FDM-печать

FDM-печать (от англ. Fused Deposition Modeling — моделирование методом послойного наплавления) — это технология трёхмерной печати, при которой объект создаётся путём последовательного нанесения расплавленной нити термопластичного материала. Относится к классу аддитивных технологий (послойного синтеза) и является одной из наиболее распространённых и доступных разновидностей 3D-печати.

История

Технология FDM была изобретена и запатентована в 1989 году американским инженером Скоттом Крампом, одним из основателей компании Stratasys. Первоначально она разрабатывалась для промышленного прототипирования. Патентные ограничения препятствовали широкому распространению технологии до истечения срока действия патента в 2009 году. После этого начался взрывной рост рынка настольных 3D-принтеров, основанных на принципе FDM, в первую очередь благодаря проекту RepRap (Replicating Rapid Prototyper), который ставил целью создание самореплицирующихся машин. В России и странах бывшего СССР технология получила широкое распространение с начала 2010-х годов, когда на рынке появились доступные китайские и российские комплекты для сборки.

Принцип работы

FDM-печать основана на экструзии — выдавливании расплавленного материала через сопло. Процесс включает несколько этапов:

Подготовка модели. Трёхмерная цифровая модель (в формате STL, OBJ, 3MF) разбивается на слои специальной программой-слайсером (например, Cura, PrusaSlicer, Simplify3D). Слайсер генерирует G-код — управляющую программу для принтера, содержащую траектории движения головки, температуру, скорость и другие параметры.
Подача материала. Нить (филамент) с катушки подаётся в экструдер, где нагревается до температуры плавления (обычно от 180 до 260 °C в зависимости от типа пластика). Расплавленный материал выдавливается через сопло диаметром, как правило, от 0,2 до 1,0 мм.
Послойное нанесение. Экструдер перемещается в плоскости XY (по горизонтали), нанося материал на платформу или предыдущий слой. После завершения слоя платформа опускается (или головка поднимается) на толщину слоя (обычно 0,05–0,3 мм), и процесс повторяется.
Охлаждение и затвердевание. Расплавленный пластик быстро остывает и затвердевает, формируя твёрдую структуру. Для улучшения качества печати часто используется вентилятор обдува детали.

Классификация FDM-принтеров

FDM-принтеры классифицируются по нескольким признакам:

По конструкции кинематики

Декартовы (Cartesian). Перемещение по осям X, Y, Z осуществляется независимо. Наиболее распространённый тип. Примеры: Prusa i3 (с подвижным столом по оси Y), Ultimaker (с подвижной головкой по осям X и Y).
Дельта (Delta). Экструдер подвешен на трёх параллельных штангах, перемещающихся вертикально. Обеспечивают высокую скорость печати, но сложнее в настройке.
Полярные и SCARA. Используют вращательные движения. Встречаются реже, в основном в специализированных устройствах.

По количеству экструдеров

Одноэкструдерные. Печатают одним материалом или цветом.
Двухэкструдерные. Позволяют печатать двумя разными материалами (например, основным и растворимым поддержкам) или двумя цветами.
Многоэкструдерные. Используются в промышленных системах для многоматериальной или многоцветной печати.

По назначению

Настольные (хоббийные). Бюджетные устройства для домашнего использования, образования и мелкосерийного прототипирования.
Промышленные. Высокоточные, крупногабаритные станки с закрытой камерой, подогревом рабочей зоны и системами автоматизации. Используются для производства функциональных деталей, оснастки и конечных изделий.

