Что такое FDM 3D-печать и как она работает?

Технология послойного наплавления (FDM) — одна из самых распространенных сегодня технологий 3D-печати. ​​В этой технологии в качестве сырья используется нить из термопластичного материала. В данной статье объясняется основной принцип 3D-печати FDM, описывается принцип работы технологии, полный пошаговый процесс и выбор материала.

Что такое 3D-печать FDM?

Технология послойного наплавления (FDM) использует в качестве сырья нить из термопластичного материала. Нить нагревается и расплавляется, затем расплавленный материал экструдируется через тонкое сопло на печатающей головке. После экструзии материал наносится на рабочую платформу или на предварительно затвердевший слой. Когда температура опускается ниже точки плавления, начинается затвердевание. Конечная деталь формируется путем послойного нанесения материала.

Как работает моделирование методом послойного наплавления?

Прежде чем описывать принцип работы 3D-принтера, использующего технологию послойного наплавления, давайте сначала представим себе следующую картину:

Вы держите тюбик с нагретой зубной пастой. Внутри тюбика зубная паста находится в жидком состоянии, но как только вы её выдавливаете, она мгновенно затвердевает. Затем вы переворачиваете тюбик вверх дном и выдавливаете зубную пасту на стол, одновременно двигая рукой горизонтально, как будто пишете китайской кистью. Закончив работу над первым слоем на столе, вы немного приподнимаете тюбик с зубной пастой и продолжаете выдавливать её на второй слой. В это время только что выдавленная зубная паста прилипает к предыдущей, и ранее выдавленная паста затвердевает, обеспечивая поддержку для последующей. Наконец, вы повторяете описанный выше процесс, пока не выдавите нужную форму. Это, по сути, основная идея FDM-печати, а также принцип работы недавно появившихся на рынке 3D-ручек.

Исходя из этой основной идеи, инженеры сначала обрабатывают сырье, превращая его в круглую нить определенного диаметра. Затем нить постепенно подается в нагревательный элемент через механизм подачи нити. В нагревательном элементе материал нагревается и плавится. Под нагревательным элементом находится печатающая головка, в нижней части которой расположено тонкое сопло (диаметр обычно составляет от 0.2 до 0.6 мм). Давление, создаваемое экструзией последующей нити, выталкивает жидкий материал в расплавленном состоянии.

В соответствии с требованиями процесса, перед началом работы 3D-принтера, как правило, необходимо сначала задать основные параметры, такие как расстояние между слоями и ширина траекторий. Затем механизм нарезки разрезает трехмерную модель и генерирует траекторию печати. ​​Далее, под управлением программного обеспечения и принтера, сопло выполняет плоскостное перемещение по осям X и Y в соответствии с данными горизонтального слоя, в то время как вертикальное перемещение по оси Z осуществляется рабочей платформой. Одновременно с этим, нить подается в сопло с помощью подающего механизма. После нагрева и плавления температура нагрева обычно устанавливается на несколько градусов выше точки плавления исходного материала. Таким образом, когда материал выдавливается из сопла и соединяется с рабочей платформой, он быстро охлаждается и затвердевает. Напечатанный материал быстро сплавляется с предыдущим слоем. После завершения каждого слоя рабочая платформа опускается на высоту, равную толщине слоя, и принтер продолжает печать следующего слоя. Этот шаг повторяется до тех пор, пока не будет завершена вся модель.

Ключевым моментом в процессе FDM-печати является поддержание температуры расплавленного сырья, экструдируемого из сопла, чуть выше точки затвердевания, обычно на уровне примерно на 1°C выше точки затвердевания. Слишком высокая температура может привести к таким проблемам, как низкая точность напечатанной модели и её деформация. Однако слишком низкая или нестабильная температура легко может привести к засорению сопла и сбою печати.

Процесс моделирования методом послойного наплавления

Технологический процесс послойного наплавления можно разделить на 5 этапов: Создать 3D-модель >> Преобразовать в файл STL >> Нарезка >> Печать >> Постобработка.

1. Создайте 3D-модель.

Как правило, дизайнеры создают необходимую трехмерную цифровую модель с помощью программного обеспечения для автоматизированного проектирования в соответствии с требованиями к продукту. К наиболее распространенным программам проектирования относятся Pro/Engineering, Solidworks, MDT, AutoCAD, UG и др.

2. Преобразуйте модель в формат STL.

Как правило, на поверхности хорошо спроектированной модели имеется множество неровных криволинейных поверхностей. Перед печатью эти криволинейные поверхности необходимо аппроксимировать и подогнать. Наиболее распространенный в настоящее время метод — это преобразование и сохранение в формате STL. Формат STL — это формат файлов, разработанный американской компанией 3D Systems для оборудования 3D-печати. ​​Он использует ряд соединенных небольших треугольных плоскостей для аппроксимации криволинейных поверхностей, тем самым получая трехмерный приблизительный файл модели, который можно быстро распечатать. Большинство распространенных программ для САПР имеют функцию экспорта файлов в формате STL, например, Pro/Engineering, Solidworks, MDT, AutoCAD, UG и др.

3. Разрежьте модель на части и добавьте опоры.

Поскольку 3D-печать разлагает модель на части, затем изготавливает ее слой за слоем в соответствии с секциями слоев, и, наконец, собирает их в замкнутый цикл, трехмерную модель в формате STL необходимо сначала разрезать и преобразовать в послойную модель, которую может обработать оборудование для 3D-печати. ​​В настоящее время различные устройства для 3D-печати, представленные на рынке, поставляются со своим собственным программным обеспечением для нарезки. После завершения настройки основных параметров программное обеспечение может автоматически рассчитать информацию о секциях модели.

4. Начать печать

В соответствии с принципом FDM-печати, описанным в предыдущем разделе, можно предположить, что в некоторых конструкциях с большими пролетами система должна добавлять опорные элементы к изделию. В противном случае, когда верхний слой значительно увеличивается по сравнению с нижним, часть напечатанного верхнего слоя будет подвешена (или висеть в воздухе), что приведет к частичному разрушению или деформации секции, что серьезно повлияет на точность формования напечатанной модели. Поэтому окончательная напечатанная модель обычно включает в себя два аспекта: опорную часть и сплошную часть. Программное обеспечение для нарезки автоматически рассчитает и решит, следует ли добавлять опоры в зависимости от различных форм печатаемой модели.

В то же время, опоры выполняют еще одну важную функцию: создание базового слоя. То есть, перед основной печатью сначала на рабочей платформе печатается базовый слой, а затем на этот базовый слой печатается сама модель. Это позволяет сделать нижнюю часть напечатанной модели более плоской, а также облегчить извлечение готовой модели. Поэтому ключевым этапом FDM-печати является создание опор. Хороший базовый слой обеспечивает точную опорную плоскость для всего процесса печати, тем самым гарантируя точность и качество напечатанной модели.

5. Удаление опор и постобработка

Для моделей, изготовленных методом FDM, постобработка в основном включает удаление поддерживающих элементов и шлифовку внешней поверхности. Сначала необходимо удалить поддерживающую часть твердотельной модели, а затем отшлифовать внешнюю поверхность твердотельной модели, чтобы точность и шероховатость поверхности конечной модели соответствовали требованиям.

Однако, согласно реальному производственному опыту, вспомогательные материалы для моделей, изготовленных по технологии FDM на сложных и тонких структурах, трудно полностью удалить, не повредив модель. Легко повредить поверхность прототипа, что значительно скажется на качестве поверхности модели. Для решения этой проблемы гигант 3D-печати Stratasys в 1999 году разработал водорастворимый вспомогательный материал. Благодаря промывке напечатанной модели раствором, растворяющим вспомогательный материал без повреждения твердой модели, эта проблема была эффективно решена. Однако в настоящее время оборудование для FDM-печати, разработанное в Китае самостоятельно, пока не позволяет этого сделать, а постобработка напечатанных моделей остается относительно сложным процессом.

Материалы, используемые в моделировании методом послойного наплавления.

В настоящее время наиболее распространенными материалами для филаментов являются ABS, PLA, искусственный каучук, воск и полиэфирные термопласты. Некоторое оборудование требует использования двух материалов: один — это моделирующий материал, используемый для печати твердой детали, а другой — это поддерживающий материал, используемый для нанесения полостей или консольных элементов.

По сравнению с другими технологиями 3D-печати, диапазон доступных сырьевых материалов для FDM-печати относительно широк. При выборе материалов для твердотельной модели необходимо учитывать следующие основные факторы:

• Вязкость: Чем ниже вязкость, тем меньше сопротивление, что способствует образованию и снижает вероятность засорения форсунки.
• Температура плавления: Чем ближе температура плавления к комнатной температуре, тем меньше потребление энергии при печати, что способствует увеличению срока службы механизма, снижению термических нагрузок и, следовательно, повышению точности печати.
• Адгезия: Адгезия материала определяет прочность соединения между слоями напечатанного изделия.
• Усадка: Чем меньше коэффициент усадки материала, тем выше гарантированная точность печати изделия.

В отношении вспомогательных материалов процесс FDM предъявляет следующие основные требования:

• В зависимости от типа твердого материала, опорный материал должен выдерживать определенную высокую температуру.
• Для облегчения последующей обработки не должно быть никакого смачивания между опорным материалом и твердым материалом.
• Как и твердый материал, он должен обладать хорошей текучестью.
• Желательно, чтобы характеристики включали растворимость в воде или растворимость в кислотах.
• Предпочтительнее более низкая температура плавления.

Типовое оборудование

Для FDM-печати обычно используются термопластичные материалы, такие как воск, ABS, PC, нейлон и т. д. Стандартные материалы для печати, как правило, изготавливаются из филамента, и их стоимость обычно невысока. Цена за килограмм отечественного ABS или PLA обычно составляет около 100 юаней (примерно 15 долларов). Кроме того, по сравнению с оборудованием для печати, использующим порошковые и жидкие материалы, филамент чище, его легче заменять и хранить, а в процессе печати не образуется порошкообразных или жидких загрязнений.

На рынке представлено множество 3D-принтеров, использующих технологию послойного наплавления (FDM), особенно настольных принтеров, предназначенных для обычных потребителей. Это практически мир моделирования методом послойного наплавления. Наиболее известные из них, такие как Thing-O-Matic от MakerBot, принтеры серии Replicator и принтер Cube от 3D Systems, — это 3D-принтеры начального уровня, использующие технологию FDM.

Допуски и возможности

В Getzshape мы Услуги 3D печати Мы используем четыре основные технологии: SLA, SLS, SLM и FDM. Допуски и возможности нашей 3D-печати методом FDM указаны ниже.

Отделка компонентов, напечатанных методом FDM-печати.

• Шлифовка:: Базовый и важный этап финишной обработки поверхности деталей, напечатанных методом FDM. В ходе этой обработки используется наждачная бумага различной зернистости для удаления видимых линий слоев и придания поверхности гладкости.
• Малярные работыСначала поверхность шлифуется для придания ей гладкости. Затем наносится грунтовка, которая улучшает сцепление краски. После этого цветная краска распыляется или наносится кистью. Покраска позволяет полностью скрыть линии слоев, придать детали красивый цвет и сделать поверхность гладкой. Она широко используется для выставочных моделей, прототипов и готовой продукции.
• Полировка:: Придание поверхности деталей, изготовленных методом FDM, гладкости и блеска. После базовой шлифовки для полировки поверхности используются специальные полировальные пасты или инструменты. Этот процесс удаляет мелкие царапины и придает детали глянцевый вид. Полировка хорошо подходит для таких материалов, как PLA и ABS.
• Сглаживание паров: Специальный метод химической обработки, используемый в основном для деталей из ABS-пластика. Напечатанная деталь помещается в закрытый контейнер с парами растворителя. Пары слегка расплавляют поверхность детали, в результате чего линии слоев сливаются и становятся гладкими. После обработки деталь имеет очень гладкую, глянцевую поверхность без видимых слоев.