Mikä on FDM 3D -tulostus?

Astuessasi mihin tahansa moderniin konepajaan, valmistajan tilaan tai jopa olohuoneeseen, kohtaat todennäköisesti ikonisen näyn – 3D-tulostimen laatikkomaisen rungon, joka valmistaa tasaisesti muoviosia kerros kerrokselta kuin robottihämähäkki kehrää geometrisia verkkoja. Silti tällä näennäisellä taikuudella on melko arkipäiväinen nimi – fused deposition modeling eli FDM.

Mikä on FDM 3D-tulostin?

FDM viittaa nykyään yleisimmin käytettyyn lisäainevalmistustekniikkaan. FDM on helppokäyttöinen ja luotettava 3D-tulostusprosessi, jossa esineitä rakennetaan kerrostamalla valikoivasti sulatettua kestomuovimateriaalia kerros kerrokselta ennalta määrättyjä tulostusreittejä pitkin.

Termi on johdettu toiminnan ydinperiaatteesta – filamenttiraaka-aine kuumennetaan ensin puolinestemäiseksi, sitten se puristetaan ja kerrostetaan tulostuspinnalle, jossa se jähmettyy nopeasti ja fuusioituu olemassa oleviin kerroksiin. Kun hienoja muovirakeita kerrostetaan ja liitetään toisiinsa, osat muotoutuvat tulostusprosessista.

Keksitty yli 30 vuotta sittenVarhaiset FDM-tekniikat tuottivat prototyyppejä ABS-muovista kaupallisissa 3D-tulostuspalveluissa. Sittemmin FDM-tulostusominaisuudet ovat kehittyneet nopeasti tarkkojen ekstruuderimekanismien, monipuolisten termoplastisten materiaalien ja laajentuneiden sovellusten kehityksen ansiosta – kaikki tämä on vastannut edullisempiin laitekustannuksiin.

Nyt tosiasiallinen standardi lisäainevalmistuksessa, FDM 3D-tulostus tarjoaa sekä yrityksille että kuluttajille monipuolisen digitaalisen valmistustyökalun, joka mahdollistaa nopean siirtymisen 3D-mallisuunnitelmista fyysisiksi objekteiksi. Globaaleista tuotantolinjoista kotikäyttöön tarkoitettuihin pöytätietokoneisiin, FDM:n maine luotettavuudesta jatkaa leviämistään teknologian mullistaessa valmistusteollisuuden käyttömahdollisuuksia 2000-luvulla ja sen jälkeen.

FDM-tulosteiden keskeiset ominaisuudet

Kuten minkä tahansa valmistusmenetelmän kanssa, FDM 3D-tulostus sisältää prosessille ominaisia ainutlaatuisia ominaisuuksia. Näiden FDM-ydinominaisuuksien tunteminen auttaa suunnitteluvalintojen ohjaamisessa.

• Anisotrooppinen lujuus: 3D-tulosteiden kerrostettu tarttumiskuvio tarkoittaa, että osat jakautuvat kerrosten välillä heikommin kuin repeävät niiden poikki. Suunnan optimointi on avainasemassa.
• Kohdistustarkkuus: Tuotantovaihtelut vaihtelevat välillä 0,1–0.5% mahdollistavat silti suuret toleranssit ja sopivat kokoonpanot, kun ne on kalibroitu huolellisesti. Tarkkuus koskee kaikkia järjestelmiä.
• Vaakasuora resoluutio: Vaikka kerrospaksuudet rajoittavat pystysuuntaista tarkkuutta, XY-resoluutio riippuu ekstruuderin suuttimen koosta, joka on tyypillisesti 0,2–0,8 mm kestävien tulosteiden saavuttamiseksi.

FDM-prosessin erikoisuuksien läpikäyminen mahdollistaa täyden hyödyntämisen, jolloin tekijät voivat käsitteellisesti ratkaista haasteet mahdollisuuksiksi.

