Какво е FDM 3D печат?

Влезте във всеки модерен машинен цех, производствено помещение или дори хол и е много вероятно да се натъкнете на емблематичната гледка - квадратната рамка на 3D принтер, който непрекъснато изработва пластмасови части слой по слой като роботизиран паяк, плетещ геометрични мрежи. И все пак тази привидна магия е известна с доста банално име - моделиране чрез сливане на пластмаси или FDM.

Какво е FDM 3D печат?

FDM се отнася до най-разпространената форма на технология за адитивно производство, използвана днес. Като достъпен и надежден процес на 3D печат, FDM конструира обекти чрез селективно отлагане на разтопен термопластичен материал слой по слой в предварително определени пътища за печат.

Терминът произлиза от основния принцип на действие - филаментната суровина първо се нагрява до полутечно състояние, след което се екструдира и отлага върху печатаща повърхност, където бързо се втвърдява, сливайки се със съществуващите слоеве. Докато фините пластмасови перли се полагат и свързват, частите придобиват форма, излизаща от процеса на печат.

Изобретен преди повече от 30 години, ранните FDM технологии произвеждаха прототипи от ABS пластмаса в търговските 3D печатни услуги. Оттогава възможностите за FDM печат се развиха бързо благодарение на развитието на прецизните екструдерни механизми, разнообразните термопластични материали и разширените приложения - всичко това при по-достъпни разходи за оборудване.

Вече де факто стандартът в адитивното производство, FDM 3D печатът предлага както на бизнеса, така и на потребителите, универсален инструмент за дигитално производство, позволяващ бърз преход от 3D модели към физически обекти. От глобални производствени линии до настолни домашни конфигурации, Репутацията на FDM за надеждност продължава да стимулира повсеместното ѝ разпространение, тъй като технологията преоткрива достъпа до производството през 21-ви век и след това.

Как работи FDM 3D печатът

Нека разгледаме пътя от файл до осезаем продукт през основните етапи на FDM 3D печата.

1. Етап на проектиране

Всеки обект, създаден от FDM 3D принтер, започва като дигитален чертеж. Той обикновено се изработва в софтуер за компютърно проектиране (CAD), където дизайнът се моделира щателно. След завършване, този дигитален модел се запазва във файлов формат като STL или OBJ, които са формати, които софтуерът за нарязване може да интерпретира.

2. Разрязване на модела

След като фазата на проектиране приключи, следващата стъпка включва използването софтуер за нарязване. Този мощен инструмент взема 3D модела и го разделя на стотици или хиляди хоризонтални слоеве. След това софтуерът превежда тези слоеве в G-код, езикът, който инструктира принтера за точните движения, необходими за пресъздаване на обекта слой по слой.

3. Подготовка за печат

След като инструкциите за G-код са готови, принтерът е подготвен. Зарежда се макара с термопластичен филамент и принтерът предварително загрява дюзата си до температура, подходяща за топене на материала. Тази подготовка осигурява плавен поток на пластмасата по време на печата.

4. Процесът на печат

Печатането започва с нанасянето на първия слой разтопена пластмаса върху платформата за изработка от дюзата. Движейки се по предварително определени траектории, зададени от G-кода, дюзата оформя обекта, като добавя слоеве един по един. Междувременно платформата за изработка се спуска постепенно след всеки слой, като поема добавянето на нов материал.

5. Охлаждане и втвърдяване

Веднага след екструдиране през нагрятата дюза, пластмасата се охлажда бързо, втвърдявайки се почти при контакт с излизащата част или платформата за изработка.Бързото охлаждане гарантира, че всеки нов слой се слива здраво с предишния, запазвайки целостта и формата на развиващия се обект.

6. Поддържащи конструкции

Обектите със сложен дизайн често изискват временни опорни конструкции. Тези опори поддържат надвесите и стабилизират сложните геометрии по време на процеса на печат. Те са проектирани да бъдат лесно отстраняеми и се отстраняват при последваща обработка, оставяйки след себе си желания дизайн.

7. Последваща обработка

След като последният слой е отпечатан и целият обект е напълно оформен, се извършва всяка необходима последваща обработка. Това може да включва премахване на гореспоменатите поддържащи структури, шлайфане на повърхността, за да се намали видимостта на слоя, а понякога и боядисване или обработка на обекта, за да се подобрят неговите функционални свойства или естетическа привлекателност.

