Что такое 3D-печать FDM?
Table of Contents
- Что такое FDM 3D-печать?
- Как работает FDM 3D-печать
- Основные характеристики FDM-печати
- Основные компоненты FDM-принтера
- Материалы для FDM 3D-печати: больше, чем расплавленный пластик
- Реальные приложения FDM
- Почему вам стоит выбрать FDM?
-
Лучшие практики для освоения FDM 3D-печати
- 1. Создание подходящей среды для печати
- 2. Достижение идеальной адгезии первого слоя
- 3. Баланс плотности заполнения и толщины оболочки
- 4. Тонкая настройка скорости и температуры печати
- 5. Обязательство регулярного технического обслуживания
- 6. Правильные методы хранения нитей
- 7. Усовершенствование с последующей обработкой
- 8. Мастерство работы с программным обеспечением слайсера
- 9. Принятие метода проб и ошибок
- Будущее FDM: что дальше?
- Воплощение идей в жизнь
- Часто задаваемые вопросы о FDM-3D-печать
- Читать далее
Зайдите в любой современный механический цех, мастерскую или даже гостиную, и, скорее всего, вы увидите это знаковое зрелище — коробчатую раму 3D-принтера, который слой за слоем непрерывно изготавливает пластиковые детали, словно роботизированный паук, плетущий геометрические сети. Однако эта кажущаяся магия имеет довольно обыденное название — моделирование методом послойного наплавления, или FDM.
Что такое FDM 3D-печать?
FDM относится к наиболее распространенной на сегодняшний день форме технологии аддитивного производства. FDM — это доступный и надежный процесс 3D-печати, при котором объекты создаются путем выборочного нанесения расплавленного термопластичного материала слой за слоем по заранее определенным траекториям печати.
Термин происходит от основного принципа работы - исходное сырье для филамента сначала нагревается до полужидкого состояния, затем экструдируется и наносится на поверхность печати, где оно быстро затвердевает, сливаясь с существующими слоями. По мере того, как мелкие шарики пластика накладываются и скрепляются, детали обретают форму, выходя из процесса печати.
Изобретено более 30 лет назад, ранние технологии FDM производили прототипы из пластика ABS в коммерческих службах 3D-печати. С тех пор возможности печати FDM быстро развивались благодаря разработкам в области точных механизмов экструдеров, разнообразных термопластичных материалов и расширенных областей применения — все это соответствовало более доступным ценам на оборудование.
Теперь, фактический стандарт в аддитивном производстве, FDM 3D-печать предлагает предприятиям и потребителям универсальный цифровой инструмент изготовления, позволяющий быстро переходить от 3D-моделей к физическим объектам. От глобальных производственных линий до настольных домашних установок, Репутация FDM как надежного метода продолжает способствовать его повсеместному распространению, поскольку эта технология кардинально меняет подход к производству в XXI веке и далее.
Как работает FDM 3D-печать
Давайте рассмотрим путь от файла до материального продукта через основные этапы FDM 3D-печати.
1. Стадия проектирования
Каждый объект, создаваемый FDM 3D-принтером, начинается с цифрового чертежа. Обычно он создается в программном обеспечении для автоматизированного проектирования (САПР), где дизайн тщательно моделируется. После завершения эта цифровая модель сохраняется в формате файла, например STL или OBJ, которые являются форматами, которые может интерпретировать программное обеспечение для нарезки.
2. Разбиение модели на части
После завершения этапа проектирования следующим шагом является использование программное обеспечение для нарезки. Этот мощный инструмент берет 3D-модель и делит ее на сотни или тысячи горизонтальных слоев. Затем программное обеспечение переводит эти слои в G-код, язык, который инструктирует принтер о точных движениях, необходимых для воссоздания объекта слой за слоем.
3. Подготовка к печати
После того, как инструкции G-кода готовы, принтер готов. Загружается катушка термопластиковой нити, и принтер предварительно нагревает свое сопло до температуры, подходящей для плавления материала. Такая подготовка обеспечивает плавный поток пластика во время печати.
4. Процесс печати
Печать начинается с того, что сопло наносит первый слой расплавленного пластика на платформу сборки. Двигаясь по заданным траекториям, заданным G-кодом, сопло создает форму объекта, добавляя слои по одному за раз. Тем временем платформа сборки постепенно опускается после каждого слоя, обеспечивая добавление нового материала.
5.Охлаждение и затвердевание
Сразу после выдавливания через нагретое сопло пластик быстро охлаждается, затвердевая практически при контакте с формируемой частью или платформой для сборки. Быстрое охлаждение обеспечивает прочное слияние каждого нового слоя с предыдущим, сохраняя целостность и форму развивающегося объекта.
6. Опорные конструкции
Объекты со сложным дизайном часто требуют временных опорных конструкций. Эти опоры поддерживают выступы и стабилизируют сложные геометрические формы во время процесса печати. Они разработаны так, чтобы их можно было легко снять, и убираются при постобработке, оставляя предполагаемый дизайн.
7. Постобработка
После печати последнего слоя и полного формирования объекта выполняется необходимая постобработка. Она может включать удаление вышеупомянутых опорных структур, шлифовку поверхности для уменьшения видимости слоя, а иногда и покраску или обработку объекта для улучшения его функциональных свойств или эстетической привлекательности.
Следуя этим этапам, FDM 3D принтеры преобразовывать цифровые модели в физические трехмерные объекты. Это увлекательное сочетание дизайна, технологий и материаловедения делает FDM 3D-печать краеугольным камнем в области быстрого прототипирования и производства.
Основные характеристики FDM-печати
Как и любой метод производства, FDM-3D-печать несет уникальные качества, присущие процессу. Знакомство с этими основными характеристиками FDM помогает ориентироваться в выборе дизайна.
- Анизотропная прочность: Слоистый рисунок адгезии 3D-печати означает, что детали слабее раскалываются между слоями, а не рвутся поперек. Оптимизация ориентации является ключом.
- Точность выравнивания: Отклонения в производстве в пределах 0,1-0,5% по-прежнему позволяют обеспечить высокие допуски и сборку при тщательной калибровке. Точность касается всех систем.
- Горизонтальное разрешение: В то время как толщина слоя ограничивает вертикальную точность, разрешение по осям X и Y зависит от размера сопла экструдера и обычно составляет от 0,2 до 0,8 мм для надежной печати.
Знакомство с особенностями процесса FDM позволяет в полной мере использовать его, позволяя создателям концептуально превращать проблемы в возможности.
Основные компоненты FDM-принтера
Печать FDM использует файлы цифровых 3D-моделей, например, экспортированные из программного обеспечения САПР, и физически воплощает их в реальность посредством скоординированного действия всего лишь нескольких высокотехнологичных компонентов:
- Нить накала: Эта намотанная катушка обеспечивает подачу сырья — обычно это термопластик толщиной 1,75 мм или 2,85 мм, такой как ABS или PLA.
- Печатное сопло: Филамент подается в сопло горячего конца, нагреваемое для расплавления материала. Диаметр сопла в среднем 0,4 мм выдавливает точные капли жидкого пластика.
- Печатная платформа: При точном позиционировании сопло наносит расплавленную нить на печатную платформу, создавая формы слой за слоем. Адгезия предотвращает деформацию.
- Портальная система: Двигатели координируют сопло экструдера в пространстве осей X/Y/Z, направляя его по высокоточным траекториям печати.
Повторяя последовательность — расплав, осаждение, охлаждение и склеивание — машины FDM создают целые объекты снизу вверх, поскольку двумерные слои накапливаются вертикально. После завершения слоя платформа сборки опускается, и сопло экструдера наносит еще один расплавленный пластиковый след прямо поверх предыдущего, пока не достигнет заданной высоты.
Перед печатью файлы цифровой модели требуют «нарезки» для перевода трехмерной геометрии в числовые траектории инструмента — по сути, инструкции G-кода. Как и при сканировании хлеба, сотни воображаемых горизонтальных сечений определяют слои печати.
Материалы для FDM 3D-печати: больше, чем расплавленный пластик
В то время как FDM-печать широко применяется благодаря своей надежности и результатам в различных областях применения, развитие технологии частично обусловлено широкой палитрой функциональные материалы расширяя его возможности, выходящие далеко за рамки простого создания прототипов.
- Определение термопластов: Печатные материалы, лежащие в основе преимуществ FDM, относятся к классу термопластиков — пластиков, плавящихся под воздействием тепла, но рекристаллизующихся в твердые тела при охлаждении. Это обратимое свойство позволяет осуществлять точное осаждение в жидком состоянии.
