Modelowanie przez nagrzewanie i nanoszenie materiału, zwane skrótowo FDM, to metoda ekstruzji, w której drukarka 3D bierze wątek polimerowy i przepuszcza go przez nagrzewający się dyszę, która topi materiał i nakłada go warstwami 2D na platformę montażową. Podczas gdy są one jeszcze ciepłe, te warstwy łączą się ze sobą, tworząc ostatecznie trójwymiarowy przedmiot.

Zwykle FDM uważane jest za najprostszą metodę druku 3D. Jest stosunkowo wydajny i bardzo popularny.

W tym artykule omówimy jego działanie, możliwości materiałów i wiele innych. Na początek dowiedzmy się, dlaczego stał się tak popularny wśród producentów i entuzjastów.

Pochodzenie

Mimo że FDM jest niewątpliwie najpopularniejszą metodą druku 3D, może być zaskoczeniem, że nie była to pierwsza wynaleziona metoda, ani nawet druga. Scott Crump złożył pierwszy patent FDM w 1989 roku. On i jego żona Lisa założyli jedną z czołowych firm 3D Stratasys.

Jednak FDM stało się popularne wśród użytkowników niekomercyjnych dopiero później dzięki społeczności RepRap i alternatywnej nazwie Fused Filament Fabrication (FFF). Gdy w 2009 roku wygasł patent, kilku byłych wolontariuszy RepRap założyło firmę MakerBot Industries. Inne firmy zajmujące się drukiem 3D, takie jak UltiMaker i Prusa Research, również rozpoczęły swoją działalność. Wkrótce potem MakerBot i UltiMaker połączyły siły.

Wszystkie te firmy i osoby prywatne wytyczyły ścieżkę do ogromnego rynku druku 3D dla konsumentów i hobbystów, który mamy dzisiaj.

Jak to działa

FDM (lub FFF) jest głównie charakteryzowane ekstruzją i selektywnym osadzaniem termoplastów w warstwy, które gromadzą się, tworząc trójwymiarowy obiekt. Ten proces może wydawać się nieco skomplikowany, dlatego omówmy go bardziej szczegółowo.

W zasadzie metoda FDM jest dość prosta. Jej główne funkcje są wykonywane przez dwie oddzielne systemy: jeden odpowiedzialny jest za ekstruzję i osadzanie, a drugi za ruch głowicy drukującej. Omówimy je w kolejnych sekcjach.

Ekstruzja i osadzanie

Ogólnie system ekstruzji i osadzania można podzielić na dwa główne węzły: "zimny koniec" i "gorący koniec". Termoplasty używane w druku 3D FDM są często dostarczane na rolkach z nitką, a pierwszy z nich odpowiada za dostarczanie tego materiału z rolki do drukarki 3D. Kontroluje również prędkość, z jaką materiał jest osadzany na drugim końcu, który często nazywany jest "strumieniem".

Z drugiej strony gorący koniec odpowiedzialny jest za rozgrzanie materiału plastycznego, który porusza się w taki sposób, że może być "wytłaczany" przez dyszę, stąd jego nazwa. W tym etapie zaangażowane są różne komponenty, w tym grzałki, radiatory i oczywiście dysze.

Zimny i gorący koniec muszą współpracować, aby wypłukać niezbędną ilość materiału przy odpowiedniej temperaturze i stanie fizycznym, aby warstwy były prawidłowo układane.

Konfiguracja sprzętu

Jeśli chodzi o ekstruzję, istnieje wiele różnych ustawień. Na przykład zimny koniec może znajdować się obok ruchomego gorącego, co jest znane jako bezpośrednia ekstruzja. Może też być przymocowany do ramy drukarki, co wymaga rurki przewodzącej do kierowania nitką do gorącej końcówki, która często jest nazywana tłocznią Bowden.

Gorący koniec może mieć różne konfiguracje. Tzw. "wszystko-metalowe" na przykład pozwalają na osiągnięcie wyższej temperatury w dyszy w porównaniu do gorących końcówek wyścielanych PTFE, w których wewnętrznie stosuje się krótką rurkę, aby zmniejszyć tarcie nici. Jednak ogranicza to temperaturę maksymalną do około 240°C.

Jeśli spojrzymy na ekstruzję i osadzanie razem, istnieją także systemy wielokrotnego ekstruzji. Pozwalają one pracować z kilkoma materiałami jednocześnie.

Każda konfiguracja ma swoje zalety i wady, a ostateczny wybór zależy od prędkości, zasobów i zastosowań, które obsłuży drukarka 3D.

Ruch głowicy drukującej

Oprócz różnych ustawień ekstruzji, które mogą mieć drukarki 3D FDM, być może największe różnice w projektowaniu dotyczą ramy i systemu ruchu.

System ruchu jest odpowiedzialny za przemieszczanie gorącego końca w trójwymiarowej przestrzeni w celu odpowiedniego nanoszenia roztopionego materiału. W najmniejszym stopniu te komponenty często składają się z silników krokowych, prowadnic liniowych, śrub kulkowych i układów pasów z gumy.

