PodsumowanieFused Filament Fabrication (FFF) to proces produkcji dodatków (AM), który buduje obiekty trójwymiarowe poprzez selektywne odkładanie stopionego materiału termoplastycznego warstwę po warstwie.Niniejszy przewodnik zawiera szczegółowe badanie technologii FFF, obejmujące jego podstawowe zasady, odmiany procesu, rozważania projektowe, materiały, techniki przetwarzania i różnorodne zastosowania.Jest autorytatywnym źródłem informacji dla inżynierów., projektantów i producentów, którzy chcą zrozumieć i wykorzystać tę szeroko dostępną technologię produkcyjną.
1Wprowadzenie do produkcji włókien stopionych
Wyroby z włókien stopionych (FFF),znany również jako Fused Deposition Modeling (FDM) termin zastrzeżony przez Stratasys jest jedną z najbardziej rozpowszechnionych i dostępnych technologii produkcji dodatkówPodstawowa zasada FFF polega na podgrzewaniu włókna termoplastycznego do jego punktu topnienia i wytłaczaniu go przez dyszę w kontrolowanym wzorze, tworząc warstwę obiektu na warstwie.Technologia ta należy do szerszej kategorii wytwarzania dodatków wytłaczania materiałów, zgodnie z definicją ASTM International.
Historia FFF jest powiązana z FDM, który został wynaleziony i opatentowany przez dr S. Scotta Crump'a pod koniec lat 80.Po wygaśnięciu kluczowych patentów i wzroście projektu open-source RepRap (Replicating Rapid Prototyper), technologia stała się powszechnie dostępna dla publiczności, co doprowadziło do przyjęcia niepatentowego terminu "Fused Filament Fabrication" lub jego synonimu "Fused Filament Fabrication (FFF) ".Demokratyzacja ta pobudziła innowacje i sprawiła, że FFF jest jedną z najpopularniejszych i najtańszych metod drukowania 3D zarówno dla hobbystów, jak i profesjonalistów.
FFF wyróżnia się prostotą obsługi, szerokim wyborem materiałów oraz efektywnością kosztową w zakresie tworzenia prototypów i produkcji małych tomów.Zrozumienie jego pełnego potencjału wymaga głębokiego zanurzenia się w jego mechanikach procesów., ograniczeń projektowych i ciągłych postępów, które nadal poszerzają jego możliwości.
2Proces FFF: stopniowy rozkład
Proces FFF można systematycznie podzielić na trzy główne etapy: przetwarzanie wstępne, drukowanie i przetwarzanie późniejsze.
2.1. Wstępne przetwarzanie (przygotowanie cyfrowe)
W tym etapie przygotowuje się model cyfrowy do druku.który reprezentuje zewnętrzną geometrię obiektu za pomocą siatki trójkątówTen model jest następnie importowany do oprogramowania do cięcia. Oprogramowanie kroi model 3D na cienkie warstwy poziome (zwykle o grubości od 0,05 do 0,3 mm) i generuje kod G,zestaw instrukcji dyktujących ruchy drukarki, w tym ścieżki narzędzi zarówno dla modelu, jak i wszelkich niezbędnych konstrukcji nośnych, temperatury druku i prędkości druku.
2.2. Drukowanie (proces produkcji)
W rzeczywistości proces drukowania następuje zgodnie z instrukcjami kodu G:
Wprowadzenie włókna: Solidne włókno termoplastyczne, zazwyczaj zwinięte na cewce, jest wprowadzane do zespołu wytłaczacza drukarki za pomocą mechanizmu napędowego.
Podgrzewanie i topienie: włókno przechodzi do podgrzewanej dyszy (lub skraplacza), gdzie jest podgrzewane do stanu półpłynnego, tuż powyżej temperatury przejścia szklanej.
Ekstruzja i osadzenie: stopiony materiał jest przymuszany przez cienką dyszę (średnicy zwykle wahają się od 0,2 do 0.8 mm) i osadzone na platformie budowlanej wzdłuż ścieżki narzędzi określonej dla bieżącej warstwy.
Zestawienie warstwy: Ekstruowany materiał po kontakcie z wcześniej osadzoną warstwą stopi się, utwardzając się przez chłodzenie.Platforma budowlana następnie obniża (lub głowa druku podnosi) o jedną wysokość warstwy, a proces powtarza się, aż obiekt zostanie ukończony.