- Обычные нити: Нити ABS и PLA доминируют как лидеры филаментов, за ними следуют латунный наполнитель, PETG и гибкий TPE для специализированных применений. Дальнейшие композиты, такие как смеси древесины или углеродного волокна, расширяют возможности.
- Экзотические и функциональные нити: Электропроводящие нити встраивают схемы, напрямую соединяя печатные объекты с питанием или сигналами. Между тем, растворимые поддерживающие нити улучшают нависающие конструкции, но смываются при необходимости, исчезая как призраки, когда их работа закончена.
- Выбор по свойствам: Плотность, адгезия слоев, устойчивость к ультрафиолетовому излучению и биоразлагаемость помогают определить идеальные материалы для условий эксплуатации с учетом тепла, воздействия внешней среды или гибкой функции защелкивания, выходящей за рамки визуального прототипирования.
Реальные приложения FDM
Первоначально созданный для удобного прототипирования концепций дизайна продукта, метод FDM оказался настолько надежным, что сегодня FDM-принтеры находят широкое применение в критически важных производственных процессах по всем секторам.
- Быстрое производство: Производители аэрокосмической техники используют промышленные системы FDM для печати точных сборочных приспособлений, которые удерживают детали компонентов самолета, проходящие обработку. Используя 3D-печать этих специальных инструментов вместо аутсорсинга традиционного производства, авиационные заводы могут быстро итерировать приспособления внутри компании по мере изменения потребностей.
- Образование: Школы и университеты включили настольные FDM 3D-принтеры в программы STEM, что позволяет студентам учиться, создавая физические прототипы объектов, которые они проектируют. Воплощение идей в реальность мотивирует интерес к инженерии, технологиям и моделированию для прикладного научного обучения. Образовательные 3D-принтеры делают практические эксперименты над проектами экономически эффективный.
- Медицина: Влияние FDM на здравоохранение расширяется ежедневно за счет печати индивидуальных компонентов, соответствующих анатомии пациента, с неинвазивным преобразованием медицинской визуализации в 3D-модели. Хирурги используют тактильные 3D-печатные копии органов, помогающие в предоперационном планировании, в то время как инженеры быстро проектируют и проверяют устройства для спасения жизни, такие как изготовленные FDM носоглоточные мазки для сбора большого объема образцов COVID-19.
- Распределенное производство: Такие стартапы, как Figure 4 и Adafruit, используют масштабируемость настольных FDM-платформ plug-and-play для локального выполнения заказов на специализированное производство по требованию. Товары для дома, игрушки, подарки и многое другое печатаются без отправки за границу, избегая отходов перепроизводства — оптимизируя персонализацию. Модульные микрофабрики выводят индивидуальные изделия на витрины магазинов Main Street.
От классов STEM до лабораторий робототехники или заводских цехов, FDM-3D-печать оптимизирует инновации, образование и распределенное цифровое производство.
Почему вам стоит выбрать FDM?
Несколько технологий аддитивного производства существуют и за пределами FDM, каждый из которых обладает уникальными преимуществами в определенных областях применения. Но что делает FDM «первым среди равных» самым распространенным в мире методом 3D-печати?
1. Доступность и простота
3D-принтеры FDM доминируют в мировых продажах Благодаря очень доступным настольным моделям и материалам, каждый может лично изучить 3D-печать с низким риском. Простой пользовательский интерфейс также обеспечивает широкое внедрение от школ до производства. FDM обеспечивает наиболее экономичный и доступный вход в аддитивное производство.
2. Универсальность материала
Ассортимент доступных термопластичных нитей, от базовых PLA и ABS до более продвинутых специальных композитов, позволяет адаптировать отпечатки от базовых концепций до промышленных инженерных материалов для конечных продуктов. Такая гибкость расширяет возможности творчества.
3. Надежное качество
Более 30 лет оптимизации систем экструзии и управления движением обеспечивают размерную точность и повторяемость, ожидаемые от цифровой платформы изготовления, равной литью под давлением. Аэрокосмический и медицинский секторы полагаются на точное производство FDM.
Хотя альтернативные процессы 3D-печати обеспечивают превосходную отделку поверхности, скорость, прочность и масштабируемость для современных приложений, FDM обеспечивает оптимальное сочетание возможностей, выбора материалов, эксплуатационных расходов и надежности, подходящее для большинства распространенных потребительских и коммерческих реализаций. Устраняя барьеры внедрения, FDM делает инновации посредством аддитивного производства доступными для всех.
