Что такое 3D-печать FDM (моделирование методом наплавления)? Объяснено Хабами

Моделирование методом наплавления (FDM) 3D-печать, также известная как производство плавленых нитей (FFF), представляет собой аддитивное производство (AM). процесс в сфере экструзии материалов. FDM создает детали слой за слоем, выборочно нанося расплавленный материал по заданному пути и используя термопластичные полимеры. которые бывают в виде нитей.

Составляя самую большую установленную базу настольных и промышленных 3D-принтеров по всему миру, FDM является наиболее широко используемой технологией и, вероятно, первым процессом, о котором вы думаете, когда 3D-печать подходит.

В этой статье мы рассмотрим основные принципы и ключевые характеристики этой популярной аддитивной технологии. Мы также изучаем различия между машинами FDM, созданными для настольных и промышленных приложений, и даем советы и рекомендации для инженеров, чтобы получить наилучшие результаты от 3D-печати FDM.

Посмотрите, прежде чем читать:как создавать прототипы профессионально с помощью 3D-печати FDM

В этом видео рассказывается, как использовать 3D-печать FDM для быстрого прототипирования.

Как работает 3D-печать FDM?

3D-принтер FDM работает, нанося расплавленный материал на строительную платформу слой за слоем, пока вы не получите готовую деталь. FDM использует файлы цифрового дизайна, которые загружаются на саму машину, и преобразует их в физические размеры. Материалы для FDM включают полимеры, такие как ABS , PLA , ПЭТГ и PEI , которые машина подает в виде нитей через нагретое сопло.

Чтобы использовать машину FDM, вы сначала загружаете катушку этой термопластичной нити в принтер. Как только сопло достигает нужной температуры, принтер подает нить через экструзионную головку и сопло.

Эта экструзионная головка прикреплена к трехосевой системе, которая позволяет ей перемещаться по осям X, Y и Z. Принтер выдавливает расплавленный материал тонкими полосками и наносит их слой за слоем по траектории, определенной дизайном. После нанесения материал охлаждается и затвердевает. В некоторых случаях к экструзионной головке можно прикрепить вентиляторы для ускорения охлаждения.

Чтобы заполнить область, требуется несколько проходов, как при раскрашивании фигуры маркером. Когда принтер заканчивает слой, платформа сборки опускается, и машина начинает работу над следующим слоем. В некоторых конфигурациях машины экструзионная головка перемещается вверх. Этот процесс повторяется до тех пор, пока деталь не будет готова.

Каковы параметры печати для 3D-принтеров FDM?

Большинство систем FDM позволяют настраивать несколько параметров процесса. К ним относятся температура сопла и платформы сборки, скорость сборки, высота слоя и скорость охлаждающего вентилятора. Если вы дизайнер, вам обычно не нужно беспокоиться об этих настройках, поскольку оператор AM, вероятно, уже это сделал.

Тем не менее, важно учитывать такие факторы, как размер сборки и высота слоя. Обычный размер сборки настольного 3D-принтера составляет 200 x 200 x 200 мм, тогда как размеры промышленных машин могут достигать размеров 1000 x 1000 x 1000 мм. Если вы предпочитаете использовать настольный компьютер для печати своей детали, вы можете разбить большую модель на более мелкие части, а затем собрать ее заново. .

Типичная высота слоя FDM находится в диапазоне от 50 до 400 микрон. Печать более коротких слоев позволяет получить более гладкие детали и более точно воспроизводить криволинейные формы, а печать более высоких слоев означает, что вы можете создавать детали быстро и по более низкой цене.

Совет по дизайну: Разумный компромисс, который мы рекомендуем, — печатать слоями толщиной 200 микрон. Хотите узнать больше? Прочтите нашу статью о влияние высоты слоя на 3D-печатные детали .

Есть ли разница между настольными и промышленными FDM-принтерами?

Принтеры FDM обычно делятся на две основные категории:промышленные (также называемые профессиональными) и настольные (также называемые макетными) машины. Оба типа принтеров имеют разные области применения и преимущества, хотя основное различие между этими двумя технологиями заключается в их масштабах производства.