FDM-tulostimen pääkomponentit

FDM-tulostus ottaa vastaan digitaalisia 3D-mallitiedostoja, kuten CAD-ohjelmistoista viedyt, ja muuttaa ne fyysisesti todellisuudeksi vain muutaman huipputeknologisen komponentin koordinoidun toiminnan avulla:

• Hehkulanka: Tämä kela tarjoaa raaka-aineen – tyypillisesti 1,75 mm:n tai 2,85 mm:n paksuisen termoplastisen raaka-aineen, kuten ABS:n tai PLA:n.
• Tulostussuutin: Filamentti syötetään kuumapääsuuttimeen, jota kuumennetaan materiaalin sulattamiseksi. Keskimäärin 0,4 mm:n halkaisijan omaavat suuttimet pursottavat tarkkoja nestemäisen muovin helmiä.
• Tulosta sänky: Tarkan sijoituksen aikana suutin levittää sulatettua filamenttia tulostusalustalle ja muodostaa muotoja kerros kerrokselta. Tarttuvuus estää vääntymisen.
• Gantry-järjestelmä: Moottorit koordinoivat ekstruuderin suutinta X/Y/Z-ulotteisessa avaruudessa ja ohjaavat sitä erittäin tarkkoja tulostusreittejä pitkin.

Toistamalla järjestystä – sulatus, kerrostaminen, jäähdytys ja liimaus – FDM-koneet rakentavat kokonaisia kappaleita alhaalta ylöspäin kaksiulotteisten kerrosten kasautuessa pystysuunnassa. Kerroksen valmistuttua rakennusalusta laskeutuu ja ekstruuderin suutin kerrostaa toisen sulatetun muoviradan suoraan viimeisen päälle, kunnes se saavuttaa ennalta määrätyt korkeudet.

Ennen tulostusta digitaaliset mallitiedostot vaativat "viipalointia" 3D-geometrioiden muuntamiseksi numeerisiksi työstöradoiksi – pohjimmiltaan G-koodiohjeiksi. Kuten leivän skannaus, sadat kuvitteelliset vaakasuuntaiset poikkileikkaukset määrittävät tulostuskerrokset.

FDM 3D-tulostuksen materiaalit: Enemmän kuin sulaa muovia

Vaikka FDM-tulostusta käytetään laajalti sen luotettavuuden ja tulosten ansiosta eri sovelluksissa, teknologian nousu johtuu osittain sen laajasta valikoimasta. toiminnalliset materiaalit vahvistaa sen kykyjä paljon pelkän prototyyppien valmistuksen rajoissa.

• Termoplastisten materiaalien määrittely: FDM-tekniikan edun taustalla olevat tulostettavat materiaalit kuuluvat termoplasteihin – muoveihin, jotka sulavat lämmön vaikutuksesta, mutta kiteytyvät uudelleen kiinteiksi aineiksi jäähdytettäessä. Tämä palautuva ominaisuus mahdollistaa tarkan kerrostuksen nestemäisessä tilassa.
• Yleiset filamentit: ABS- ja PLA-filamentit hallitsevat filamenttijohtimina, joita seuraavat messinkitäyte, PETG ja joustava TPE erikoissovelluksiin. Muut komposiitit, kuten puu tai hiilikuitusekoitukset, laajentavat mahdollisuuksia.
• Eksoottiset ja toiminnalliset filamentit: Sähköä johtavat filamentit upottavat piirejä, jotka yhdistävät tulostetut objektit suoraan virtaan tai signaaleihin. Liukenevat tukifilamentit puolestaan parantavat roikkuvia malleja, mutta huuhtoutuvat pois tarvittaessa ja katoavat kuin haamut työnsä päätyttyä.
• Ominaisuuksien mukaan valinta: Tiheys, kerrosten tarttuvuus, UV-kestävyys ja biohajoavuus auttavat määrittämään ihanteelliset materiaalit käyttöolosuhteisiin ottaen huomioon lämmön, ulkotilanteen tai joustavan napsautuskiinnityksen visuaalisten prototyyppien lisäksi.

