Wat is FDM 3D -printen ?

Stap een willekeurige moderne machinewerkplaats, makerspace of zelfs woonkamer binnen en de kans is groot dat je dat iconische gezicht tegenkomt: het hoekige frame van een 3D-printer, die gestaag plastic onderdelen laag voor laag fabriceert als een robotspin die geometrische webben spint. Toch heeft die schijnbare magie een nogal alledaagse naam: fused deposition modeling, of FDM.

Wat is een FDM 3D-printer?

FDM verwijst naar de meest voorkomende vorm van additieve productietechnologie die momenteel wordt gebruikt. FDM is een toegankelijk en betrouwbaar 3D-printproces waarmee objecten worden geconstrueerd door gesmolten thermoplastisch materiaal selectief laag voor laag af te zetten in vooraf bepaalde printpaden.

De term is afgeleid van het kernprincipe van de werking: filamentgrondstof wordt eerst verhit tot een semi-vloeibare toestand, vervolgens geëxtrudeerd en afgezet op een printoppervlak, waar het snel stolt en samensmelt met de bestaande lagen. Terwijl fijne kralen plastic worden neergelegd en gebonden, krijgen onderdelen vorm die uit het printproces komen.

Meer dan 30 jaar geleden uitgevonden, vroege FDM-technologieën produceerden prototypes van ABS-kunststof in commerciële 3D-printservices. Sindsdien zijn FDM-printmogelijkheden snel verbeterd dankzij ontwikkelingen in nauwkeurige extrudermechanismen, diverse thermoplastische materialen en uitgebreide toepassingen - die allemaal voldoen aan betaalbare apparatuurkosten.

Nu de de facto standaard in additieve productie, FDM 3D-printen biedt zowel bedrijven als consumenten een veelzijdige digitale fabricagetool die een snelle overgang van 3D-modelontwerpen naar fysieke objecten mogelijk maakt. Van wereldwijde productielijnen tot desktop-thuisopstellingen, De reputatie van FDM op het gebied van betrouwbaarheid blijft alomtegenwoordig, terwijl de technologie de toegang tot productieprocessen in de 21e eeuw en daarna opnieuw vormgeeft.

Belangrijkste kenmerken van FDM-afdrukken

Zoals bij elke productiemethode, FDM 3D-printen heeft unieke kwaliteiten die inherent zijn aan het proces. Kennismaken met deze kernkenmerken van FDM helpt bij het maken van ontwerpkeuzes.

• Anisotrope sterkte: Het gelaagde hechtingspatroon van 3D-prints betekent dat onderdelen zwakker splitsen tussen strata in plaats van eroverheen te scheuren. Optimalisatie van de oriëntatie is de sleutel.
• Uitlijningsprecisie: Productieafwijkingen van 0,1-0,5% maken nog steeds hoge toleranties en passende assemblages mogelijk wanneer ze zorgvuldig worden gekalibreerd. Nauwkeurigheid omvat alle systemen.
• Horizontale resolutie: Hoewel de dikte van de lagen de verticale precisie beperkt, hangt de XY-resolutie af van de grootte van de extruderspuitmond. Voor robuuste afdrukken ligt deze doorgaans tussen 0,2 en 0,8 mm.

Door vertrouwd te raken met de eigenaardigheden van het FDM-proces, kunnen makers het proces optimaal benutten en uitdagingen conceptueel omzetten in kansen.

Belangrijkste onderdelen van een FDM-printer

FDM-printen maakt gebruik van digitale 3D-modelbestanden, zoals die welke uit CAD-software worden geëxporteerd, en zet deze fysiek om in realiteit door de gecoördineerde dans van slechts een paar hightechcomponenten:

• Gloeidraad: Deze opgewonden rol levert het ruwe materiaal, meestal een thermoplastische grondstof van 1,75 mm of 2,85 mm, zoals ABS of PLA.
• Afdrukmondstuk: Filament wordt in een hot-end nozzle gevoerd die verhit wordt om het materiaal te smelten. Nozzle diameters van gemiddeld 0,4 mm extruderen precieze kralen van vloeibaar plastic.
• Afdrukken Bed: Bij nauwkeurige positionering deponeert de nozzle gesmolten filament op het printbed, waardoor vormen laag voor laag worden opgebouwd. Hechting voorkomt kromtrekken.
• Portaalsysteem: Motoren coördineren het extrudermondstuk in de X/Y/Z-dimensionale ruimte en leiden het langs uiterst nauwkeurige printpaden.