Следвайки тези етапи, FDM 3D принтери преобразуват цифрови модели във физически, триизмерни обекти. Тази завладяваща смесица от дизайн, технологии и материалознание е това, което прави FDM 3D печата крайъгълен камък в областта на бързото прототипиране и производство.

Ключови характеристики на FDM печатите

Както при всеки метод на производство, FDM 3D печат носи уникални качества, присъщи на процеса. Запознаването с тези основни характеристики на FDM помага за насочване на дизайнерските решения.

• Анизотропна якост: Слоестият модел на адхезия на 3D отпечатъците означава, че частите се разделят по-слабо между слоевете, вместо да се разкъсват по тях. Оптимизацията на ориентацията е ключова.
• Прецизност на подравняване: Производствените отклонения в диапазона от 0,1-0,5% все още позволяват високи допуски и пасващи сглобки, когато са внимателно калибрирани. Точността обхваща всички системи.
• Хоризонтална резолюция: Докато дебелината на слоевете ограничава вертикалната прецизност, XY резолюцията зависи от размера на дюзата на екструдера, обикновено от 0,2 до 0,8 мм за стабилни отпечатъци.

Запознаването с особеностите на FDM процеса позволява пълноценно използване, така че създателите концептуално да решават предизвикателствата във възможности.

Основни компоненти на FDM принтер

FDM печатът използва цифрови 3D модели, като тези, експортирани от CAD софтуер, и физически ги превръща в реалност чрез координирания танц само на няколко високотехнологични компонента:

• Филамент: Тази навита макара осигурява суровината - обикновено термопластичен материал с дебелина 1,75 мм или 2,85 мм, като ABS или PLA.
• Дюза за печат: Филаментът се подава в дюза с горещ край, нагрята за разтопяване на материала. Дюзите със среден диаметър от 0,4 мм екструдират прецизни топчета от течна пластмаса.
• Печатно легло: При прецизно позициониране, дюзата нанася разтопен филамент върху печатащото легло, изграждайки форми слой по слой. Адхезията предотвратява изкривяването.
• Портална система: Двигателите координират дюзата на екструдера в X/Y/Z пространствено пространство, водени по високоточни траектории на печат.

Повтаряйки последователността - топене, отлагане, охлаждане и свързване - FDM машините изграждат цели обекти отдолу нагоре, като двуизмерните слоеве се натрупват вертикално. След завършване на слоя, платформата за изработка се спуска и дюзата на екструдера отлага друга разтопена пластмасова лента директно върху последния, докато достигне зададените височини.

Преди да бъдат отпечатани, файловете с цифрови модели изискват „нарязване“, за да се преобразуват 3D геометриите в числови траектории на инструментите – по същество G-кодови инструкции. Подобно на сканирането на хляб, стотици въображаеми хоризонтални напречни сечения определят слоевете за печат.

Материали за FDM 3D печат: Повече от разтопена пластмаса

Въпреки че FDM печатът се използва широко заради своята надеждност и резултати в различни приложения, възходът на технологията се дължи отчасти на широката палитра от... функционални материали укрепване на възможностите му далеч отвъд простото създаване на прототипи.

• Дефиниране на термопласти: Печатните материали, на които се основава предимството на FDM, принадлежат към клас, известен като термопласти - пластмаси, които се топят под въздействието на топлина, но рекристализират в твърди вещества при охлаждане. Това обратимо свойство позволява прецизно отлагане в втечнено състояние.
• Често срещани нишки: ABS и PLA филаменти доминират като лидери във филаментите, следвани от месинговия пълнеж, PETG и гъвкавия TPE за специализирани приложения. Допълнителни композити като дървесни или въглеродни влакнести смеси разширяват възможностите.
• Екзотични и функционални филаменти: Електропроводящите нишки вграждат вериги, директно свързващи отпечатани обекти със захранване или сигнали. Междувременно, разтворимите поддържащи нишки подобряват надвисналите дизайни, но се отмиват, когато е необходимо, изчезвайки като призраци, когато работата им приключи.
• Избор по свойства: Плътността, адхезията на слоевете, UV устойчивостта и биоразградимостта помагат за определяне на идеалните материали за работни условия, като се има предвид топлината, излагането на открито или гъвкавата функция за закрепване, отвъд визуалното прототипиране.

