3D-принтер FDM

Технология печати методом послойного наплавления (FDM) получила широкое распространение среди индивидуальных пользователей и небольших компаний благодаря широким возможностям, относительной простоте и хорошей ценовой доступности. Популярность этого метода заслуживает более подробного описания процесса и используемых принтеров. В этом разделе мы рассмотрим нюансы конструкции принтеров и применение технологии на практике.


Общий процесс

Как и все методы 3D-печати, FDM относится к технологиям аддитивного производства. Термин «аддитивный» является англицизмом от слова «additive», означающим «добавка» или «за счет добавления». Термин предназначен для обособления технологий производства сложных трехмерных изделий, отличающихся от привычных «субтрактивных» («subtractive» - «за счет отделения») методов – фрезеровки, сверления, шлифовки и пр.

FDM можно считать одним из наиболее технологически простых методов 3D-печати. В основе процесса лежит последовательное наслоение тонкой нити расплавленного пластика вплоть до создания цельного трехмерного объекта. В качестве расходного материала используется пластиковая нить, намотанная на катушку. Изредка используются отдельные прутки пластика. Стандартный диаметр нити составляет 1,75мм или 3мм.

Процесс печати состоит из ряда этапов:

  • Создания или импорта цифровой трехмерной модели
  • Обработки цифровой модели для печати с добавлением поддерживающих структур
  • Расположения и ориентировки цифровой модели на рабочем столе
  • Слайсинга – нарезки цифровой модели на отдельные слои с преобразованием данных в инструкции для работы принтера, называемые G-кодом
  • Непосредственно печати
  • При необходимости, физической или химической обработки готовой модели

Конструктивные элементы

Корпус


3D-принтер Ultimaker с открытым деревянным корпусом

В конструкции FDM 3D-принтера важны многие элементы, не всегда очевидные неискушенному человеку. Так, имеет значение материал корпуса в том случае, если он несет нагрузку. Многие FDM принтеры выпускаются с деревянными корпусами – такое решение кажется дешевым и неказистым, но на самом деле помогает поглощать вибрации при печати, что положительно сказывается на качестве изготовляемых моделей. С другой стороны, стальная или алюминиевая рама обеспечивает долговечность и ударостойкость устройства.

Имеет значение и открытая или закрытая конструкция принтера. Хорошо вентилируемая рабочая камера полезна при печати полилактидом (он же PLA-пластик), так как этот материал долго стеклуется. Если напечатанные слои не будут успевать застывать и схватываться, возможно их растекание, либо деформация нижележащих слоев под давлением верхних.

С другой стороны, многие популярные материалы (например, ABS-пластик и нейлон) имеют высокую степень усадки. Под «усадкой» подразумевается сокращения объема материала при остывании. В случае с тем же ABS-пластиком чрезмерно быстрое и неравномерное охлаждение нанесенных слоев может привести к их закручиванию, либо деформации и растрескиванию модели в целом.


3D-принтер PICASO Designer с закрытым пластиковым корпусом

В этом случае корпус с закрытой облицовкой приходится кстати, позволяя добиваться медленного, равномерного охлаждения материала.

Наконец, форма FDM принтера может быть связана и с используемой системой координат.

Так, наиболее популярным вариантом является Декартова или, что точнее в большинстве случаев, прямоугольная система координат.

В последнее время набирает популярность дельтаобразная системы координат – такие устройства именуются «дельта-роботами» и предлагают определенную выгоду в плане точности печати и легкости расширения вертикального размера области построения.

Несущие элементы конструкции и направляющие обычно выполняются из алюминия или стали. Привод экструдера и платформы осуществляется с помощью ремней или винтов.


Экструдер принтера 3DPrintBox в частично разобранном состоянии. Хорошо видна розовая пластиковая нить и протягивающий механизм – две шестерни с проточками в зубьях

Экструдер

Следующим важным элементом является экструдер, то есть печатающая головка принтера. Эти устройства могут варьироваться конструктивно, но в целом содержат одинаковые основные компоненты:

  • Протягивающий механизм для подачи нити в сопло
  • Сопло, служащее для плавки нити и экструзии расплавленного материала
  • Нагревательный элемент для подогрева сопла
  • Вентилятор
Как правило, протягивающий механизм состоит из шестерней или винтов, приводимых в действие электромотором.

Как очевидно, электромотор приводит в движение шестерни, осуществляя подачу пластиковой нити в сопло. В сопле происходит плавка нити с последующей экструзией вязкого материала.

Исключительно важным моментом является резкий градиент температур между нижней и верхней частью сопла – именно для этой цели и устанавливается вентилятор.