Лучшие практики для освоения FDM 3D-печати
При погружении в мир 3D-печати методом послойного наплавления (FDM) достижение оптимальных результатов заключается в освоении нескольких критических аспектов. Это руководство проведет вас через жизненно важные стратегии, которые могут поднять ваши проекты печати с хорошего на отличный уровень.
1. Создание подходящей среды для печати
Каждый успешная печать начинается с правильных условий. Важно поддерживать среду, в которой температура и влажность контролируются предотвращайте деформацию ваших творений или появление других дефектов. Для особо чувствительных материалов, таких как ABS, может даже потребоваться закрытая камера печати, чтобы гарантировать постоянство температуры в течение всего процесса.
2. Достижение идеальной адгезии первого слоя
Основой любой 3D-печати является ее первый слой. Чтобы правильно закрепить его на рабочей пластине, начните с хорошо выровненной платформы. Распространенный метод заключается в использовании стандартного листа бумаги для измерения расстояния между соплом и платформой, внося корректировки до тех пор, пока вы не почувствуете легкое рывок бумаги при ее перемещении. Для материалов, склонных к подъему, рассмотрите возможность использования клеящих средств, таких как клеевые стержни, лак для волос или специальные наклейки для платформы 3D-печати, чтобы укрепить сцепление.
3. Баланс плотности заполнения и толщины оболочки
Прочность печати и качество отделки зависят от нахождения идеального баланса между плотностью заполнения модели и толщиной ее внешней оболочки.Хотя большее заполнение означает большую долговечность, это также приводит к более длительному времени печати и более высокому расходу материала. Настройте эти параметры в зависимости от предполагаемого использования вашего печатного изделия и помните, что иногда меньше значит лучше.
4. Тонкая настройка скорости и температуры печати
Волшебство часто происходит при регулировке скорости печати и температуры экструзии. В зависимости от тип нити, вам может потребоваться замедлить скорость, чтобы запечатлеть более мелкие детали, или увеличить температуру для тех, у кого более высокая температура плавления. Эти настройки могут значительно улучшить адгезию слоев и общее качество печати.
5. Обязательство регулярного технического обслуживания
Ваш принтер надежен настолько, насколько надежен его ремонт. Регулярно очистка рабочей пластины, смазка движущихся частей и замена таких компонентов, как сопла и ремни, обеспечат бесперебойную работу вашего устройства и четкость отпечатков.
6. Правильные методы хранения нитей
Нити могут быть хрупкими и подверженными деградации, если их неправильно хранить. Держите катушки вдали от влаги и прямых солнечных лучей, используя осушители и запечатывая их в герметичные контейнеры. Правильное хранение обеспечивает целостность материала и стабильное качество печати.
7. Усовершенствование с последующей обработкой
Постобработка может превратить хороший отпечаток в произведение искусства. Методы варьируются от шлифовки до сглаживания парами ацетона (для ABS) или покраски. Эти методы улучшают внешний вид и функциональность вашего конечного продукта.
8. Мастерство работы с программным обеспечением слайсера
Программное обеспечение слайсера — это мозг, стоящий за вашими отпечатками, преобразующий ваши проекты в точные инструкции для вашего принтера. Используйте его мощь, научившись манипулировать структурами поддержки, высотой слоев и другими параметрами печати в соответствии с вашими конкретными потребностями.
9. Принятие метода проб и ошибок
Не бойтесь экспериментировать. Постепенно настраивайте параметры и документируйте, что работает, а что нет, для каждого проекта. Этот итеративный подход приводит к постоянному улучшению и более глубокому пониманию возможностей вашего принтера.
Будущее FDM: что дальше?
FDM сохраняет сильный импульс в качестве шлюза 3D-печати для создания прототипов дизайна и мелкосерийного производства. Прогнозы говорят о том, что промышленные системы в одиночку затмят 18 миллиардов долларов мирового дохода к 2027 году, что нас ждет в будущем?
- Инновации в области материалов: Разработки в области высокопрочных термопластов и печатной электроники еще больше расширят возможности их применения в транспортной, аэрокосмической, инфраструктурной и приборостроительной отраслях.