Промышленные 3D-принтеры FDM, такие как 3D-принтер Stratasys, намного дороже, чем их настольные аналоги — настольные машины в основном предназначены для домашнего использования, поэтому их использование для ваших нестандартных деталей будет стоить дороже. Поскольку промышленные машины более эффективны и мощны, чем настольные FDM-принтеры, они чаще используются для изготовления инструментов, функциональных прототипов и деталей для конечного использования.

Кроме того, промышленные FDM-принтеры могут выполнять более крупные заказы намного быстрее, чем настольные машины. Они рассчитаны на воспроизводимость и надежность и могут производить одну и ту же деталь снова и снова с минимальным вмешательством человека. Настольные FDM-принтеры не так надежны. С настольными компьютерами вам приходится часто проводить техническое обслуживание и регулярную калибровку.

В таблице ниже мы разобрали основные различия между типичным настольным FDM-станком и промышленным.

Свойство	Промышленный FDM	FDM для рабочего стола
Стандартная точность	± 0,15% (нижний предел ± 0,2 мм)	± 1% (нижний предел:± 1,0 мм)
Типичная толщина слоя	0,18–0,5 мм	0,10–0,25 мм
Минимальная толщина стенки	1 мм	0,8–1 мм
Максимальный размер сборки	Большой (например, 900 x 600 x 900 мм)	Средний (например, 200 x 200 x 200 мм)
Общие материалы	АБС, ПК, ULTEM	ПЛА, АБС, ПЭТГ
Вспомогательный материал	Водорастворимый/отрывной	То же, что и деталь (обычно)
Производственные возможности (на машину)	Низкий/средний	Низкий
Стоимость машины	$50000+	500–5000 долл. США

Каковы характеристики 3D-печати FDM?

В то время как 3D-принтеры FDM различаются с точки зрения их систем экструзии и качества деталей, которые вы получаете от разных машин, есть общие характеристики, которые вы можете ожидать от каждого процесса печати FDM.

Деформация

Деформация является одним из наиболее распространенных дефектов FDM. При охлаждении экструдированного материала в процессе затвердевания его размеры уменьшаются. Так как разные участки печатной детали охлаждаются с разной скоростью, то и их размеры изменяются с разной скоростью. Дифференциальное охлаждение вызывает накопление внутренних напряжений, которые тянут нижележащий слой вверх, вызывая его деформацию.

Есть несколько способов предотвратить деформацию. Один из методов заключается в тщательном контроле температуры вашей системы FDM, особенно платформы сборки и камеры. Вы также можете увеличить сцепление между деталью и платформой сборки, чтобы уменьшить деформацию.

Принятие определенных решений в процессе проектирования также может снизить вероятность деформации вашей детали. Вот несколько примеров:

• Большие, плоские области — как вы видите на прямоугольной коробке — более склонны к деформации. Старайтесь избегать их, когда это возможно.

• Тонкие выступающие элементы — подумайте о зубцах на вилке — также склонны к деформации. Добавление дополнительного направляющего или снимающего напряжение материала по краям тонких элементов для увеличения площади, соприкасающейся с платформой сборки, помогает избежать этого.

• Острые углы деформируются чаще, чем закругленные формы, поэтому мы рекомендуем добавлять в дизайн скругления.

• Каждый материал по-своему подвержен деформации. Например, ABS обычно более чувствителен к деформации, чем, например, PLA или PETG.

Слипание слоев

Надежная адгезия между осажденными слоями детали имеет решающее значение в FDM. Когда машина FDM выдавливает расплавленный термопластик через сопло, этот материал прижимается к ранее напечатанному слою. Высокая температура и давление вызывают повторное плавление этого слоя и позволяют ему соединиться с предыдущим слоем.

А поскольку расплавленный материал давит на ранее напечатанный слой, его форма деформируется в овальную. Это означает, что детали FDM всегда имеют волнистую поверхность, независимо от высоты слоя. используется, и что небольшие элементы, такие как небольшие отверстия или потоки , может потребоваться постобработка.