При переходе порога температуры стеклования пластик становится мягким, но еще не вязким, расширяясь в объеме.


Экструдер принтера 3DPrintBox в собранном состоянии. Виден электромотор протягивающего механизма (сверху), двойной вентилятор (в середине) и сопло с присоединенным электронагревательным элементом (внизу)

В этом состоянии возрастает трение материала с внутренними стенками сопла.

Если длина (и, как следствие, площадь) этого участка слишком велика, то суммарный коэффициент трения может стать непосильным для протягивающего механизма.

Таким образом, длина участка сопла с нерасплавленной нитью и длина участка с расплавленным материалом не имеют особого значения, а вот длина участка с пластиком при температуре стеклования должна быть как можно короче.

Самым эффективным решением этой проблемы является применение радиаторов и вентиляторов, охлаждающих нить и верхнюю часть сопла.

Справедливости ради отметим, что время пребывания пластика в расплавленном состоянии тоже следует минимизировать, ибо многие термопластики теряют пластичность после длительного пребывания при высоких температурах, а образующиеся твердые частицы могут забить сопло.


Диаграмма перехода пластиковой нити из твердого состояния в вязкое. Длина среднего участка должна быть как можно короче для предотвращения проблем с проталкиванием материала

Как правило, такого рода проблемы не возникают при нормальной, стабильной экструзии, ибо длина сопла слишком мала.

Забивание сопла может произойти при наличии внутренних неровностей, либо при погрешностях в изготовлении нити: возникающие застои приводят к постепенному образованию крупинок, которые затем увлекаются потоком расплавленного пластика и забивают выходное отверстие.

Наиболее популярные материалы для изготовления сопел – алюминий и латунь.

Диаметр отверстия может варьироваться, но средняя величина составляет 0,3мм.

Отверстия меньшего диаметра позволяют добиваться более высокого разрешения, в то время как увеличение диаметра повышает скорость построения и снижает риск забивания сопла.

Рабочая платформа


Платформа 3D принтера 3D Systems Cube передвигается по осям X и Z, а экструдер – по оси Y

Рабочая платформа служит в качестве поверхности для построения моделей.

В зависимости от используемой системы координат, платформа может быть подвижной или статической.

Как правило, в принтерах, использующих Декартову систему координат, движение платформы в вертикальной плоскости отвечает за вертикальное позиционирование экструдера относительно самой платформы.

Некоторые модели добавляют и движение платформы по одной из осей в горизонтальной плоскости, что позволяет несколько уменьшить габариты устройства при условии наличия открытого корпуса.

Примером таких принтеров служит популярный 3D Systems Cube.


Рабочая платформа дельта-роботов остается на месте. Позиционирование экструдера в трех плоскостях осуществляется исключительно за счет движения трех манипуляторов

Принтеры дельтаобразной конфигурации («дельта-роботы») используют статические платформы.

Позиционирование печатной головки во всех трех измерениях осуществляется исключительно за счет передвижения самого экструдера.

Как правило, экструдер подвешивается на трех манипуляторах, чье скоординированное движение по вертикальным направляющим и перемещает головку.

Ассиметричное движение регулирует позиционирование экструдера по горизонтали за счет изменения угла наклона манипуляторов, а симметричное – по вертикали.

Альтернативно, возможно использование подвижной платформы и стационарного экструдера, но такие дизайны пока не получили широкого применения.


Экспериментальный принтер Quantum Delta использует "перевернутый" дизайн с подвижной платформой и стационарным экструдером

Отличительной особенностью всех дельта-принтеров является цилиндрическая форма области построения. Одним из достоинств подобных дизайнов является легкость наращивания рабочей зоны. Так, для увеличения высоты построения требуется лишь установить направляющие и кабели увеличенной длины.

Тем не менее, даже статические платформы нельзя назвать полностью неподвижными. Перед началом печати требуется калибровка платформы, то есть устранение возможного наклона. Механизмы калибровки могут быть как ручными, так и автоматическими, в зависимости от модели принтера.

В случае ручной калибровки от пользователя потребуется последовательное позиционирование сопла в различных точках платформы.

Для измерения дистанции используются специальные шаблоны, а в случаях наиболее простых или самодельных конструкций – просто листы офисной бумаги, чья толщина примерно соответствует 100 микронам.

Более продвинутые устройства вроде MakerBot Replicator используют специальные сенсоры для точного измерения дистанции. Регулировка наклона производится за счет вращения подпружиненных винтов, на которые опирается платформа.


