Modelowanie przez osadzanie topionego materiału (FDM): wszystko, co musisz wiedzieć

Źródło: 3dnatives.com

Modelowanie przez osadzanie topionego materiału, czyli FDM, to główna i najbardziej znana technologia druku 3D, dla większej zwięzłości nazywana również FFF. S. Scott Crump opracował technologię FDM pod koniec lat 80., a firma Stratasys wprowadziła ją na rynek w 1990 roku. Innym ważnym rokiem w rozwoju FDM był 2005, kiedy to profesor Adrian Bowyer zainicjował projekt RepRap – globalny ruch stojący za samoreplikującymi się drukarkami 3D typu open-source, które noszą tę samą nazwę.

Jak drukować w 3D za pomocą modelowania przez osadzanie topionego materiału

FDM jest często uważane za najprostszą technologię druku 3D. Podstawowe elementy FDM to zasadniczo 3 części: stół roboczy, na którym drukowany jest element; szpula filamentu pełniąca rolę materiału do druku oraz głowica drukująca, zwana również ekstruderem. W skrócie: filament jest topiony przez ekstruder drukarki, który nanosi materiał warstwa po warstwie na stół.

Wszystko zaczyna się od zaprojektowania obiektu, który chce się wydrukować w 3D, za pomocą oprogramowania CAD 3D (takiego jak SolidWorks, TinkerCAD lub SelfCAD). Po narysowaniu modelu 3D (często w formacie .STL) jest on dzielony na warstwy za pomocą slicera (np. Cura lub Repetier) przed wyborem parametrów druku.

Drukarka 3D rozpoczyna pracę, gdy maszyna osiągnie optymalną temperaturę, zazwyczaj około 200°C (392°F), niezbędną do stopienia materiału. Materiały najczęściej stosowane w modelowaniu przez osadzanie topionego materiału to PLA (kwas polimlekowy) oraz ABS (akrylonitryl-butadien-styren).

Po osiągnięciu temperatury filament o średnicy 1,75 mm lub 2,85 mm jest wytłaczany na stół przez dyszę. Porusza się ona w osiach X, Y i Z. Stół obniża się, co pozwala na nakładanie kolejnych warstw, aż do momentu, gdy obiekt wydrukowany w 3D będzie gotowy.

Podczas drukowania przydatne mogą okazać się podpory, które wspierają model, zapobiegając jego zawaleniu. Podpory te mogą być wykonane z tego samego materiału co obiekt, z materiału rozpuszczalnego w wodzie lub w limonenach. Niektóre bardziej zaawansowane drukarki 3D mogą być wyposażone w wiele ekstruderów, co pozwala na łączenie różnych kolorów i materiałów podporowych.

Materiały kompatybilne z drukarkami 3D FDM

Drukarki FDM są kompatybilne z szeroką gamą polimerów termoplastycznych, takich jak PLA i ABS, ale także poliwęglanów (PET, PS, ASA, PVA, Nylon), filamentów kompozytowych na bazie metalu, kamienia, drewna i wielu innych. Te kompozyty często posiadają interesujące właściwości mechaniczne, takie jak przewodność, biokompatybilność czy odporność termiczna. Zastępując ekstruder drukarki 3D systemem strzykawkowym, można również tworzyć elementy z gliny, a nawet z materiałów jadalnych, takich jak czekolada! Cena tych materiałów jest zróżnicowana – dla przykładu, 1 kg filamentu PLA kosztuje około 35€.

Istnieją obiecujące nowe projekty, które starają się dostarczać wielobarwne elementy, łącząc tysiące kolorów. Należy do nich między innymi Da Vinci Color firmy XYZprinting. Projekty te łączą lub kolorują filamenty, aby uzyskać pełną gamę kolorystyczną CMYK z ponad 10 milionami dostępnych kombinacji.

Ceny, wydajność i specyfikacja druku 3D FDM

Cena drukarek 3D FDM znacznie się różni. Najtańsze, składane typy RepRap zaczynają się od 300 €. Cena rośnie wykładniczo do 2500 € za modele średniej klasy i nawet do 10 000 € za maszyny profesjonalne. Głównymi graczami na rynku są historyczny producent Stratasys oraz marki takie jak MakerBot (przejęty przez Stratasys w 2013 roku), Ultimaker i Prusa.

Chociaż niektóre drukarki 3D potrafią drukować cienkie warstwy o grubości do 50 mikronów, jakość druku FDM nie jest najlepsza w porównaniu z innymi technologiami, takimi jak np. stereolitografia. Objętość, jaką mogą drukować drukarki 3D, wynosi zazwyczaj 12x12x12 cm, chociaż drukarki XL mogą drukować do 30x30x30 cm, a drukarki extreme nawet powyżej metra sześciennego.

Istnieje kilka typów drukarek 3D FDM w zależności od zastosowanego mechanizmu. Drukarki kartezjańskie wykorzystują współrzędne osi X, Y i Z, natomiast modele polarne stosują współrzędne biegunowe (kąt i długość). Dostępne są również drukarki typu delta z pionową konstrukcją, okrągłym stołem roboczym i nieruchomą głowicą na trzech ramionach. Niedawno na rynek wprowadzono również robotyczne ramiona z wieloma osiami obrotu dla drukarek 3D FDM.

Modelowanie przez osadzanie topionego materiału (FDM) w skrócie

Niski koszt, łatwość obsługi i szybkość wykonania sprawiają, że druk FDM jest popularną techniką. Sektory, w których technologia ta znajduje zastosowanie, są różnorodne: lotniczy, motoryzacyjny, architektoniczny, medyczny, artystyczny i inne. Jej głównym zastosowaniem jest szybkie prototypowanie lub walidacja modeli wizualnych bądź części funkcjonalnych. Wytłaczanie filamentu może być z łatwością wykorzystywane w produkcji małoseryjnej dzięki szerokiej gamie dostępnych materiałów termoplastycznych.