Материалы для FDM-печати

Основные типы термопластичных филаментов:

PLA (полилактид). Наиболее популярный материал. Биоразлагаемый, не имеет резкого запаха, легко печатается. Подходит для прототипов, декоративных изделий и образовательных целей. Недостаток — низкая термостойкость (размягчается при 60 °C).
ABS (акрилонитрилбутадиенстирол). Прочный, ударопрочный, термостойкий (до 100 °C). Требует подогреваемой платформы и закрытой камеры из-за усадки и выделения паров стирола. Используется для функциональных деталей, корпусов, игрушек.
PETG (полиэтилентерефталат гликоль). Компромисс между PLA и ABS. Прочный, прозрачный, менее подвержен усадке, чем ABS. Широко применяется для производства тары, деталей механизмов.
TPU (термопластичный полиуретан). Гибкий, эластичный материал. Используется для печати уплотнителей, чехлов, амортизаторов.
Нейлон (полиамид). Очень прочный, износостойкий, с низким коэффициентом трения. Требует высокой температуры печати и контроля влажности.
Композитные материалы. Пластики, наполненные углеродным, стеклянным или кевларовым волокном, а также древесной мукой, металлическим порошком. Обеспечивают повышенную жёсткость, прочность или эстетические свойства. Требуют износостойких сопел (например, из закалённой стали).

Преимущества и недостатки

Преимущества

Низкая стоимость оборудования и расходных материалов. По сравнению с другими технологиями 3D-печати (SLA, SLS) FDM-принтеры и филаменты значительно дешевле.
Простота и безопасность. Многие настольные модели не требуют специальной подготовки оператора и могут использоваться в домашних условиях.
Широкий выбор материалов. Возможность печати различными термопластиками с разными механическими и химическими свойствами.
Большая область построения. Промышленные FDM-принтеры могут создавать объекты размером до нескольких метров.
Возможность создания функциональных деталей. Изделия из ABS, нейлона, поликарбоната могут использоваться в качестве готовых механических компонентов.

Недостатки

Низкое разрешение и качество поверхности. Слоистая структура видна невооружённым глазом, требуется постобработка (шлифовка, шпаклёвка, окраска).
Анизотропия прочности. Прочность детали вдоль слоёв (по оси Z) значительно ниже, чем поперёк них.
Ограниченная точность. Точность размеров ниже, чем у технологий на основе фотополимеризации (SLA, DLP).
Необходимость поддержек. Для нависающих элементов требуются опорные структуры, которые удаляются после печати, что увеличивает время и расход материала.
Выделение запахов и вредных веществ. При печати ABS, нейлона и некоторых других материалов выделяются летучие органические соединения, требующие вентиляции.

Применение

FDM-печать используется в различных отраслях:

Прототипирование. Быстрое создание макетов, функциональных прототипов и мастер-моделей для литья.
Мелкосерийное производство. Изготовление конечных изделий (деталей машин, корпусов приборов, оснастки, инструментов) в небольших количествах.
Образование. Используется в школах, университетах и кружках для обучения 3D-моделированию, инженерии и дизайну.
Медицина. Создание анатомических моделей для планирования операций, индивидуальных ортопедических стелек, протезов и хирургических шаблонов.
Архитектура и дизайн. Изготовление архитектурных макетов, интерьерных объектов, сувениров.
Автомобилестроение и авиастроение. Производство лёгких, сложных по форме деталей, оснастки для сборки, ремонтных вставок.

Интересные факты

Термин «FDM» является зарегистрированной торговой маркой компании Stratasys. Для обозначения технологии вне бренда часто используется аббревиатура FFF (Fused Filament Fabrication — изготовление из расплавленной нити), введённая сообществом RepRap.
Первый в мире FDM-принтер, Stratasys 3D Modeler, был выпущен в 1992 году.
Максимальный размер детали, напечатанной на промышленном FDM-принтере, может достигать нескольких метров (например, на принтерах Big Area Additive Manufacturing — BAAM).
В России FDM-печать активно применяется в судостроении (например, для создания мастер-моделей и оснастки), а также в производстве деталей для беспилотных летательных аппаратов.

Источники

Gibson, I., Rosen, D., Stucker, B. (2015). Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing. Springer.
Redwood, B., Schöffer, F., Garret, B. (2017). The 3D Printing Handbook: Technologies, design and applications. 3D Hubs.
ГОСТ Р 57558-2017 «Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. Часть 1. Термины и определения».
Материалы открытых лекций и публикаций сообщества RepRap (reprap.org).

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →