Подробный обзор технологии FDM-печати

FDM-технология трехмерной печати широко распространена благодаря своей простоте, дешевизне и доступности. Расходные материалы для FDM-принтеров разнообразны по химическому составу и потребительским свойствам. Знакомство с печатью 3D-объектов целесообразно начать именно с FDM-технологии: это позволит с наименьшими затратами освоить все этапы работы с 3D-принтером.

Описание технологии FDM-печати

В основе FDM-технологии (как и любой технологии 3D-печати) лежит принцип создания объемного объекта последовательными слоями расходного материала, которые в процессе выращивания изделия соединяются между собой.

Для изготовления пластиковой заготовки необходима цифровая трехмерная модель, которую загружают в принтер в формате STL. После этого файл обрабатывается («разрезается» на слои) и преобразуется в программу, которая руководит процессом печати.

Филамент (расходный материал) для FDM-принтера — это термопластик в виде нити или прутка, намотанный на катушки. Он поступает в печатающий модуль принтера (экструдер). В печатающем блоке пластиковая нить нагревается, расплавляется и выдавливается через отверстие металлического сопла на рабочую поверхность. Печать изделия происходит послойно снизу вверх; слои разогретого пластика спекаются (склеиваются) между собой.

Фото 1

Таким образом, происходит выращивание модели по точным цифровым параметрам. Экструдер перемещается в горизонтальной (вперед-назад и справа-налево) и в вертикальной плоскости (вверх-вниз). Печатающий модуль управляется шаговыми двигателями, которые точно воспроизводят контуры детали.

На FDM-принтере можно напечатать любое изделие: пустотелое или со сплошным заполнением, простой геометрической формы или сложной конфигурации — все зависит от цифрового образца, выбранного пользователем.

Во избежание деформации изделия сложных очертаний (с горизонтальными перемычками, мелкими деталями, острыми углами) печатают из основного и вспомогательного материала (материала поддержки). После остывания заготовки вспомогательный элементы удаляют.

Справка! У принтера может быть несколько печатающих головок: так можно создавать модели из термопластика разных цветов или использовать основной филамент и вспомогательный для создания изделий сложных геометрических форм.

Объемная печать методом послойного наплавления используется для создания функциональных моделей (макетов) компьютерной техники, автомобилей, архитектурных сооружений. С помощью FDM-принтера можно напечатать изделия, использующиеся в быту: посуду, мебельную фурнитуру, сувениры и игрушки.

Бытовые модели принтеров рассчитаны на выпуск изделий малых размеров. На промышленных устройствах с большой рабочей платформой (1000 мм×1000 мм) можно создавать крупные пластиковые заготовки и дизайнерские прототипы внушительных габаритов.

Полезно также почитать: 3D принтер своими руками

Материалы, используемые при 3D-печати по технологии FDM

Самые распространенные филаменты (расходные материалы), используемые для FDM-принтеров, — термоплавкие полимеры (пластики ABS и PLA). Они дешевые и достаточно прочные. Температура плавления ABS и PLA филаментов невысока — до 210⁰С, благодаря этому их можно использовать в простейших бытовых моделях принтеров.

Фото 2

Существенный недостаток ABS-пластика — значительная усадка готового изделия. Для того, чтобы уменьшить термическую деформацию, для ABS-полимера используют принтеры с закрытой рабочей камерой и подогревом рабочей платформы. Благодаря этому остывание изделия происходит медленнее, и заметной усадки не происходит.

Важно! Для изготовления изделий, контактирующих с продуктами питания, применяют PLA-пластик на основе растительного сырья. Он не токсичен, но быстро приходит в негодность (срок службы модели не превышает 2 лет).

Другие расходные материалы, используемые в 3D-принтерах, значительно дороже, но обладают ценными потребительскими свойствами, их применяют для создания деталей с заданными характеристиками (прочность, устойчивость к температурному воздействию и химически агрессивным веществам):

  • PC (поликарбонат). Применяется в офтальмологии (для изготовления линз). Благодаря высокому коэффициенту светопропускания используется в качестве аналога стекла. Плавится при температуре 250-300⁰С, что нужно учитывать при выборе принтера. В среднем в три раза дороже ABS-пластика.

Фото 3

  • PVAAc (поливинилацетат). Растворяется в воде, плавится при температуре 165-170⁰С. Один из наиболее популярных материалов поддержки, легко удаляется с готового изделия.

Фото 4

  • PETT (полиэтилентерефталат). Расходный материал высокой прочности для создания важных конструктивных деталей. Температура плавления 200-220⁰С, слои изделия быстро спекаются. Желательно использовать рабочую платформу с подогревом до 75⁰С.

Фото 5

  • Термоэлластопласты. Разнообразные полимеры с добавлением каучука. Используются для печати прочных, устойчивых к внешнему воздействию деталей.
  • Нейлон. Прочный, пластичный, химически устойчивый материал. Плавится при температуре около 250⁰С. При нагревании не выделяет токсичных паров, но сильно впитывает воду. Используется для создания прочных деталей и деталей с небольшим удельным весом.

Фото 6

Справка! В качестве расходного материала для FDM-принтера могут использоваться не только полимеры, но и любые плавкие и пластичные вещества (например, воск или металл), в виде нити намотанные на катушку.

Процесс подготовки модели к печати FDM

Процесс трехмерной печати начинается с подготовки и обработки цифровой 3D-модели. Цифровой образец можно создать вручную с помощью графических программ или автоматически методом 3D-сканирования.

Для построения 3D-модели необходимы следующие данные объекта:

  • форма;
  • цвет;
  • размеры.

Параметры будущего изделия загружаются в STL- файл. С помощью специальных программ-слайсеров цифровая модель «нарезается» на тонкие слои, а STL- файл преобразуется в G-code. Он содержит алгоритмы перемещения экструдера и основные параметры печати:

  • температура печатающего модуля;
  • толщина (разрешение) слоя;
  • форма и размер изделия;
  • скорость перемещения печатающей головки;
  • степень заполнения детали (пустотелая или сплошная).

Если необходимо, в программу добавляется информация об элементах поддержки, которые печатаются вторым экструдером. После этого программный файл через картридер или USB-порт загружается в принтер, и процесс печати запускается.

Важно! Для создания цифровых моделей, пригодных для 3D-печати, необходимо хорошо ориентироваться в системах CAD-проектирования. Если нет времени осваивать графические редакторы и программы, лучше воспользоваться готовыми трехмерными образцами (платными и бесплатными) из цифровых библиотек Threeding и Shapeways.

Процесс непосредственной печати FDM

Цикл работы FDM-принтера можно разбить на несколько этапов:

  1. Процесс печати запускается электронными блоками управления и происходит в точном соответствии с алгоритмами загруженного G-code.
  2. Филамент (термоплавкий пластик в виде нити или прутка) поступает в печатающий блок принтера и под воздействием высокой температуры нагревается.
  3. Расплавленный пластик выдавливается через отверстие в металлическом сопле и наносится сначала на рабочую поверхность принтера, а затем на уже напечатанные слои.
  4. Пластиковая заготовка наращивается снизу вверх путем склеивания слоев горячего филамента между собой. При необходимости слои изделия чередуются со слоями элементов поддержки.
  5. После завершения печати заготовке дают остыть и снимают с рабочего столика.

Фото 7

Расходный материал различается по температуре плавления и толщине. Пластиковая нить может быть легкоплавкой (до 200⁰С) и тугоплавкой (300-350⁰С). Этот параметр необходимо учитывать при выборе принтера: бытовые модели нагревают филамент незначительно, промышленные обладают большей мощностью.

Пластиковая нить или пруток может быть тонкой (1,75 мм в диаметре) или более толстой (3 мм). Для каждого сечения подбирается подходящее сопло, диаметр отверстия которого варьируется от 0,15 мм до 0,5 мм.

Внимание! Каждая модель принтера может работать только с одним размером полимера, поэтому подбирайте расходные материалы, исходя из возможностей устройства.

Первый слой заготовки присоединяется непосредственно к рабочей платформе. От того, насколько прочно пластик «склеится» с рабочей поверхностью, зависит качество изделия. Если устройство недостаточно выровнено, сцепление нижних слоев с рабочим столом не произойдет, и принтер начнет печатать в воздухе, не создавая изделие.

Если расстояние между печатающим модулем и платформой слишком мало, выдавливание пластика из экструдера не произойдет, и печать не начнется. Поэтому начало производственного цикла (печать нижних слоев заготовки) необходимо контролировать и при необходимости остановить работу принтера и перезапустить его.

Принтер Creality Ender 5 Pro

3D принтер Creality Ender 5 Pro — это модернизированная версия принтера Ender 5, которая занимает достойное место в категории профессиональных 3D принтеров.

Свойства, цвет и точность построения готовых изделий

Качество продукции, изготовленной на FDM-принтере, зависит от вида расходного материала и параметров печати.

Основным недостатком пластиковых заготовок называют ребристость поверхности. Это обусловлено тем, что филамент, используемый в принтере, имеет форму нити. Последовательно наплавляясь, слои пластика формируют неравномерную структуру изделия с заметными шероховатостями и ребрами. Сделать детали более гладкими можно за счет уменьшения толщины слоя пластика. Этот параметр можно отрегулировать на этапе программирования модели.

Посмотрите примеры изделий, созданных по технологии FDM:

Фото 8

Фото 9

Фото 10

Важно! Для печати изделия более высокого разрешения потребуется больше времени, производительность принтера при этом уменьшится.

Избавиться от шероховатости и заусенец пластиковых заготовок можно и на этапе пост-обработки. Готовые изделия можно шлифовать механически или с применением химических растворителей (чаще всего используется ацетон).

В этом видео рассказывается о постобработке 3D-печатных моделей напечатанных по технологии FDM:

Во время печати пластиковые детали могут деформироваться и из-за неравномерного остывания слоев. Это часто происходит с заготовками из ABS-полимера. Расходный материал во время охлаждения дает усадку и неравномерно спекается. По этой причине верхние слои пластика могут коробиться и перекашиваться.

Особенно это заметно в продукции с мелкими деталями (зубчики, уголки, шпили, тонкие перемычки). Специалисты рекомендуют печатать такие изделия с материалом поддержки и использовать принтеры с подогревом рабочей платформы. Благодаря этому заготовки медленнее остывают и меньше деформируются.

Справка! Для ABS-пластика подходят принтеры с закрытой рабочей поверхностью, защищенной от сквозняков.

На FDM-принтере можно печатать как однотонные, так и разноцветные изделия. Выбор цветов филамента достаточно широк и зависит только от моделлера. Также можно подобрать расходные материалы разной фактуры (например, композиты, имитирующие деревянную поверхность). Разноцветные заготовки возможно изготовить только на устройстве с двумя или тремя экструдерами.

Дешевые филаменты (ABS- или PLA-пластики) не подойдут для производства конструктивно важных деталей и узлов. Из подобных расходных материалов невозможно создать заготовки точных размеров и требуемых потребительских свойств. Некоторые дефекты (несоответствие размерам) можно исправить финишной обработкой. Но ударопрочность и износостойкость деталей напрямую зависят от качества пластиков, поэтому для деталей механизмов лучше использовать PEEK-полимер или нейлон.

Технология FDM-печати подходит для создания простых изделий с допусками по размерам: игрушек, сувениров, предметов интерьера и мебельной фурнитуры. На бытовом принтере можно изготовить бытовую продукцию, но для печати моделей сложных форм с мелкими деталями целесообразно выбрать другие методы объемного прототипирования (лазерное селективное спекание, прямое лазерное наплавление металлов).

Полезное видео

В этом видео подробно рассказывается о материалах, применяемых для FDM-печати:

Комментарии

Наша группа в ВК

О новых материалах можно узнать одним из первых, подписавшись на нашу группу в ВК

Подробнее...