Technologia FDM – ROZDZIAŁ 1 – Co to jest i na czym polega…?

0

Technologia FDM (Fused Deposition Modeling), nazywana potocznie „drukiem 3D z plastiku” to obecnie najbardziej rozpowszechniona metoda druku 3D na świecie. Jej popularność sprawia, że dla znakomitej większości osób mających ograniczoną styczność z technologiami przyrostowymi jest tożsama z drukiem 3D w ogóle. Jak mieliśmy okazję dowiedzieć się z cyklu artykułów o historii druku 3D, metod addytywnych jest oczywiście bez porównania więcej – mimo to w dzisiejszych czasach FDM bez dwóch zdań dzierży palmę pierwszeństwa, pozwalając często użytkownikom wkroczyć w świat druku 3D i pozwolić zrozumieć jakie daje możliwości i korzyści.

Podobnie jak wszystkie technologie druku 3D, tak i FDM został powołany do życia jako sposób na szybsze i tańsze tworzenie prototypów. Z czasem użytkownicy drukarek 3D tego typu zaczęli poszerzać możliwości ich zastosowania, produkując przy ich pomocy także finalne produkty lub ich elementy. Jednakże zanim do tego dojdziemy, poznajmy czym jest drukowanie z termoplastów?

Na czym polega metoda FDM?

Technologia FDM wykorzystuje w procesie wytwórczym termoplasty, czyli tworzywa sztuczne wykorzystywane do formowania geometrii w wysokich temperaturach. Modele drukowane w tej technologii powstają poprzez nakładanie kolejnych warstw półpłynnego materiału, który jest wytłaczany (tzw. „ekstrudowany„) z podgrzewanej dyszy. Materiał ma formę żyłki o stałej średnicy (1,75 mm lub 2,85 mm) nawiniętej na szpulę – jego zwyczajowa nazwa to „filament”.

 

Filament z materiałem eksploatacyjnym jest zawieszany na ramieniu drukarki 3D i może być zlokalizowany w różnych miejscach urządzenia. Ważne jest aby w bezproblemowy, ciągły i nieprzerwany sposób był dostarczany do ekstrudera i głowicy drukującej urządzenia. Aby to usprawnić filament jest zwykle prowadzony do ekstrudera przez rurkę.

Montaż z tyłu drukarki 3D – Zortrax M200

Montaż z boku drukarki 3D – XYZPrinting miniMaker

Ekstruder to dość prosty mechanizm złożony z koła zębatego i łożyska, pomiędzy które wprowadzana jest żyłka filamentu. Łożysko jest dociskane do koła zębatego za pomocą sprężyny. Koło zębate jest poruszane przez silnik krokowy, który wprowadza filament do głowicy drukującej drukarki 3D.

Otwarty ekstruder w Tronxy X1

Ekstruder bezpośredni (nad głowicą drukującą) w Monkeyfab PRIME

Ekstruder bezpośredni w Robo 3D C2

Ekstruder typu bowden (mocowany na obudowie drukarki 3D) w Ultimaker 3

Głowica drukująca jest rozgrzewana do temperatury potrzebnej przetopić dany filament. W większości desktopowych drukarek 3D są to temperatury o zakresie 190°C – 260°C, jednakże jest to zróżnicowane w zależności od modelu urządzenia. Filament nie jest przekształcany do stanu płynnego (czyli „nie kapie” z głowicy), tylko półpłynnego – wystarczającego do tego aby za jego pomocą „rysować” kształt na stole roboczym drukarki 3D. Filament który zostaje wyekstrudowany / nałożony na stół roboczy – praktycznie od razu zastyga (chociaż w przypadku drukowania modeli na podgrzewanym stole roboczym pozostaje plastyczny).

Głowica drukująca porusza się nad stołem roboczym w osiach XY (lub głowica w osi X, a stół roboczy w Y) i niczym ploter nakłada na powierzchnię stołu roboczego półpłynne tworzywo sztuczne, rysując za jego pomocą kształt. W ten sposób powstaje pierwsza warstwa modelu.

Gdy pierwsza warstwa jest „narysowana„, w zależności od konstrukcji drukarki 3D stół roboczy opuszcza się w osi Z, lub głowica podnosi się w osi Z i nakładana jest kolejna warstwa modelu 3D. W ten sposób warstwa po warstwie powstaje model przestrzenny.

Gdy jest już gotowy, wystarczy zdjąć go ze stołu roboczego (co może być czasem kłopotliwe) i pousuwać struktury podporowe (tzw. „supporty„) o ile zostały wygenerowane. Więcej na ten temat napiszemy w kolejnych artykułach…

Jakie materiały są wykorzystywane w metodzie FDM?

Najpopularniejszymi gatunkami materiałów używanych w tej metodzie przyrostowej są ABS (jeden z najpopularniejszych termoplastów stosowanych w przemyśle) oraz PLA (termoplast powstały na bazie związków organicznych). Inne popularne materiały to nylon (bardzo wytrzymały materiał stosowany np. do produkcji lin), PETG (materiał wykorzystywany np. do produkcji plastikowych butelek), czy TPU (materiał elastyczny, przypominający gumę).

Dzięki temu, że technologia FDM wykorzystuje dokładnie te same tworzywa sztuczne, jakie są stosowane np. w formowaniu wtryskowym sprawia, że idealnie nadaje się z jednej strony do tworzenia funkcjonalnych prototypów o tych samych lub bardzo zbliżonych właściwościach fizyczno-chemicznych co finalne produkty, a z drugiej do tworzenia finalnych produktów lub prefabrykatów w niższych ilościach powodujących, że formowanie wtryskowe byłoby nieopłacalne.

Mówiąc inaczej – FDM to jedyna istnieją technologia przyrostowa pozwalająca na drukowanie obiektów z czystego ABS lub innych termoplastów używanych we wtrysku. To sprawia, że jest idealnym uzupełnieniem dla każdej firmy działającej w sektorze tworzyw sztucznych jako wsparcie działu R&D lub narzędzie wsparcia procesów produkcyjnych (oczywiście w ograniczonym zakresie).

Filamenty są dostępne w różnych kolorach. Znakomita większość desktopowych drukarek 3D typu FDM jest wyposażonych w jedną głowicę drukującą, tym samym kolor modelu 3D zależy od koloru filamentu. Kolor modelu może być ewentualnie zmieniany poprzez pauzowanie wydruku i ręczną wymianę filamentu na inny – proces ten można powtarzać (teoretycznie) dowolną ilość razy, jednakże kolor będzie zmieniał się jedynie w osi Z. Nie jesteśmy w ten sposób w stanie dowolnie kolorować modeli.

Chcąc osiągnąć np. taki efekt, model musi być po prostu ręcznie pomalowany…

Oczywiście na rynku istnieje szereg rozwiązań pozwalających na różne techniki kolorowania modeli 3D podczas procesu druku 3D – w tym nawet drukowanie ich w pełnym kolorze! Opiszemy to szczegółowo w jednym z kolejnych artykułów.

W kolejnym rozdziale opiszemy budowę typowej drukarki 3D typu FDM oraz wskażemy elementy konstrukcyjne, na które należy zwracać uwagę przy jej zakupie…?

Udostępnij.

O autorze

Paweł Ślusarczyk

Prezes zarządu CD3D Sp. z o.o. oraz Business Development Manager. Posiada ponad 12-letnie doświadczenie w biznesie, zdobyte w branży IT, reklamowej i poligraficznej. Od stycznia 2013 roku związany z drukiem 3D.