленного осаждения, представляет собой аддитивный процесс, при котором материал соединяется слой за слоем по заданному шаблону для создания трехмерного объекта. Он стал популярным с 1980-х годов и сейчас широко используется для дешевого и легко настраиваемого быстрого прототипирования. Термин «моделирование методом наплавленного осаждения» и связанная с ним аббревиатура были зарегистрированы компанией Stratasys в 1992 году, что привело к необходимости использования альтернативного термина — изготовление плавленых волокон или FFF. В настоящее время эти термины просто взаимозаменяемы.

В принтерах FDM используется термопласт нить, которая плавится чуть выше температуры стеклования. Поток и температура расплавленной нити регулируются экструзионной системой и горячим соплом, которое перемещается вокруг печатной платформы по шаблону, определяемому дизайном печатаемого объекта. Существует множество факторов, которые необходимо учитывать для получения хорошего качества печати с использованием технологии FDM, но отпечатки FDM обычно считаются долговечными и стабильными по размерам.

Благодаря простоте использования, точности, и повторяемости, технология FDM стала лидером по сравнению со всеми другими методами 3D-печати. Разработка компактных и простых в установке настольных 3D-принтеров еще больше повысила популярность технологии FDM. В настоящее время 3D-принтеры FDM доминируют на рынке 3D-печати. ​​

Как это работает?

Как и в случае с большинством сложных процессов, понимание процесса печати FDM легче, если он разбит на функционально отдельные этапы.

Дизайн

Процесс печати FDM начинается с 3D-дизайна, например, созданного в системе автоматизированного проектирования (CAD ) программное обеспечение. Однако большинство 3D-принтеров понимают модель, хранящуюся в формате STL. На самом деле нет стандартного определения аббревиатуры STL, хотя ее чаще всего называют «стандартным языком треугольников» или «стандартным языком тесселяции». Файл STL содержит данные о геометрии поверхности 3D-объекта, а другие атрибуты, такие как количество заливки и текстура, могут быть настроены пользователем.

В настоящее время существует практически тысячи бесплатных STL файлы, которые можно скачать с различных веб-сайтов. Дизайн варьируется от простых предметов, таких как подставки и открывалки для бутылок, до более сложных, таких как тасование колоды карт или модель R2-D2 в натуральную величину.. Эти бесплатные модели идеально подходят для новичков, которые только знакомятся с 3D-печатью и хотят сразу же приступить к печати классных материалов.

Файл STL должен быть обработан программой нарезки, которая будет разделите модель на горизонтальные «срезы». Количество срезов может быть изменено пользователем, и от него будет зависеть разрешение окончательного отпечатка. Печать с высоким разрешением и большим количеством фрагментов создаст более красивый отпечаток, но, безусловно, потребуется больше времени для завершения.

В зависимости от дизайна на этом этапе могут быть добавлены вспомогательные структуры. Поскольку это аддитивный процесс, который начинается снизу вверх, при печати FDM могут потребоваться опорные конструкции для дизайнов, которые имеют много выступающих структур. Материал для этих поддерживающих структур обычно отличается от материала, используемого для фактической печати, поскольку эти поддерживающие структуры в конечном итоге придется удалить. Это означает, что для печати дизайнов со встроенными опорными конструкциями потребуется 3D-принтер с возможностью двойной экструзии.

Экструзия

Во время печати материал нити непрерывно разматывается из его змеевик и подается в экструзионную систему. Экструзионная система состоит из экструдера и сопла горячего конца. Чтобы отличить экструдер от горячего конца, его иногда называют «холодным концом». Экструдер отвечает за доставку филамента к горячему концу и играет важную роль, обеспечивая постоянную и стабильную ретрансляцию филамента.

Пользователь может изменять настройки экструдера для управления скоростью процесса печати. Иногда это необходимо, чтобы избежать распространенных проблем, таких как натягивание или образование капель. Механизм экструдера дает возможность втягивать нить, что обычно происходит, когда горячий конец проходит через большие промежутки в процессе печати. ​​

Экструдер состоит из трех основных частей: холостой ход, ведущая шестерня и шаговый двигатель. Шаговый двигатель обеспечивает вращение ведущей шестерни, которая захватывает нить своими лезвиями или зубьями. Ролик — это, по сути, поверхность, на которую ведущая шестерня толкает нить, чтобы зацепиться за нее. Существует некоторое разнообразие конструкций экструдеров для разных 3D-принтеров, например, тех, которые имеют двойную ведущую шестерню вместо комбинации ведущей шестерни и холостого хода. В любом случае основная функция системы экструдера остается прежней.