Калибровка платформы зачастую осуществляется с помощью регулировочных винтов, хотя большинство принтеров помогают в этой задаче, последовательно перемещая экструдер в разные точки платформы

Важность калибровки невозможно переоценить, ибо от нее зависит успех нанесения первого слоя пластика и успех печати в целом.

Если высота сопла будет слишком мала, то экструзия просто не произойдет.

Если слишком велика, то пластик не схватится с поверхностью, и принтер будет печатать «по воздуху», создавая хитросплетения пластиковой нити, не имеющие ничего общего с заданной моделью.

Результатом же наклона платформы может стать сочетание этих двух эффектов. Как бы ни была совершенна конструкция принтера, пользователям рекомендуется прослеживать хотя бы построение первых нескольких слоев модели.


Перфорированный рабочий столик принтера Up! Plus 2 обеспечивает хорошее сцепление пластика с поверхностью, но требует тщательного ухода, так как отверстия легко забиваются

В зависимости от конструкции, рабочая платформа может быть оснащена съемным столиком.

Такое решение зачастую применяется в принтерах с закрытыми корпусами, затрудняющими снятие моделей с платформы или чистку поверхности.

В случае применения перфорированных столиков такое решение просто необходимо, так как чистка поверхности производится вымачиванием в растворителях.

Минусом съемных столиков является возможность возникновения люфта при достаточной слабости креплений или зажимов.


Подогреваемая алюминиевая платформа со съемным стеклянным рабочим столиком принтера PICASO Designer

При печати определенными видами материалов, такими как ABS-пластик или нейлон, платформа оснащается нагревательным элементом. Целью нагрева является замедление остывания нижних слоев ради предотвращения их закрутки, вызываемой усадкой термопластика. Подробнее об этом явлении и методах борьбы можно прочитать в разделе «Как избежать деформации моделей при 3D-печати».

Материалы, применяемые для изготовления рабочих столиков весьма разнообразны. Среди них можно упомянуть алюминий, сталь, акрил – наличие подогрева, само собой, сужает выбор материалов. Популярным выбором в последнее время стало стекло, что обуславливается высокой стойкостью к деформациям и легкости достижения идеально ровной поверхности при производстве. Некоторые производители даже используют вулканическое стекло из-за низкой теплопроводности, позволяющей замедлять охлаждение начальных слоев модели.

Подготовка цифровой модели


Популярный слайсер с открытым исходным кодом ReplicatorG

Само создание цифровых трехмерных моделей не входит в процесс 3D-печати. Для создания моделей используются обычные системы автоматизированного проектирования («САПР» или «CAD» в англоязычной терминологии), включая такие 3D-редакторы, как SolidWorks, AutoCad и LightWave среди многих.

Процесс подготовки модели к печати начинается с импорта трехмерной модели в формате .STL в специальную программу, называемую «слайсер». Такие программы выполняют функции графических редакторов, позволяя добавлять опорные элементы, необходимые для поддержки навесных элементов моделей. Многие слайсеры позволяют добавлять опорные структуры автоматически, не требуя усилий со стороны пользователя. Кроме того, слайсеры позволяют размещать модели на рабочем столе и менять их пространственную ориентацию.

Продвинутые программы позволяют изменять и тонкие настройки печати – толщину наносимого слоя, температуру сопла, учитывать используемый расходный материал.

Возможности слайсеров тесно связаны и с возможностями самих принтеров. Некоторые модели имеют «закрытый код», требующий использования фирменных слайсеров. Среди наиболее популярных слайсеров с открытым исходным кодом такие программы, как Repetier-Host, ReplicatorG и Skeinforge.


Построение опорных структур модели в слайсере Repetier-Host

После того, как цифровая модель размещена на виртуальном рабочем столе, созданы необходимые опоры и выполнены настройки, производится непосредственно слайсинг – нарезание трехмерной модели на виртуальные слои с толщиной, соответствующей толщине слоев наносимого пластика. Каждое такое сечение будет служить в качестве шаблона для построения конкретного слоя физической модели. Конечный результат предоставляется в виде G-кода – набора команд для 3D-принтера, определяющих движение экструдера и платформы в процессе печати. G-код может быть передан непосредственно с компьютера с помощью прямого соединения, либо записан на карту памяти или USB-накопитель для автономной печати при условии, что принтер оснащен необходимым интерфейсом и контрольным модулем.