Приложения на FDM в реалния свят

Първоначално създаден за удобно прототипиране на концепции за продуктов дизайн, FDM се оказа толкова надежден, че днес FDM принтерите намират широко приложение в критично важни производствени задачи в различните сектори.

• Бързо производство: Производителите на аерокосмически продукти използват индустриални FDM системи, за да отпечатват прецизни монтажни приспособления, които държат компонентите на самолетите, подложени на машинна обработка. Чрез 3D отпечатване на тези персонализирани инструменти, вместо да се възлага конвенционалното производство на външни изпълнители, заводите за самолети могат бързо да произвеждат приспособления вътрешно, когато нуждите се променят.
• Образование: Училищата и университетите са включили настолни FDM 3D принтери в STEM програмите, което позволява на учениците да учат чрез създаване на физически прототипи на обекти, които проектират. Превръщането на идеите в реалност мотивира интереса към инженерството, технологиите и моделирането за обучение по приложни науки. Образователните 3D принтери правят практически експериментални проекти. рентабилен.
• Медицински: Въздействието на FDM върху здравеопазването се разширява ежедневно чрез отпечатване на персонализирани компоненти, съответстващи на анатомията на пациента, с неинвазивно преобразуване на медицински изображения в 3D модели. Хирурзите използват тактилни 3D отпечатани реплики на органи, подпомагащи предоперативното планиране, докато инженерите бързо проектират и валидират животоспасяващи устройства, като произведени чрез FDM назофарингеални тампони за събиране на големи количества проби от COVID-19.
• Разпределено производство: Стартъпи като Figure 4 и Adafruit използват мащабируемостта „plug-and-play“ на настолните FDM платформи, за да изпълняват локално специализирани производствени поръчки при поискване. Домакински стоки, играчки, подаръци и други се печатат без доставка в чужбина, като същевременно се избягват отпадъци от свръхпроизводство - рационализирайки персонализацията. Модулните микрофабрики носят персонализирани занаяти на витрините на главната улица.

От STEM класни стаи до лаборатории по роботика или фабрични цехове, FDM 3D печат рационализира иновациите, образованието и разпределеното дигитално производство.

Защо трябва да изберете FDM?

Няколко технологии за адитивно производство съществуват отвъд FDM, като всеки от тях има уникални предимства в определени приложения. Но какво определя FDM като „първи сред равни“ като най-разпространения метод за 3D печат в света?

1. Достъпност и простота

FDM 3D принтерите доминират в световните продажби Благодарение на много достъпните настолни модели и материали, това позволява на всеки лично да проучи 3D печата с нисък риск. Лесният потребителски интерфейс също така позволява широко приложение от училищата до производството. FDM осигурява най-икономичния и достъпен начин за навлизане в адитивното производство.

2. Универсалност на материалите

Гамата от налични термопластични филаменти, от основни PLA и ABS до по-усъвършенствани специализирани композити, позволява персонализиране на отпечатъци от основни концепции до индустриални инженерни материали за крайни продукти. Тази гъвкавост дава възможност за креативност.

3. Надеждно качество

Над 30 години оптимизиране на системи за екструдиране и контрол на движението гарантират точност на размерите и повторяемост, очаквани от платформа за цифрово производство, еквивалентна на шприцването. Аерокосмическият и медицинският сектори разчитат на прецизно FDM производство.

Въпреки че алтернативните процеси на 3D печат осигуряват превъзходно покритие на повърхността, скорост, здравина и мащаб за напреднали приложения, FDM предлага оптимална комбинация от възможности, избор на материали, оперативни разходи и надеждност, подходяща за повечето често срещани потребителски и търговски приложения. Чрез премахване на бариерите за приемане, FDM прави иновациите чрез адитивно производство достъпни за всички.

Най-добри практики за овладяване на FDM 3D печат

Когато се потапяте в света на 3D печата чрез моделиране чрез стопяване и отлагане (FDM), постигането на оптимални резултати е свързано с овладяването на няколко критични аспекта. Това ръководство ще ви преведе през жизненоважни стратегии, които могат да издигнат вашите печатни проекти от добри до страхотни.