Мимо экструдера нить проходит небольшое расстояние до сопла горячего конца. Горячий конец также состоит из нескольких частей, наиболее важными из которых являются сопло и нагревательный патрон. Нагревательный картридж, обычно сделанный из керамического материала, отвечает за подачу тепла к соплу. Он зажимается вокруг сопла для обеспечения максимального контакта и проводит тепло через материал с высокой проводимостью, например, алюминий.. Большинство 3D-принтеров поставляются со стандартным соплом из латуни, хотя его можно заменить на более стойкие к истиранию материалы, такие как нержавеющая сталь. Замена может потребоваться при использовании абразивного материала нити, такого как поликарбонат или древесная нить.

В состав сопла горячего конца входят термисторы или термопары, которые отвечают за определение и регулирование температуры горячий конец. Они играют очень важную роль в поддержании надлежащей температуры печати, которая влияет на качество печати и адгезию слоев.

Осаждение

Сопло горячего конца тонко экструдирует расплавленный материал нити. пряди, которые оседают на печатной платформе. Положение сопла и основания можно контролировать с помощью компьютера, который переводит размеры 3D-модели в положения x, y и z, которые сопло или основание занимают в процессе печати. Трехмерный объект создается слой за слоем в соответствии с толщиной каждого среза, предварительно определенной программой. Когда слой закончен, следующий слой начинается либо с того, что сопло движется вверх, либо с того, что платформа для печати движется вниз.

По мере нанесения каждый слой охлаждается и связывается со слоем под ним. Охлаждение материала также укрепляет его, обеспечивая структурную поддержку следующим слоям. Этот цикл продолжается до тех пор, пока печать не будет завершена. В зависимости от размера и сложности дизайна одна печать FDM может занять несколько часов, а иногда и более 24 часов.

Факторы, которые следует учитывать при печати FDM

К сожалению, FDM-печать часто не является готовым решением для физического воплощения 3D-дизайна. В зависимости от сложности конструкции, конкретной модели 3D-принтера, нити, с которой вы работаете, и свойств, которые вы хотите получить при печати, существует множество настроек, которые необходимо внести для успешной печати FDM.

Параметры принтера

Есть несколько основных параметров принтера, определяемых пользователем. Наиболее важными из этих параметров являются температура печати, скорость печати, температура слоя (для подогреваемых кроватей), скорость охлаждающего вентилятора и высота слоя. Большинство из них зависит от того, с каким материалом нити вы работаете.

Например, PLA оптимально печатает при температуре около 205 ° C, тогда как ABS лучше печатает при более высокой температуре 230 ° C. Соответственно увеличивается и температура нагреваемого слоя, при этом для ABS требуется более горячий стол для печати, чем для PLA. Скорость печати или скорость экструзии в основном определяется характеристиками текучести конкретной нити, с которой вы работаете. В зависимости от склонности материала нити к деформации вы можете использовать или не использовать охлаждающий вентилятор. Не существует универсального решения, и вам будет лучше прочитать подробные руководства по вашей нити, чтобы получить наилучшие параметры печати. Даже в этом случае небольшой метод проб и ошибок все еще может быть уместен..

Выбор высоты слоя при печати FDM чаще всего является выбором дизайна. Можно реализовать меньшую высоту слоя, если приоритетом дизайнера является создание отпечатка с превосходной эстетикой и с лучшим разрешением. Визуальные преимущества небольшой высоты слоя становятся еще более очевидными при печати дизайнов с большим количеством изогнутых поверхностей. С другой стороны, более высокая высота слоя придает объекту большую механическую прочность. Это может быть критичным при печати объектов, которые должны быть в рабочем состоянии, например, петель и рычагов. Более высокая высота слоя также позволяет получить тот же отпечаток с использованием меньшего количества материала, что приводит к экономии затрат. Типичные отпечатки FDM используют высоту слоя от 50 до 400 мкм.