Поддерживающая структура

Принтеры FDM не могут осаждать расплавленный термопластик в разреженном воздухе. Детали определенной геометрии требуют поддерживающих конструкций , которые обычно печатаются из того же материала, что и сами детали.

Часто удаление материалов опорной конструкции может быть затруднено, поэтому часто гораздо проще спроектировать детали таким образом, чтобы свести к минимуму потребность в опорных конструкциях. Доступны поддерживающие материалы, которые растворяются в жидкости, но обычно вы используете их в тандеме с 3D-принтерами FDM более высокого класса. Имейте в виду, что использование растворимых подложек увеличивает общую стоимость печати.

Толщина заполнения и оболочки

Чтобы сократить время печати и сэкономить на материалах, принтеры FDM обычно не производят сплошные детали. Вместо этого машина прослеживает внешний периметр, называемый оболочкой, за несколько проходов и заполняет внутреннюю часть, называемую засыпкой, внутренней структурой с низкой плотностью.

Толщина заполнения и оболочки значительно влияют на прочность деталей, напечатанных методом FDM. Большинство настольных FDM-принтеров по умолчанию имеют плотность заполнения 20% и толщину корпуса 1 мм, что обеспечивает подходящий компромисс между прочностью и скоростью для быстрой печати.

В таблице ниже приведены основные характеристики 3D-печати FDM.

	FDM
Материалы	Термопластики (PLA, ABS, PETG, PC, PEI и т. д.)
Точность размеров	±0,5% (нижний предел ±0,5 мм) - настольный ± 0,15% (нижний предел ± 0,2 мм) - промышленный
Типичный размер сборки	200 х 200 х 200 мм - рабочий стол 900 х 600 х 900 мм - промышленный
Общая толщина слоя	от 50 до 400 микрон
Поддержка	Не всегда требуется (доступны растворимые)

Какие материалы обычно используются для 3D-печати FDM?

Одним из ключевых преимуществ FDM (как настольного, так и промышленного) является широкий спектр материалов. К ним относятся товарные термопластики, такие как PLA. и АБС , инженерные материалы, такие как PA, TPU и ПЭТГ и высокоэффективные термопласты, включая PEEK и PEI .

Нить PLA является наиболее распространенным материалом, используемым в настольных FDM-принтерах. Печать PLA относительно проста и позволяет производить детали с более мелкими деталями. Когда вам нужна более высокая прочность, пластичность и термическая стабильность, вы обычно используете АБС. Тем не менее, ABS более склонен к деформации, особенно если вы используете машину без камеры с подогревом.

Другой альтернативой настольной FDM-печати является PETG, который сравним с ABS по своему составу и простоте печати. Все эти три материала подходят для большинства приложений 3D-печати, от прототипирования до формы, подгонки и функционирования до мелкосерийного производства моделей или функциональных деталей.

С другой стороны, в промышленных машинах FDM в основном используются технические термопласты. , включая ABS, поликарбонат (PC) и Ultem. Эти материалы обычно содержат добавки, которые изменяют их свойства и делают их особенно полезными для промышленных нужд, таких как высокая ударная вязкость, термическая стабильность, химическая стойкость и биосовместимость.

Печать различными материалами повлияет на механические свойства и точность вашей детали, а также на ее стоимость. Мы сравниваем наиболее распространенные материалы FDM в таблице ниже.

Материал	Характеристики
АБС	+ Хорошая прочность + Хорошая термостойкость - Более подвержен деформации
ПЛА	+ Отличное визуальное качество + Легко печатать - Низкая ударная вязкость
Нейлон (ПА)	+ Высокая прочность + Отличная износостойкость и химическая стойкость - Низкая влагостойкость
ПЭТГ	+ Безопасен для пищевых продуктов* + Хорошая прочность + Легко печатать
ТПУ	+ Очень гибкий - Трудно печатать точно
ПЭИ	+ Отличная прочность по отношению к весу + Отличная огнестойкость и химическая стойкость - Высокая стоимость

Дополнительные сведения см. в этом обзоре основных различий между PLA и ABS. — два наиболее распространенных материала FDM — и обширное сравнение всех распространенных материалов FDM .

Постобработка для 3D-печати FDM

3D-печатные детали FDM может быть отполирован до достаточно высокого качества с помощью нескольких методов постобработки, включая шлифование и полировку, грунтовку и покраску, холодную сварку, сглаживание паром, эпоксидное покрытие и металлическое покрытие.

Заинтересованы в изучении всех вариантов постобработки для вашего следующего производственного цикла деталей FDM? Прочтите наше подробное руководство к тому, что доступно.

Какие методы лучше всего подходят для печати с помощью FDM?

• FDM позволяет быстро и экономично производить прототипы и функциональные детали.

• Для FDM доступен широкий спектр материалов.

• Типичный размер сборки настольного 3D-принтера FDM составляет 200 x 200 x 200 мм. Промышленные машины имеют больший размер сборки.

• Чтобы предотвратить деформацию, избегайте больших плоских участков и добавляйте скругления к острым углам.

• FDM по своей природе анизотропен, поэтому он не подходит для механически важных компонентов.

• Минимальный размер элемента машин FDM ограничен диаметром сопла и толщиной слоя.

• Экструзия материала делает невозможным создание вертикальных элементов (в направлении Z) с геометрией, меньшей, чем высота слоя (обычно 0,1–0,2 мм).

• FDM обычно не может создавать плоские элементы (в плоскости XY) меньше диаметра сопла (0,4–0,5 мм).

• Стенки должны быть как минимум в 2-3 раза больше диаметра сопла (т. е. 0,8–1,2 мм).

• Если вы хотите получить гладкие поверхности и очень тонкие детали, вам может потребоваться дополнительная постобработка, такая как пескоструйная обработка и механическая обработка. В этом случае может оказаться более подходящей другая технология AM, такая как SLA.

Готовы запустить детали в производство? Перейдите на платформу Hubs, и мы мгновенно составим предложение для всех ваших потребностей в 3D-печати FDM.

Часто задаваемые вопросы

Каковы преимущества 3D-печати FDM?

FDM более рентабельна, чем любая технология аддитивного производства, и использует широкий спектр термопластичных материалов. Производство с использованием FDM также означает более короткие сроки изготовления.

Каковы недостатки 3D-печати FDM?

Хотя FDM очень экономичен, он также имеет самое низкое разрешение по сравнению с другими технологиями 3D-печати. Это делает его менее жизнеспособным вариантом для деталей с очень мелкими деталями.

Требует ли FDM постобработки?

Детали, напечатанные с использованием FDM, скорее всего, будут иметь видимые линии слоев, поэтому требуется постобработка, чтобы придать деталям гладкую поверхность.  

Насколько точен FDM?

Как правило, точность детали зависит от того, как вы откалибровали свой FDM-принтер, и от сложности вашей модели. Промышленные FDM-принтеры производят детали более точно, чем настольные машины, но технология домашних 3D-принтеров быстро догоняет их.

Насколько дорого стоит FDM?

FDM — это наиболее экономичный способ производства деталей из термопласта под заказ. и прототипы на рынке сегодня. Настольный FDM является абсолютно наиболее экономичным вариантом, но производит детали более низкого качества, чем его промышленный аналог.

Какие материалы доступны для FDM?

Для FDM доступен широкий спектр материалов, включая PLA, ABS, TPU, PETG и PEI.

Насколько быстр FDM?

Изготовление нестандартных деталей с помощью FDM происходит относительно быстро, а время выполнения заказа, как правило, короткое (обычно всего несколько дней).

Для чего в основном используется FDM?

Технология FDM, как правило, наиболее подходит для прототипирования, моделирования и мелкосерийного производства. FDM в промышленных масштабах можно использовать, помимо прочего, для создания функциональных прототипов и деталей для конечного использования.

Почему FDM в настоящее время является самой популярной технологией 3D-печати?

Принтеры FDM производят высококачественные детали из прочных материалов, способных сохранять хорошие механические свойства. Оба типа машин FDM обеспечивают высокую точность размеров, и даже на промышленном уровне FDM имеет тенденцию быть более рентабельным, чем другие процессы AM.