Todellisen maailman FDM-sovellukset

Alun perin tuotesuunnittelukonseptien kätevään prototyyppien luomiseen luotu FDM osoittautui niin luotettavaksi, että se on nykyään FDM-tulostimet ovat yleistyneet kriittisissä valmistustehtävissä eri sektoreilla.

• Nopea valmistus: Ilmailuvalmistajat käyttävät teollisia FDM-järjestelmiä tulostaakseen tarkkoja kokoonpanojigejä, jotka pitävät koneistettavia lentokoneiden osia paikoillaan. Tulostamalla nämä räätälöidyt työkalut 3D-tulostuksella perinteisen valmistuksen ulkoistamisen sijaan lentokonetehtaat voivat iteroida kiinnikkeitä nopeasti itse tarpeiden muuttuessa.
• Koulutus: Koulut ja yliopistot ovat ottaneet käyttöön pöytätietokoneella toimivia FDM-3D-tulostimia STEM-ohjelmissa, joiden avulla opiskelijat voivat oppia luomalla fyysisiä prototyyppejä suunnittelemistaan esineistä. Ideoiden toteuttaminen todellisuudessa lisää kiinnostusta tekniikkaan, teknologiaan ja mallintamiseen sovelletun tieteen oppimisessa. Koulutusalan 3D-tulostimet mahdollistavat käytännön projektikokeilut. kustannustehokas.
• Lääketieteellinen: FDM:n vaikutus terveydenhuoltoon laajenee päivittäin tulostamalla räätälöityjä komponentteja, jotka vastaavat potilaan anatomiaa ja muuntavat ne ei-invasiivisen lääketieteellisen kuvantamisen 3D-malleiksi. Kirurgit käyttävät taktiilisia 3D-tulostettuja elinjäljennöksiä leikkausta edeltävässä suunnittelussa, kun taas insinöörit suunnittelevat ja validoivat nopeasti hengenpelastuslaitteita, kuten FDM:llä tuotettuja nenänielun näytteitä suurten COVID-19-näytemäärien keräämiseen.
• Hajautettu valmistus: Startupit, kuten Figure 4 ja Adafruit, hyödyntävät FDM-alustojen plug-and-play-skaalautuvuutta täyttääkseen paikallisesti erikoisvalmistustilauksia kysynnän mukaan. Kodintarvikkeet, lelut, lahjat ja paljon muuta tulostetaan ilman ulkomaankuljetuksia ja samalla vältetään ylituotantohävikkiä – mikä tehostaa personointia.Modulaariset mikrotehtaat tuovat räätälöityjä käsitöitä pääkadun myymälöihin.

STEM-luokkahuoneista robotiikkalaboratorioihin tai tehtaiden lattoihin FDM 3D-tulostus virtaviivaistaa innovaatioita, koulutusta ja hajautettua digitaalista valmistusta.

Miksi sinun pitäisi valita FDM?

FDM:n lisäksi on olemassa useita lisäainevalmistustekniikoita, joilla jokaisella on ainutlaatuisia etuja tietyissä sovelluksissa. Mutta mikä tekee FDM:stä "ensimmäisen tasavertaisten joukossa" maailman yleisimmän 3D-tulostusmenetelmän?

1. Kohtuuhintaisuus ja yksinkertaisuus

FDM 3D -tulostimet hallitsevat maailmanlaajuista myyntiä erittäin edullisten pöytämallien ja materiaalien ansiosta kuka tahansa voi tutustua 3D-tulostukseen henkilökohtaisesti pienellä riskillä. Helppo käyttökokemus mahdollistaa myös laajan käyttöönoton kouluista valmistukseen. FDM tarjoaa edullisimman ja helpoimman tavan siirtyä lisäainevalmistukseen.