Толщина заполнения и оболочки

Говоря об экономии средств, отпечатки с использованием технологии FDM обычно не имеют твердого внутренний раздел. Чтобы сохранить материал волокна, дизайнер может выбрать заполнение с низкой плотностью или более тонкую внешнюю стену (называемую оболочкой). При выборе низкого значения заполнения (скажем, около 25%) принтер FDM создает внутри объекта регулярную структуру, плотность которой определяется конкретными настройками заполнения, реализованными пользователем. Рисунок заполнения также может быть изменен, и пользователь может выбрать прямоугольный, треугольный, качающийся или сотовый рисунок. Каждый узор имеет свои преимущества с точки зрения прочности, гибкости, скорости печати и количества используемой нити.

Очевидно, что выбор толщины оболочки и плотности заполнения — это компромисс между структурной прочностью и экономией средств. Для ранних прототипов, которые не обязательно должны быть функциональными, можно использовать такие низкие значения, как заполнение 10% при толщине оболочки 0,8 мм. Большинство программ FDM используют значения по умолчанию: заполнение 25% и толщину оболочки 1 мм, что представляет собой компромисс между механической прочностью и количеством используемой нити.

Адгезия слоев

Адгезия между последовательными слоями отпечатка FDM является важным фактором, определяющим его общую прочность. В процессе печати расплавленная нить ложится на предыдущий слой, что приводит к частичному переплавлению предыдущего слоя из-за температуры нового слоя. Благодаря этому процессу каждый слой становится связанным со слоем под ним.

Однако прочность этого связывания по сути будет ниже, чем прочность исходного материала. Это означает, что направление Z любого отпечатка FDM всегда будет слабее, чем направление X или Y. Это важный факт, о котором следует помнить, особенно при печати функциональных объектов. Испытания показали, что предел прочности на разрыв любой печати FDM по осям X и Y примерно в 4 раза выше, чем предел прочности по оси Z.

Объекты, сделанные с помощью печати FDM, также будут иметь волнистую форму. поверхности, независимо от того, какую высоту слоя вы установили. Это естественное следствие процесса печати, при котором отдельные нити накала накладываются друг на друга.. Таким образом, каждый слой состоит из нити накала, которая имеет примерно круглую форму, что приводит к гребням и выемкам на готовой поверхности.

Неровная поверхность, которая присуща всем отпечаткам FDM, несколько ограничивает области применения объектов, выполненных с использованием FDM. Объекты, напечатанные методом FDM, в большинстве случаев не подходят для длительного хранения пищевых продуктов, так как эти небольшие выемки трудно полностью очистить и они станут основной питательной средой для бактерий.

Деформация

Деформация — обычное явление в FDM-печати, которое обычно возникает на первом слое, приклеенном к печатной платформе. Когда первый слой укладывается на поверхность, он автоматически начинает охлаждаться. Однако воздействие на внешние слои более холодной окружающей среды приводит к их более быстрому охлаждению по сравнению с внутренними слоями. Это неравенство в скорости охлаждения (и последующего теплового сжатия) приводит к деформации слоя, проявляющейся в изгибе вверх самых внешних слоев.

Самым простым средством против коробления является использование нагретого кровать, которая поддерживает постоянную температуру первого слоя на протяжении всего процесса печати. Хорошая адгезия к слою также важна для предотвращения смещения первого слоя во время печати. Существуют различные методы приклеивания к станине, некоторые из которых легко доступны, например, клей-карандаш или синяя малярная лента. Опять же, выбор настроек температуры слоя и метода приклеивания в значительной степени определяется материалом нити, с которым вы работаете.

Отделка

Из-за естественно неровной поверхности готовых отпечатков FDM обычно требуется некоторая постобработка, чтобы получить более качественные результаты. Самый распространенный вариант отделки для получения гладкой поверхности — это шлифовка и полировка с использованием комбинации наждачной бумаги, полировального круга и полировальной пасты для пластмасс. Сглаживания также можно добиться, используя растворитель, совместимый с материалом печатаемого объекта, например ацетон для АБС-пластика. Некоторые дизайнеры даже использовали металлическое покрытие для отделки своих отпечатков FDM, придавая им великолепный металлический вид, а также создавая внешний защитный слой.

Последующая обработка может также включать удаление поддерживающих материалов, как упоминалось ранее . В зависимости от используемого материала носителя этот шаг может быть таким же простым, как погружение готового отпечатка в воду или использование специального растворителя для расплавления материала носителя. Вы также можете сделать опорные конструкции из нерастворимого материала (например, если у вас нет двойного экструдера). Для удаления таких опорных конструкций потребуется немного больше смазки для локтей и, возможно, хороший набор плоскогубцев.

Каковы преимущества FDM?