Door de volgorde te herhalen - smelten, deponeren, afkoelen en binden - construeren FDM-machines hele objecten van onder naar boven terwijl tweedimensionale lagen zich verticaal ophopen. Na het voltooien van een laag, zakt het bouwplatform en deponeert de extruderspuitmond een andere gesmolten plastic baan direct op de laatste totdat de voorgeschreven hoogte is bereikt.

Voordat ze op print klikken, moeten digitale modelbestanden worden "gesneden" om 3D-geometrieën te vertalen naar numerieke gereedschapspaden - in feite G-code-instructies. Net als bij het scannen van brood, bepalen honderden denkbeeldige horizontale doorsneden de printlagen.

Materialen voor FDM 3D-printen: meer dan gesmolten plastic

Hoewel FDM-printen op grote schaal wordt gebruikt vanwege de betrouwbaarheid en de resultaten in verschillende toepassingen, is de opkomst van de technologie deels te danken aan het brede scala aan functionele materialen waardoor de mogelijkheden ervan veel verder reiken dan alleen het maken van prototypes.

• Thermoplasten definiëren: De printbare materialen die ten grondslag liggen aan het FDM-voordeel, bevinden zich in een klasse die bekendstaat als thermoplasten - kunststoffen die smelten onder hitte, maar herkristalliseren tot vaste stoffen wanneer ze worden afgekoeld. Deze omkeerbare eigenschap maakt nauwkeurige afzetting in vloeibare toestanden mogelijk.
• Veel voorkomende filamenten: ABS- en PLA-filamenten domineren als filamentleiders, gevolgd door messingvulling, PETG en flexibel TPE voor gespecialiseerde toepassingen. Verdere composieten zoals hout- of koolstofvezelmixen breiden de mogelijkheden uit.
• Exotische en functionele filamenten: Elektrisch geleidende filamenten sluiten circuits in die geprinte objecten direct verbinden met stroom of signalen. Ondertussen verbeteren oplosbare ondersteunende filamenten overhangende ontwerpen, maar spoelen weg wanneer nodig, en verdwijnen als spoken wanneer hun werk klaar is.
• Kiezen op eigenschappen: Dichtheid, laaghechting, UV-bestendigheid en biologische afbreekbaarheid helpen bij het bepalen van de ideale materialen voor de bedrijfsomstandigheden. Hierbij wordt rekening gehouden met hitte, blootstelling aan de buitenlucht of flexibele klikfunctie die verder gaat dan visuele prototyping.

FDM-toepassingen in de echte wereld

Oorspronkelijk ontwikkeld voor het gemakkelijk prototypen van productontwerpconcepten, bleek FDM zo betrouwbaar dat het vandaag de dag FDM-printers worden op grote schaal ingezet voor bedrijfskritische productietaken in alle sectoren.

• Snelle productie: Luchtvaartfabrikanten gebruiken industriële FDM-systemen om nauwkeurige montagemallen te printen die vliegtuigonderdelen vasthouden die worden bewerkt. Door deze aangepaste gereedschappen in 3D te printen in plaats van conventionele fabricage uit te besteden, kunnen vliegtuigfabrieken snel armaturen in eigen huis itereren naarmate de behoeften veranderen.
• Onderwijs: Scholen en universiteiten hebben desktop FDM 3D-printers opgenomen in STEM-programma's, waardoor studenten kunnen leren door fysieke prototypes te maken van objecten die ze ontwerpen. Ideeën omzetten in realiteit motiveert interesse in techniek, technologie en modellering voor toegepaste wetenschapsleer. Educatieve 3D-printers maken praktische projectexperimenten mogelijk kosteneffectief.
• Medisch: De impact van FDM op de gezondheidszorg breidt zich dagelijks uit door het printen van aangepaste componenten die overeenkomen met de anatomie van de patiënt met niet-invasieve medische beeldvormingsconversie naar 3D-modellen. Chirurgen gebruiken tactiele 3D-geprinte orgaanreplica's ter ondersteuning van de pre-operatieve planning, terwijl ingenieurs snel levensreddende apparaten ontwerpen en valideren, zoals door FDM geproduceerde neuskeelholte-uitstrijkjes voor het verzamelen van grote hoeveelheden COVID-19-monsters.
• Gedistribueerde productie: Startups zoals Figure 4 en Adafruit maken gebruik van de plug-and-play-schaalbaarheid van desktop-FDM-platforms om op aanvraag gespecialiseerde productieorders lokaal uit te voeren.Huishoudelijke artikelen, speelgoed, cadeaus en meer printen zonder verzending naar het buitenland, terwijl overproductieverspilling wordt vermeden - personalisatie wordt gestroomlijnd. Modulaire microfabrieken brengen op maat gemaakte ambachten naar de winkelpuien van Main Street.