1. Създаване на подходяща среда за печат

Всеки успешен печат започва с правилните условия. Важно е да се поддържа среда, в която температурата и влажността са контролирани, за да предотвратяване на изкривяването на вашите творения или развиване на други дефекти. Особено чувствителни материали като ABS може дори да изискват затворена печатаща камера, за да се гарантира, че топлината остава постоянна през целия процес.

2. Постигане на перфектна адхезия на първия слой

Основата на всеки 3D печат е първият му слой. За да го закрепите правилно към плочата за изработка, започнете с добре нивелирана основа. Често срещана техника включва използването на стандартен лист хартия, за да се измери разстоянието между дюзата и основата, като се правят корекции, докато не усетите леко издърпване на хартията при преместването ѝ. За материали, склонни към повдигане, помислете за лепилни помощни средства като лепило на пръчици, лак за коса или специални стикери за 3D печат, за да подсилите захвата.

3. Балансиране на плътността на пълнежа и дебелината на обвивката

Здравината на печата и качеството на финала зависят от намирането на перфектния баланс между плътността на запълване на вашия модел и дебелината на външната му обвивка. Докато по-голямото запълване означава повишена издръжливост, това също води до по-дълго време за печат и по-висок разход на материал. Адаптирайте тези настройки въз основа на предназначението на вашия отпечатан артикул и не забравяйте, че понякога по-малкото е повече.

4. Фина настройка на скоростта и температурите на печат

Магията често се случва в регулирането на скоростта на печат и температурата на екструдиране. В зависимост от тип нишка, може да се наложи да забавите скоростта, за да уловите по-фини детайли, или да увеличите температурата за тези с по-висока точка на топене.Тези настройки могат драстично да подобрят адхезията на слоевете и цялостното качество на печат.

5. Ангажимент за редовна поддръжка

Вашият принтер е толкова надежден, колкото е надеждна неговата поддръжка. Редовно почистване на конструиращата плоча, смазването на движещи се части и подмяната на компоненти като дюзи и ремъци ще поддържат машината ви да работи безпроблемно, а разпечатките ви да изглеждат ясни.

6. Правилни практики за съхранение на филаменти

Филаментите могат да бъдат деликатни и склонни към разграждане, ако не се съхраняват правилно. Пазете макарите си от влага и пряка слънчева светлина, като използвате влагоабсорбатори и ги запечатвате в херметически затворени контейнери. Правилно съхранение гарантира целостта на материала и постоянно качество на печат.

7. Усъвършенстване с последваща обработка

Последващата обработка може да превърне един добър отпечатък в произведение на изкуството. Техниките варират от шлайфане до изглаждане с ацетонови пари (за ABS) или боядисване. Тези методи усъвършенстват външния вид и функционалността на крайния продукт.

8. Майсторство на софтуера за слайсери

Софтуерът за слайсър е мозъкът зад вашите разпечатки, превръщайки вашите дизайни в точни инструкции за вашия принтер. Възползвайте се от неговата мощ, като се научите как да манипулирате поддържащите структури, височините на слоевете и други параметри на печат, за да отговарят на вашите специфични нужди.

9. Приемане на опита и грешката

Не се страхувайте да експериментирате. Настройвайте настройките постепенно и документирайте какво работи – и какво не – за всеки проект. Този итеративен подход води до непрекъснато подобрение и по-задълбочено разбиране на възможностите на вашия принтер.

Бъдещето на FDM: Какво следва?

FDM запазва силна инерция като врата към 3D печата за създаване на прототипи и производство в малки обеми. Прогнозите очакват само индустриалните системи да засенчат... 18 милиарда долара глобални приходи до 2027 г., какво крие бъдещето?

• Иновации в материалите: Разработките в областта на високоякостните термопласти и печатната електроника ще разширят допълнително приложенията им в транспорта, аерокосмическата индустрия, инфраструктурата и производството на устройства.
• Интеграция на автоматизация: Рационализирането на дигиталния работен процес чрез свързване на софтуер за моделиране с платформи за изпълнение на поръчки и складове ще ускори мащабното му внедряване в разпределените производствени мрежи.
• Въглеродни ограничения: С затягането на инициативите за устойчивост, местното производство по заявка обещава значително намаляване на въглеродните емисии чрез елиминиране на презокеанските превози и отпадъците, като същевременно подкрепя бизнес моделите за сервитизация.