2. Materiaalien monipuolisuus

Saatavilla olevien termoplastisten filamenttien valikoima, perus-PLA:sta ja ABS:stä edistyneempiin erikoiskomposiitteihin, mahdollistaa tulosteiden räätälöinnin peruskonsepteista teollisuusluokan teknisiin materiaaleihin loppukäyttötuotteissa. Tämä joustavuus antaa luovuutta.

3. Luotettava laatu

Yli 30 vuoden kokemus ekstruusio- ja liikkeenohjausjärjestelmien optimoinnista varmistaa digitaaliselta valmistusalustalta odotettavan mittatarkkuuden ja toistettavuuden, joka vastaa ruiskuvalua. Ilmailu- ja lääketieteen alat luottavat tarkkaan FDM-tuotantoon.

Vaikka vaihtoehtoiset 3D-tulostusprosessit tarjoavatkin erinomaisen pinnanlaadun, nopeuden, lujuuden ja skaalautuvuuden edistyneissä sovelluksissa, FDM tarjoaa optimaalisen yhdistelmän ominaisuuksia, materiaalivalintoja, käyttökustannuksia ja luotettavuutta, mikä sopii useimpiin yleisimpiin kuluttaja- ja kaupallisiin toteutuksiin. Poistamalla käyttöönoton esteitä FDM tuo lisäainevalmistuksen innovaatiot kaikkien saataville.

FDM:n tulevaisuus: Mitä seuraavaksi?

FDM säilyttää vahvan vauhtinsa 3D-tulostuksen porttina suunnitteluprototyyppeihin ja pientuotantoon. Ennusteiden mukaan pelkästään teollisuusjärjestelmät jäävät jälkeen 18 miljardin dollarin maailmanlaajuinen liikevaihto vuoteen 2027 mennessä, mitä tulevaisuus tuo tullessaan?

• Materiaalien innovaatiot: Korkean lujuuden omaavien kestomuovien ja painetun elektroniikan kehitys laajentaa edelleen sovelluksia liikenteessä, ilmailu- ja avaruusteollisuudessa, infrastruktuurissa ja laitevalmistuksessa.
• Automaatiointegraatio: Digitaalisen työnkulun virtaviivaistaminen yhdistämällä mallinnusohjelmistot tilausten käsittelyalustoihin ja varastoihin nopeuttaa laajamittaista käyttöönottoa hajautetuissa valmistusverkostoissa.
• Hiilirajoitukset: Kestävyysaloitteiden kiristyessä paikallinen kysyntään perustuva tuotanto lupaa merkittäviä hiilidioksidipäästöjen vähennyksiä poistamalla merenkulun ja jätteen sekä tukemalla palvelullistamisliiketoimintamalleja.

Ideoiden herättäminen eloon

FDM:n demokratisoidessa digitaalista valmistusta jatkuvasti kehittyvien edullisten ja tarkkojen 3D-tulostusjärjestelmien avulla, innovaattorit saavat käyttöönsä helppokäyttöisen työkalupakin luovien visioiden toteuttamiseen yksinkertaisesti sulattamalla ja liittämällä materiaaleja haluttuihin muotoihin, olipa kyseessä sitten prototyyppien valmistus kotona tai skaalautuva tuotanto. Paljastamalla lisäainevalmistuksen taustalla olevan pragmaattisen taidon, kerran mystinen 3D-tulostusteknologia antaa nyt kenelle tahansa mahdollisuuden kiteyttää mielikuvituksen pidettäväksi luomukseksi työpöydällään, valmistustilassaan tai jopa työpöydällään, kun tämä uusi valmistusparadigma muokkaa mahdollisuuksia.

Lue lisää

• SLA vs. FDM 3D-tulostus: Kumman tekniikan kannattaa valita?
• Ilmaisia mallinnusohjelmistosuosituksia
• Suosittu 3D-tulostus- ja viipalointiohjelmisto