Van STEM-klaslokalen tot robotica-labs of fabrieksvloeren, FDM 3D-printen stroomlijnt innovatie, onderwijs en gedistribueerde digitale productie.

Waarom zou u voor FDM kiezen?

Naast FDM bestaan ​​er nog diverse additieve productietechnologieën, die elk unieke voordelen bieden voor bepaalde toepassingen. Maar wat maakt FDM tot de 'primeur onder gelijken' en de meest gebruikte 3D-printmethode ter wereld?

1. Betaalbaarheid en eenvoud

FDM 3D-printers domineren wereldwijde verkoop dankzij zeer betaalbare desktopmodellen en materialen, waardoor iedereen persoonlijk 3D-printen kan verkennen met een laag risico. Eenvoudige gebruikerservaring maakt ook brede acceptatie mogelijk van scholen tot productie. FDM biedt de meest economische en toegankelijke opstap naar additieve productie.

2. Materiaal veelzijdigheid

Het assortiment beschikbare thermoplastische filamenten, van basis PLA en ABS tot meer geavanceerde speciale composieten, maakt het mogelijk om prints aan te passen van basisconcepten tot industriële technische materialen voor eindproducten. Deze flexibiliteit stimuleert creativiteit.

3. Betrouwbare kwaliteit

Meer dan 30 jaar aan optimalisatie van extrusie- en bewegingscontrolesystemen zorgen voor de dimensionale nauwkeurigheid en herhaalbaarheid die verwacht worden van een digitaal fabricageplatform dat gelijk staat aan spuitgieten. De lucht- en ruimtevaart- en medische sectoren vertrouwen op nauwkeurige FDM-productie.

Hoewel alternatieve 3D-printprocessen een superieure oppervlakteafwerking, snelheid, sterkte en schaal voor geavanceerde toepassingen bieden, FDM levert de optimale combinatie van capaciteit, materiaalkeuze, bedrijfskosten en betrouwbaarheid, geschikt voor de meest voorkomende consumenten- en commerciële implementaties. Door acceptatiebarrières weg te nemen, maakt FDM innovatie door middel van additieve productie voor iedereen beschikbaar.

De toekomst van FDM: wat is de volgende stap?

FDM behoudt een sterk momentum als de gateway van 3D-printen voor ontwerpprototyping en fabricage in kleine volumes. Met voorspellingen die verwachten dat alleen industriële systemen de markt zullen overtreffen Wereldwijde omzet van $ 18 miljard in 2027, wat brengt de toekomst?

• Innovaties op het gebied van materialen: Ontwikkelingen op het gebied van zeer sterke thermoplasten en gedrukte elektronica zorgen voor een verdere uitbreiding van de toepassingen in transport, lucht- en ruimtevaart, infrastructuur en de productie van apparaten.
• Automatiseringsintegratie: Door de digitale workflow te stroomlijnen door modelleringssoftware te koppelen aan orderverwerkingsplatforms en magazijnen, wordt de grootschalige acceptatie in gedistribueerde productienetwerken versneld.
• Koolstofbeperkingen: Naarmate duurzaamheidsinitiatieven worden aangescherpt, belooft lokale productie op aanvraag een aanzienlijke vermindering van de CO2-uitstoot door het elimineren van overzeese transporten en afval, terwijl tegelijkertijd servitization-bedrijfsmodellen worden ondersteund.

Ideeën tot leven brengen

Nu FDM digitale fabricage democratiseert door middel van steeds geavanceerdere, betaalbare en nauwkeurige 3D-printsystemen, krijgen vernieuwers een toegankelijke toolkit om creatieve visies om te zetten in realiteit door materialen eenvoudig te smelten en te verbinden tot de gewenste vorm. Dit kan zowel thuis als op grote schaal worden geproduceerd.Door het pragmatische vakmanschap achter additieve productie te onthullen, stelt de ooit mysterieuze 3D-printtechnologie iedereen nu in staat om verbeelding om te zetten in tastbare creaties op de werkbank, in de makersruimte of zelfs op het bureau, terwijl dit nieuwe productieparadigma de mogelijkheden opnieuw vormgeeft.

Lees meer

• SLA versus FDM 3D-printen: welke technologie moet u kiezen?
• Aanbevelingen voor gratis modelleringssoftware
• Populaire 3D-print-slicingsoftware