Технология FDM/FFF: послойное наплавление в 3D-печати

Технология FDM/FFF: послойное наплавление в 3D-печати

Общее описание

Моделирование с помощью послойного наплавления (англ. Fused Deposition Modeling, FDM) — один из наиболее распространённых способов аддитивного производства, используемый для создания трёхмерных объектов как в промышленности, так и в быту. Альтернативное название — Fused Filament Fabrication (FFF), которое применяется сообществом open-source в обход торговой марки FDM, принадлежащей компании Stratasys.

Суть метода заключается в том, что объект формируется за счёт последовательного нанесения расплавленного термопластика по контурам цифровой 3D-модели. Пластик подаётся в виде прутка или нити с катушки, нагревается до температуры плавления, после чего экструдируется через сопло.

Происхождение технологии

Метод был разработан Скоттом Трампом в конце 1980-х годов и стал доступен на рынке с 1990 года благодаря компании Stratasys. С течением времени, особенно после окончания срока действия патента, технология стала популярной в DIY-сообществе и среди производителей недорогих 3D-принтеров с открытым исходным кодом, таких как принтеры на базе RepRap.

Процесс печати

Цикл начинается с цифровой 3D-модели, которую преобразуют в формат STL и «разрезают» на горизонтальные слои с помощью слайсера. При необходимости добавляются поддерживающие структуры, особенно если в модели присутствуют нависающие элементы.

Современные устройства могут печатать несколькими типами пластика за один сеанс — это позволяет, например, использовать один материал для основной детали и другой, растворимый, для опор. Также возможна печать в разных цветах.

Пластиковая нить разматывается с катушки и подаётся в экструдер, где проходит через нагреватель, плавится и выдавливается через сопло. Расплавленный материал выкладывается слоями, быстро затвердевает, формируя жёсткую структуру. Для стабильной работы термопрофиля часть экструдера охлаждается вентилятором, создавая температурный градиент.

Конструкция принтера

Сопло экструдера перемещается по заданной траектории при помощи шаговых моторов или сервоприводов, согласно координатам, рассчитанным CAD-системой. Наиболее часто используется декартова система координат с осями X, Y и Z. В альтернативных конструкциях, таких как дельта-принтеры, применяется цилиндрическая система координат.

Материалы

FDM-принтеры поддерживают широкий спектр термопластиков и композитов. К наиболее популярным относятся PLA, ABS, полиамиды, поликарбонаты, полистирол и современные биопластики. Каждый материал имеет свои уникальные характеристики, включая прочность, гибкость, устойчивость к температурам или агрессивным средам.

Применение

Метод FDM активно используется для:

• быстрого прототипирования — позволяет в короткие сроки тестировать и модифицировать дизайн изделий;

• малосерийного производства — даёт экономичную альтернативу традиционному литью;

• домашней печати — всё более доступные бытовые 3D-принтеры используются для создания функциональных предметов, деталей, сувениров и даже элементов декора.

Некоторые высокотемпературные полимеры, применяемые в FDM-печати, например, полиэфиримид или полифенилсульфон, находят применение в авиа- и космической промышленности за счёт их огнестойкости и стабильности при высоких температурах.