Главное преимущество FDM как технологии 3D-печати — это ее непревзойденный уровень популярности. Рост числа пользователей принтеров FDM привел к появлению настольных 3D-принтеров, которые довольно дешевы и просты в использовании.. Пакеты программного обеспечения, поставляемые с этими настольными 3D-принтерами, также становятся все более легкими в освоении. Благодаря такому количеству интерактивных руководств, бесплатных 3D-моделей и обучающих видеороликов технология FDM стала очень доступной для обычного человека.

Эта популярность также привела к большому выбору материалов для нитей накала. от стандартных PLA и ABS до более экзотических, таких как нити с металлическим напылением и светящиеся в темноте нити. Хотите сделать 3D-принт, похожий на дерево? Для этого у нас есть как раз нить накаливания! Как насчет того, что пахнет кофе? Для этого тоже есть нить!

С промышленной точки зрения печать FDM имеет большое значение в области быстрого прототипирования. Будучи чрезвычайно простыми в использовании, принтеры FDM позволяют быстро и с меньшими затратами создавать прототипы. За исключением опечаток, печать FDM также является относительно безотходным методом.

Рынок принтеров FDM и аксессуаров сильно вырос за последние пару лет. Любой, кто хочет заняться FDM-печатью в качестве хобби, скорее всего, найдет установку, которая подходит для его бюджета и уровня навыков. Мы находимся в точке, где мы не можем себе представить, чтобы какая-либо другая технология 3D-печати могла догнать по популярности и доступности.

Каковы ограничения FDM?

Будучи быстрым и дешевым методом быстрого прототипирования, FDM имеет свои ограничения с точки зрения качества деталей, которые он может производить. Его главным ограничением является диаметр сопла горячего конца, печать FDM не подходит для очень сложных дизайнов. Естественно неровная поверхность готовых отпечатков FDM также может быть довольно проблематичной, поскольку необходимая дополнительная обработка дополнительно увеличивает время оборота прототипов FDM.

Как уже упоминалось, отпечатки FDM имеют естественно более низкую прочность в Ось Z. Это серьезно ограничивает возможности применения FDM-печати, поскольку на них нельзя полагаться при создании объектов, спроектированных так, чтобы выдерживать высокие удары или длительные нагрузки. Это означает, что технология FDM больше подходит для создания элементов дизайна — объектов, которые хорошо выглядят, но не обязательно работают функционально.

Что ждет печать FDM в будущем?

Имея такую ​​большую рыночную базу, мы можем только представить, что технология печати FDM будет продолжать расширяться и развиваться. По мере совершенствования технологий мы можем представить себе, что настольные 3D-принтеры станут меньше и дешевле. Выбор волокнистых материалов постоянно расширяется и, вероятно, будет продолжать расти и включать в себя более полезные варианты: высокопроводящие волокна, настоящие прозрачные волокна и более прочные волокна.

Мы с нетерпением ждем будущего, когда FDM печать будет в основном использоваться для создания действительно полезных и практичных объектов, а не новинок, которые обычно используются сегодня. Возможно, будут разработаны принтеры с возможностью работы с несколькими материалами, которые позволят нам создавать составные объекты.. Возможно, пользователи также продемонстрируют повышение квалификации и позволят человеческой изобретательности преодолеть ограничения технологии FDM. При таком большом количестве возможных приложений потенциал для роста и развития FDM-печати практически безграничен.

Заключительные мысли

FDM-печать — самая популярная и широко используемая 3D-печать. технологии сегодня с большим отрывом. С выпуском компактных и доступных настольных 3D-принтеров даже обычный человек может увлечься 3D-печатью. Обилие онлайн-ресурсов и руководств, а также широкий выбор материалов для волокон послужили развитию технологии FDM.

Несмотря на широкое распространение, технология FDM все еще имеет свои ограничения. Отпечатки не получаются гладкими, процесс занимает много времени, а отпечатки не всегда структурно прочны. Однако гибкость и рентабельность технологии сделали ее ценным инструментом в индустрии быстрого прототипирования.

С таким большим количеством приложений и продолжающимся ростом популярности мы прогнозируем дальнейшее развитие технологии FDM. в будущем. На данный момент очень маловероятно, что другая технология 3D-печати выйдет на первое место — FDM-печать никуда не денется.

Внимание! Никогда не оставляйте 3D-принтеры без присмотра. Они могут представлять опасность для пожарной безопасности.
Оцените статью
futurei.ru
Добавить комментарий