2.3. Po przetworzeniu
Po wydrukowaniu może być wymagane kilka kroków:
Usunięcie oporu: w przypadku modeli z nadwieszeniami lub złożonymi geometrii, konstrukcje oporowe są drukowane równocześnie przy użyciu oddzielnego, często rozpuszczalnego w wodzie lub rozpadającego się materiału.Po zakończeniu druku należy je ręcznie usunąć lub rozpuścić w roztworze.
Wykończenie powierzchniowe: Części mogą być wykończone w celu poprawy estetyki lub funkcjonalności.lub wygładzanie chemiczne parami w celu zmniejszenia widoczności linii warstwy.
3Krytyczne rozważania projektowe dla FFF
Projektowanie części do FFF wymaga zrozumienia możliwości i ograniczeń procesu w celu zapewnienia możliwości drukowania i funkcjonalności.
Wysokość warstwy: określa pionową rozdzielczość druku.
Orientacja: Orientacja części na płytce konstrukcyjnej ma istotny wpływ na jej wytrzymałość, jakość powierzchni i potrzebę oparć.są one na ogół najsilniejsze w kierunku osadzenia warstwy (płaszczyzna X-Y) i najsłabsze w kierunku pionowym (Z) ze względu na to, że wiązanie między warstwami jest potencjalnym punktem awarii.
Struktury podtrzymujące: elementy wystające poza określony kąt (zwykle 45 stopni lub więcej) wymagają podtrzymania.Zaprojektowanie w taki sposób, aby zminimalizować przechyły lub włączenie samodzielnie podnoszących się kątów może zmniejszyć zużycie materiału i poprawić wydajność przetwarzania.
Ściany i wypełnienie: zewnętrzne obwody (ściany) definiują powłokę części, podczas gdy wewnętrzny wzór wypełnienia (np. siatka, pszczoła) zapewnia wewnętrzną strukturę.Gęstość wypełnienia (odsetek materiału stałego wewnątrz części) można dostosować do wytrzymałości równowagi, waga, zużycie materiału i czas druku.
FFF może drukować przedziały pomiędzy dwoma pionowymi nośnikami bez materiału bazowego, technika znana jako bridging.
Tolerancje i dokładność wymiarów: Projektanci muszą uwzględnić kurczenie się materiału, zwłaszcza w przypadku materiałów takich jak ABS, które mogą prowadzić do niedokładności wymiarowych i wypaczenia.Funkcje takie jak otwory i szpilki mogą wymagać dostosowania w modelu cyfrowym, aby osiągnąć pożądane wymiary końcowe.
4Materiały do FFF
Wybór materiałów do FFF jest szeroki i koncentruje się przede wszystkim na termoplastykach ze względu na ich zdolność do wielokrotnego stopienia i utwardzania.
4.1. Włókna powszechne
Kwas mlekowaty (PLA): biodegradowalny termoplast pochodzący z odnawialnych źródeł, takich jak skrobi kukurydzianej.ale ma mniejszą wytrzymałość i odporność na ciepło w porównaniu z innymi tworzywami sztucznymi.
Akrylonitrylowy butadienowy styren (ABS): Znany z dobrej wytrzymałości, trwałości i odporności na ciepło.Drukowanie jest trudniejsze niż drukowanie PLA ze względu na znaczne kurczenie i wypaczanie, jeśli nie jest drukowane w podgrzewanej komorze.
Polyamid (nylon): ceniony ze względu na wysoką wytrzymałość, trwałość, elastyczność i odporność na ścieranie.
Polikarbonat (PC): tworzywo inżynieryjne o bardzo wysokiej wytrzymałości i odporności na ciepło, ale wymaga wysokich temperatur druku i zamkniętej komory, aby zapobiec wypaczeniu.
Poliether Ether Ketone (PEEK): Wysokiej wydajności superpolimer o wyjątkowych właściwościach mechanicznych i stabilności termicznej, stosowany w wymagających zastosowaniach lotniczych i medycznych.
4.2Materiały wspierające
Podtrzymania odrywające: zazwyczaj wykonane z tego samego materiału podstawowego co model, ale wydrukowane z mniej gęstym wzorem w celu łatwiejszego usuwania.