Przeniesienie gorącego końca może być wykonane różnymi sposobami. Na początek opiszmy różne konfiguracje na podstawie ich systemów współrzędnych. Obecnie dominującą jest układ współrzędnych kartezjańskich, w którym pozycja jest określana trzema pozycjami (X, Y i Z). Istnieją jednak nieliczne drukarki 3D FDM, które używają układu współrzędnych biegunowych, który wykorzystuje wartości liniowe i kątowe.

Rodzaje drukarek 3D w układzie współrzędnych kartezjańskich

Maszyny kartezjańskie można dalej klasyfikować pod względem ich systemu ruchu. Na przykład, w drukarkach 3D Delta wykorzystywane są pionowe prowadnice i trzy niezależnie sterowane dźwignie przymocowane do gorącego końca, które poruszają się razem, aby odpowiednio go pozycjonować. Z kolei drukarki SCARA wykorzystują ruchy poziome do wykonywania płaskiego ruchu.

Jednak istnieje prawdopodobieństwo, że jeśli spotkasz się z drukarką 3D w rzeczywistości, będzie to maszyna o kartezjańskim ruchu prostoliniowym. Tutaj znajdziesz silniki krokowe, które kierują ruchem wyłącznie wzdłuż osi X, Y i Z za pomocą systemów śrub, pasków i kół. Do tej kategorii należy kilka różnych rodzajów, z których najpopularniejsze to model typu Cartesian-XZ-head w stylu i3 i CoreXY.

Istnieje także drukarka taśmowa 3D, która oferuje ciągły druk, ponieważ platforma montażowa porusza się jak taśma na linii produkcyjnej, umożliwiając produkcję niezwykle długich elementów lub ciągłe dostarczanie wielu materiałów.

Porównanie

Choć FDM ma wiele zalet w porównaniu do innych metod druku 3D, ma również wady. Przeanalizujmy jego zalety i wady pod względem wydajności druku i ogólnej jakości wydruków.

Wydajność druku

FDM oferuje najbardziej ekonomiczne rozwiązanie pod względem skalowalności i elastyczności materiałów.

Zalety

Skalowalność - jedną z najważniejszych zalet FDM jest jej skalowalność. Te drukarki można łatwo powiększać do dowolnego rozmiaru, ponieważ jedynym ograniczeniem jest ruch każdej z klatek. Możesz także używać różnych materiałów termoplastycznych i egzotycznych nitek z niewielką ilością aktualizacji i modyfikacji.

W końcu jest to łatwiejsze w użyciu niż żywica i SLS. Nie ma potrzeby dodatkowego etapu czyszczenia, poza usuwaniem podpór, w przeciwnym razie wymagających kąpieli alkoholowej lub strumieniowego czyszczenia powietrzem, które są wymagane w tych alternatywnych metodach. Korzystanie z FDM nie wymaga również oczekiwania na utwardzenie. Po zakończeniu procesu druku elementy są gotowe do użycia.

Wady

Ze względu na prostotę komponentów takie drukarki często wymagają wielu ustawień (szczególnie wyrównania stołu), aby osiągnąć poziom niezawodności i jakości innych metod druku.

W przeciwieństwie do żywicy i SLS, FDM jest w dużej mierze uzależniony od fizycznego ruchu. Dlatego, oprócz kalibracji, wiele części drukarki wymaga regularnej konserwacji i uwagi: naciąganie pasa, czyszczenie ekstrudera, smarowanie prowadnic i nawet wymiana części, takich jak gorący koniec.

Druk FDM jest również w dużej mierze zależny od jakości materiału wyjściowego. Niska precyzja rozmiarów nitek może prowadzić do wielu problemów z ekstruzją, a skład chemiczny plastiku może komplikować proces druku. Ponadto rolki z nitkami muszą być przechowywane w odpowiedni sposób, aby uniknąć absorpcji wilgoci.

Jakość wydruku

To gorący temat, ponieważ wiele osób uważa jakość wydruku za jej "achillesową piętę". Choć to stwierdzenie nie jest bezzasadne, trzeba uwzględnić różne perspektywy.

Zalety

Jakość wydruku dotyczy wyglądu zewnętrznego. Oczywiście, istotne są również właściwości mechaniczne, a FDM oferuje doskonałe stosunek jakości do ceny w produkcji wytrzymałych i trwałych elementów, zwłaszcza w porównaniu z drukowaniem kruchymi żywicami.

Jest także bardzo wszechstronny, ponieważ jakość można poświęcić na rzecz prędkości lub nawet wytrzymałości, co czyni go doskonałym narzędziem do produkcji zarówno atrakcyjnych elementów estetycznych, jak i bardziej funkcjonalnych i wytrzymałych.