- Интеграция автоматизации: Оптимизация цифрового рабочего процесса путем объединения программного обеспечения для моделирования с платформами выполнения заказов и складами ускорит широкомасштабное внедрение в распределенных производственных сетях.
- Ограничения по выбросам углерода: По мере ужесточения инициатив в области устойчивого развития локальное производство по запросу обещает значительное сокращение выбросов углерода за счет устранения зарубежных поставок и отходов, а также поддержки бизнес-моделей сервисизации.
Воплощение идей в жизнь
Поскольку FDM демократизирует цифровое производство посредством постоянно совершенствующихся доступных и точных систем 3D-печати, новаторы получают доступный набор инструментов для воплощения творческих замыслов в реальность посредством простого расплавления и склеивания материалов в заданные формы, будь то прототипирование дома или производство в масштабе. Раскрывая прагматическое ремесло, лежащее в основе аддитивного производства, некогда таинственная технология 3D-печати теперь позволяет любому человеку кристаллизовать воображение в удерживаемое творение на своем рабочем столе, в мастерской или даже на рабочем столе, поскольку эта новая производственная парадигма преображает возможное.
Часто задаваемые вопросы о FDM-3D-печать
1. Каковы плюсы и минусы FDM?
Плюсы: FDM 3D-печать широко признана экономически эффективной, как с точки зрения самих принтеров, так и используемых материалов. Она удобна для пользователя, что делает ее популярным выбором для новичков и школ. Технология отлично подходит для быстрого производства прочных деталей и имеет широкий спектр материалов на выбор, каждый из которых обладает различными свойствами, подходящими для различных применений.
Минусы: С другой стороны, FDM не всегда обеспечивает самую гладкую отделку, поскольку на отпечатанной детали часто видны отдельные слои. Кроме того, когда вы печатаете выступы или сложные формы, вам могут понадобиться дополнительные структуры, которые поддерживают печать во время процесса, и которые вам придется удалить впоследствии. По сравнению с другими методами, такими как SLA, точность и детализация FDM ограничены, и поскольку он печатает слой за слоем, детали могут быть слабее в одном направлении по сравнению с другим.
2. Почему FDM лучше SLA?
FDM имеет тенденцию быть «лучше», чем SLA в контекстах, где стоимость является существенным фактором, поскольку это обычно менее затратно. FDM-принтеры более надежны, когда дело касается типов материалов, которые они могут использовать, и эти материалы часто приводят к более прочным деталям. Кроме того, FDM-принтеры проще в обслуживании и использование, поэтому вы обычно найдете их в мастерских любителей и образовательных учреждениях. Однако, если вашим приоритетом является создание объектов с очень мелкими деталями и гладкой поверхностью, SLA может быть предпочтительным вариантом по сравнению с FDM.
3. Насколько безопасна FDM-печать?
Печать FDM считается вполне безопасной, но, как и любой инструмент, ее нужно использовать правильно. Убедитесь, что принтер находится в хорошо проветриваемом помещении, поскольку нагретый пластик может выделять пары. Всегда будьте осторожны около принтера, поскольку сопло и платформа нагреваются настолько, что могут вызвать ожоги. Следуйте инструкциям производителя по обслуживанию и эксплуатации, и вы сможете наслаждаться 3D-печать без проблем с безопасностью.
4. Сколько времени занимает FDM 3D-печать?
Время, необходимое для печати FDM, может сильно различаться. Небольшой и простой объект можно сделать менее чем за час, в то время как более крупные или высокодетализированные изделия могут занять целый день или даже больше. На время печати влияют несколько факторов: размер объекта, желаемое качество (определяющее высоту слоя) и желаемая плотность изделия (определяющая заполнение). Баланс между этими факторами обычно дает наилучший результат с точки зрения как времени, так и качества печати.
5. Каков срок службы FDM 3D-принтеров?
Срок службы FDM 3D-принтера действительно зависит от того, как вы за ним ухаживаете. Регулярное использование не является проблемой — на самом деле, машины часто выигрывают от того, что их используют, а не простоят.Ключ к долговечности — это регулярное обслуживание, например, чистка и периодическое замена деталей, таких как сопло или печатный стол, если они показывают признаки износа. При таком уходе хороший FDM-принтер может хорошо прослужить вам много лет — пять лет и более — не редкость, и некоторые пользователи сообщают, что их принтеры работают намного дольше при надлежащем уходе.