3D Today 3D-Wiki 3D-принтер FDM

3D-принтер FDM


Описание

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.