Вдъхване на живот на идеите

Тъй като FDM демократизира дигиталното производство чрез непрекъснато усъвършенстващи се достъпни и прецизни 3D печатащи системи, новаторите получават достъпен набор от инструменти, за да превърнат творческите си визии в реалност чрез просто топене и свързване на материали в желани форми, независимо дали става въпрос за прототипиране у дома или за мащабно производство. Разкривайки прагматичния занаят зад адитивното производство, някога мистериозната технология за 3D печат сега дава възможност на всеки да кристализира въображението си в удобен за употреба продукт на работната си маса, в работното си пространство или дори на бюрото си, тъй като тази нова производствена парадигма променя възможностите.

Често задавани въпроси относно FDM 3D печат

1. Какви са плюсовете и минусите на FDM?

Плюсове: FDM 3D печатът е широко признат за рентабилен, както по отношение на самите принтери, така и на използваните материали.Лесна е за употреба, което я прави популярен избор за начинаещи и училища. Технологията е отлична за бързо производство на издръжливи части и предлага широка гама от материали, от които да избирате, всеки с различни свойства, съобразени с различни приложения.

Недостатъци: От друга страна, FDM не винаги има най-гладкото покритие, защото често можете да видите отделните слоеве върху отпечатаната част. Също така, когато печатате надвеси или сложни форми, може да се нуждаете от допълнителни структури, които да поддържат печата по време на процеса, които ще трябва да премахнете след това. В сравнение с други методи като SLA, прецизността и детайлността на FDM са ограничени и тъй като печата слой по слой, частите могат да бъдат по-слаби в едната посока в сравнение с другата.

2. Защо FDM е по-добър от SLA?

FDM е по-добър от SLA в контексти, където цената е важен фактор, тъй като обикновено е по-евтино. FDM принтерите са по-здрави, що се отнася до видовете материали, които могат да използват, а тези материали често водят до по-здрави части. Освен това, FDM принтерите са по-лесни за поддръжка и употреба, поради което често ще ги намерите в работилници за любители и образователни среди. Ако обаче вашият приоритет е създаването на обекти с много фини детайли и гладка повърхност, SLA може да е предпочитаният вариант пред FDM.

3. Колко безопасен е FDM печатът?

FDM печатът се счита за доста безопасен, но както при всеки инструмент, трябва да го използвате правилно. Уверете се, че принтерът е в добре проветриво помещение, защото нагрятата пластмаса може да отделя изпарения. Винаги бъдете внимателни около принтера, тъй като дюзата и леглото се нагряват достатъчно, за да причинят изгаряния. Следвайте инструкциите на производителя за поддръжка и работа и би трябвало да можете да се наслаждавате. 3D печат без никакви проблеми с безопасността.

4. Колко време отнема FDM 3D печатането?

Времето, необходимо за FDM печат, може да варира значително. Малък и прост обект може да бъде направен за по-малко от час, докато по-големи или много детайлни произведения могат да отнемат цял ден или дори повече. Няколко фактора влияят върху времето за печат: размерът на обекта, желаното качество (което определя височината на слоя) и колко плътно искате да бъде произведението (което влияе на запълването). Балансът между тези фактори обикновено дава най-добър резултат както по отношение на времето, така и на качеството на печат.

5. Колко дълго издържат FDM 3D принтерите?

Животът на един FDM 3D принтер наистина зависи от това как се грижите за него. Редовната употреба не е проблем – всъщност машините често се възползват от това да се използват, вместо да стоят бездействащи. Ключът към дълготрайността е редовната поддръжка, като например почистване и от време на време... подмяна на части като дюзата или печатащото легло, ако показват признаци на износване. С подобно внимание, един добър FDM принтер може да ви служи добре в продължение на много години – пет или повече години не са необичайни, а някои потребители съобщават, че принтерите им работят много по-дълго с правилна грижа.

Прочетете още

• 3D печат с въглеродни влакна: Пълно ръководство
• Отстраняване на неизправности при 3D печат: 15 най-често срещани проблема и решения
• Защо моят 3D печат не залепва за леглото?
• Безопасен ли е 3D печатът за деца