Woda rozpuszczalna: Materiały takie jak alkohol poliwinylowy (PVA) rozpuszczają się w wodzie, dzięki czemu są idealne do skomplikowanych geometrii wewnętrznych, w których ręczne usuwanie jest niemożliwe.
| Materiał | Kluczowe właściwości | Trudności z drukiem | Ogólne zastosowania |
| PLA | Łatwe do drukowania, niski warp, biodegradowalne, kruche | Łatwo. | Prototypy, modele edukacyjne, części niefunkcjonalne |
| ABS | Twardy, trwały, odporny na ciepło, podatny na wypaczenia | Średnie | Prototypy funkcjonalne, obudowy, części samochodowe |
| PETG | Wytrzymała, trwała, odporna na działanie chemiczne i wilgoć | Łatwe do średnie | Butelki na wodę, części mechaniczne, pojemniki bezpieczne dla żywności |
| Włókna włókiennicze | Wytrzymałe, elastyczne, odporne na ścieranie, higroskopowe | Średnia do twarda | Zębatki, zawiasy, narzędzia |
| TPU/TPE | Elastyczny, elastyczny, odporny na uderzenia | Średnie | Zestawy, urządzenia do noszenia, amortyzatory |
5Zalety i ograniczenia FFF
5.1Zalety
Efektywność kosztowa: drukarki FFF, zwłaszcza modele stacjonarne, mają niski koszt wejścia.
Różnorodność materiałów: Dostępne są szeroki wachlarz materiałów termoplastycznych, w tym kompozyty z włóknem węglowym, drewnem lub cząstkami metalowymi o specjalistycznych właściwościach.
Łatwość użytkowania i bezpieczeństwo: Proces ten jest czysty i nie zawiera silnych laserów ani toksycznych chemikaliów, co sprawia, że nadaje się do użytku w biurach i domach.
Szybkie prototypowanie: umożliwia szybką iterację i wizualizację koncepcji projektowych.
5.2Ograniczenia
Anizotropowe właściwości mechaniczne: Części są z natury słabsze między warstwami (osio Z) niż wewnątrz warstwy (płaszczyzna X-Y).
Linie warstwy: Widoczne linie warstwy powodują efekt "podnoszenia się po schodach" na zakrzywionych powierzchniach, co może mieć wpływ na estetykę i wymaga post-przetwarzania do gładkości.
Niższa rozdzielczość i dokładność: FFF zazwyczaj ma niższą dokładność wymiarową i rozdzielczość funkcji w porównaniu z technologiami takimi jak stereolitografia (SLA) lub selektywne sintering laserowy (SLS).
Powolne prędkości budowy: Depozycja materiału w punkcie sprawia, że FFF jest wolniejszy niż niektóre inne procesy AM dla dużych, stałych części.
Potrzeba konstrukcji wspierających: zwiększa to ilość marnotrawstwa materiału, zwiększa czas drukowania i wymaga dodatkowej pracy po przetworzeniu.
6Zastosowania technologii FFF
Wszechstronność FFF pozwala na stosowanie go w wielu branżach.
Szybkie prototypowanie: Najbardziej tradycyjne zastosowanie, pozwalające projektantom i inżynierom na szybkie i niedrogie tworzenie modeli fizycznych do testowania formy, dopasowania i funkcji.
Pomocy produkcyjne: FFF jest wykorzystywany do produkcji gipsów, urządzeń i narzędzi na zamówienie dla linii montażowych, co może skrócić czas produkcji i koszty.
Edukacja: Niskie koszty i prostotę działania sprawiają, że FFF jest doskonałym narzędziem edukacji STEM, wspierającym kreatywność i praktyczne uczenie się w zakresie projektowania i inżynierii.
Medycyna i stomatologia: zastosowania obejmują modele anatomiczne do planowania operacji, niestandardowe protezy i urządzenia pomocnicze.
Części końcowe: Dzięki materiałom o wysokiej wydajności i zoptymalizowanym parametrom druku, FFF jest coraz częściej wykorzystywany do produkcji produktów końcowych w małych ilościach, zwłaszcza w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym,i przemysłów towarów konsumenckich.