Oprócz elastyczności i dostępności różnych materiałów, FDM odgrywa również ważną rolę. Jedna drukarka 3D może produkować elementy o zupełnie różnych właściwościach i wyglądzie, po prostu zmieniając rodzaj nitek (jak zobaczymy później).

Wady

Jeśli jednak potrzebna jest ogólna estetyka i jakość wykończenia powierzchni, FDM może okazać się problematyczne. Ponieważ materiał jest ekstrudowany warstwami o określonej grubości, uzyskanie szczegółowych odcisków jest trudne, a profesjonalne wykończenie często wymaga znacznej obróbki po druku.

Drobne detale czasem są niemożliwe do wydrukowania za pomocą FDM. Ponieważ standardowy rozmiar dyszy wynosi 0,4 mm, dowolny element o mniejszej skali będzie wymagał wymiany dyszy (do 0,2 mm) i nawet wtedy niekoniecznie osiągnie dokładność i ostrość druku 3D z żywicy i SLS.

Kolejnym minusem jest to, że wytrzymałość połączenia między warstwami jest niższa.

W tym artykule wspominaliśmy o nici - materiał wykonany z polimeru, zwinięty w cewkę.

Jej średnica wynosi przybliżenie 1,75 lub 2,85 mm, zależnie od ekstruzora drukarki 3D. Ekstruzor o średnicy 1,75 mm będzie pasować tylko do nici o tej samej średnicy.

Najpopularniejszymi nićmi do drukowania metodą FDM są PLA, PETG i ABS. Pierwszy z nich, prawdopodobnie najprostszy materiał do 3D druku za pomocą FDM, jest także biodegradowalny i nie ma zapachu. Jego wadą jest niska odporność cieplna: miękną przy temperaturze do 60 °C.

PETG natomiast zapewnia znacznie lepszą odporność cieplną, ale może sprawiać trudności, ponieważ jest bardzo podatny na rozlew i rozciąganie. ABS jest liderem pod względem właściwości mechanicznych, choć drukowanie go metodą FDM może być problematyczne bez obudowy drukarki, ponieważ wydziela toksyczne opary.

Mimo wszystko doświadczenie pracy z każdym z tych materiałów może się różnić w zależności od konkretnego użytkownika, sprzętu i zwłaszcza od producenta nici.

Jak już wspomniano, jednym z dużych atutów drukowania 3D FDM jest elastyczność materiałów i ich dostępność na rynku. Istnieje wiele egzotycznych i nietypowych rodzajów materiałów do Twoich projektów, takich jak druty metalowe, włókno węglowe, a nawet termoplasty o gumopodobnej konsystencji, takie jak TPU.

Opcje drukarki

Jeśli uważasz, że FDM jest dla Ciebie odpowiednią metodą, nadszedł czas, aby zastanowić się nad zakupem takiej maszyny. Załóżmy, że szukasz drukarki: od czego zacząć?

Pierwszą rzeczą, którą należy wziąć pod uwagę, jest to, dlaczego jej potrzebujesz. Czy chcesz dołączyć do społeczności producentów, dowiedzieć się więcej o tej technologii, czy może chcesz jej używać w celach komercyjnych lub zawodowych?

Drugą rzeczą, o której należy pomyśleć, jest to, jakie części będziesz drukować na tej maszynie. Czy myślisz o dekoracyjnych, zabawnych elementach? Czy potrzebujesz drukarki, która może obsługiwać funkcjonalne części wykonane z wysokiej jakości materiałów?

Popularne opcje

Jeśli jesteś początkującym użytkownikiem lub szukasz taniej, ale bardzo przyzwoitej drukarki 3D FDM, seria Ender 3 z pewnością spełni Twoje oczekiwania. Są one stosunkowo proste i niezwykle popularne, więc znajdziesz wiele samouczków i instrukcji.

Jeśli podchodzisz poważnie do swoich aspiracji w dziedzinie modelowania 3D i masz większy budżet, koniecznie zwróć uwagę na Prusa i3 MK3S+ lub nawet na MK4, który ma doskonałe właściwości druku, automatyczne wyrównywanie stołu i inne zaawansowane funkcje.

Dla użytkowników profesjonalnych zajmujących się drukiem 3D lub potrzebujących nowej maszyny do swojego warsztatu, UltiMaker S3 zapewni wysoką niezawodność i wszechstronność. Może działać z temperaturą dyszy do 280°C i ma zamkniętą komorę, co pozwala drukować na 3D drukarce różne materiały. Obsługuje również podwójny druk ekstrudera.

Nie ważne, jakie są Twoje cele i budżet, z pewnością istnieje maszyna, która idealnie do Ciebie pasuje. Witaj w świecie druku FDM!

Gdzie można zakupić materiały do drukowania 3D

Sklep Artline chętnie dostarczy Ci różne materiały do druku. Mamy bogatą gamę kolorystyczną nici. Jesteśmy zawsze gotowi odpowiedzieć na wszelkie pytania dotyczące zakupu sprzętu.