Печать


Некоторые энтузиасты 3D-печати создают собственные скребки для снятия готовых моделей с рабочего столика

Печать может занимать достаточно продолжительное время, зачастую исчисляемое часами. Продолжительность зависит от скорости печати и размера изготовляемых моделей. Скорость печати, в свою очередь, зависит от сложности модели, совершенства алгоритмов позиционирования, толщины слоя и диаметра сопла. Прерывание процесса печати может привести к потере модели. Хотя некоторые принтеры и позволяют временно останавливать процесс для замены расходного материала, продолжительная пауза приведет к остыванию верхних слоев. При возобновлении печати последующие слои могут «не схватиться» с уже напечатанными.

Для снятия готовых моделей со столика применяются тонкие скребки. В то же время рекомендуется дождаться хотя бы частичного остывания модели во избежание повреждения еще мягких слоев или ожогов при прикосновении к еще горячему пластику. Кроме того, при наличии достаточного терпения можно дождаться полного охлаждения и усадки, которая в большинстве случаев автоматически проводит к отделению модели от столика.


Демонстрация опорных структур в составе готовой модели

В зависимости от рабочего пластика, может быть возможна механическая или химическая обработка. Так, модели из ABS-пластика поддаются обработке парами ацетона, что приводит к сглаживанию шероховатостей и печатных артефактов, но может привести и к потере наиболее деликатных черт модели. В основном, обработка сводится к удалению поддерживающих структур навесных элементов модели. При печати на принтерах с одним экструдером опоры выполняются из того же материала, что и сама модель, несколько усложняя процесс. При использовании принтеров с двумя или более печатными головками, возможно построение опор с использованием водорастворимого поливинилового спирта (PVA-пластика). Подробнее о пластиках, используемых в FDM 3D-печати можно узнать в разделе «Расходные материалы для моделирования методом послойного наплавления».

Применение


3D-печатные прототипы контроллера для игровой приставки Xbox One

Относительная дешевизна FDM принтеров и расходных материалов обуславливает широкую популярность этой технологии. В первую очередь, такие устройства используются для быстрого прототипирования. Различные пластики позволяют создавать функциональные модели всевозможных изделий. Так, популярный в FDM печати ABS-пластик получает широчайшее применение в массовом производстве всевозможных бытовых изделий, автомобильных деталей, инструментов, игрушек, сувениров и пр. Достаточно высокая точность 3D-печати позволяет получать функциональные прототипы, практически не отличающиеся по качеству изготовления от традиционных литых изделий.


3D-принтер MakerBot Mini был создан для применения в быту и общеобразовательных учреждениях

Такое применение технологии позволяет добиться существенной экономии при разработке новых дизайнов. Компания Microsoft использовала 3D-печать для создания порядка двухсот прототипов контроллера для приставки Xbox One, а компания Dell разместила заказ на пять тысяч FDM принтеров M200 производства польской компании Zortrax для использования в филиалах по всему миру.

Хотя производительность FDM 3D-печати достаточно низка, относительная дешевизна позволяет применять FDM принтеры для производства небольших партий готовых изделий – сувениров, игрушек и т.п.

Совершенствование технологии и существенное снижение стоимости устройств позволяет FDM принтерам постепенно внедряться в быт. Выгода от домашнего использования 3D-печати очевидна – даже достаточно простые устройства способны производить бытовые приспособления или сломанные пластиковые детали по мере необходимости. Себестоимость домашнего производства уже делает подобное применение выгодным в сравнении с приобретением готовых изделий. Единственным существенным препятствием на пути к широкому распространению 3D-принтеров в быту можно считать нежелание большинства людей вдаваться в подробности трехмерного цифрового дизайна. Этот барьер постепенно нивелируется за счет таких популярных сервисов, как Thingiverse, Shapeways и Cubify, предлагающих различные готовые к печати 3D-дизайны. Многие из доступных цифровых моделей предоставляются бесплатно.


3D-печатный пистолет Liberator поставил под сомнение способность государственных органов регулировать оборот огнестрельного оружия

Немало шума наделал пистолет Liberator. Дизайн этого оружия включает в себя один единственный металлический элемент – боек, в качестве которого может использоваться обычный гвоздь. Все остальные элементы конструкции могут быть распечатаны. Дизайн пистолета был выложен в открытый доступ.

Наконец, развитие FDM 3D-печати позволяет развивать целую отрасль 3D-дизайна и печати на заказ. 3D-бутики уже становятся привычным явлением во многих странах. Дальнейшее распространение технологии FDM печати может привести к реструктуризации мировой экономики: по мере роста домашнего производства спрос на готовые изделия будет падать параллельно с ростом спроса на расходные материалы. Химическим производителям, торговым сетям и транспортным компаниям придется подстраиваться под новую бизнес- модель, основанную на локальном производстве.


Перейти на главную страницу Энциклопедии 3D-печати