Аннотация:Метод послойного наплавления (Fused Filament Fabrication, FFF) — это аддитивный метод производства (AM), который создает трехмерные объекты путем выборочного нанесения расплавленного термопластичного материала слой за слоем. Данное руководство содержит подробное описание технологии FFF, охватывающее ее основные принципы, вариации процесса, конструктивные соображения, материалы, методы постобработки и различные области применения. Оно служит авторитетным справочником для инженеров, дизайнеров и производителей, стремящихся понять и использовать эту широко доступную технологию производства.
1. Введение в метод послойного наплавления
Метод послойного наплавления (FFF), также широко известный как метод послойного моделирования (Fused Deposition Modeling, FDM) — термин, зарегистрированный компанией Stratasys — является одной из наиболее распространенных и доступных технологий аддитивного производства на сегодняшний день. Основной принцип FFF заключается в нагревании термопластичной нити до температуры плавления и экструзии ее через сопло по контролируемой схеме, создавая объект слой за слоем. Эта технология относится к более широкой категории аддитивного производства методом экструзии материала, как определено ASTM International.
История FFF переплетается с FDM, которая была изобретена и запатентована доктором С. Скоттом Крампом в конце 1980-х годов. После истечения срока действия ключевых патентов и появления проекта RepRap (Replicating Rapid Prototyper) с открытым исходным кодом, технология стала широко доступна для общественности, что привело к принятию непатентованного термина «метод послойного наплавления» или его синонима «метод послойного наплавления (FFF)». Эта демократизация подстегнула инновации и сделала FFF одним из самых популярных и недорогих методов 3D-печати как для любителей, так и для профессионалов.
FFF отличается простотой эксплуатации, широким выбором материалов и экономической эффективностью для прототипирования и мелкосерийного производства. Однако для понимания всего его потенциала требуется глубокое погружение в механику процесса, конструктивные ограничения и постоянные улучшения, которые продолжают расширять его возможности.
2. Процесс FFF: пошаговый разбор
Процесс FFF можно систематически разделить на три основных этапа: предварительная обработка, печать и постобработка.
2.1. Предварительная обработка (цифровая подготовка)
Этот этап включает в себя подготовку цифровой модели для печати. Он начинается с создания 3D-модели, обычно в формате файла STL или OBJ, которая представляет внешнюю геометрию объекта с использованием сетки треугольников. Затем эта модель импортируется в программу нарезки. Программное обеспечение нарезает 3D-модель на тонкие горизонтальные слои (обычно толщиной от 0,05 до 0,3 мм) и генерирует G-код, набор инструкций, которые диктуют движения принтера, включая траектории движения инструмента как для модели, так и для любых необходимых опорных конструкций, температуры печати и скорости печати.
2.2. Печать (процесс изготовления)
Фактический процесс печати точно следует инструкциям G-кода:
Подача нити: Твердая термопластичная нить, обычно намотанная на катушку, подается в узел экструдера принтера с помощью механизма приводной шестерни.
Нагрев и плавление: Нить проходит в нагретое сопло (или плавитель), где она нагревается до полужидкого состояния, чуть выше температуры стеклования.
Экструзия и нанесение: Расплавленный материал продавливается через тонкое сопло (диаметры обычно варьируются от 0,2 до 0,8 мм) и наносится на платформу сборки по траектории движения инструмента, определенной для текущего слоя.
Консолидация слоев: Экструдированный материал сплавляется с ранее нанесенным слоем при контакте, затвердевая при охлаждении. Затем платформа сборки опускается (или печатающая головка поднимается) на высоту одного слоя, и процесс повторяется до завершения объекта.
2.3. Постобработка
После печати может потребоваться несколько шагов:
Удаление опор: Для моделей с выступами или сложной геометрией опорные конструкции печатаются одновременно с использованием отдельного, часто водорастворимого или отрывного материала. Их необходимо удалить вручную или растворить в растворе после завершения печати.
Обработка поверхности: Детали могут подвергаться обработке для улучшения эстетики или функциональности. Методы включают шлифовку, полировку, грунтовку и покраску или химическое сглаживание парами для уменьшения видимости линий слоев.
3. Важные конструктивные соображения для FFF
Разработка деталей для FFF требует понимания возможностей и ограничений процесса для обеспечения возможности печати и функциональности.
Высота слоя: Это определяет вертикальное разрешение печати. Меньшая высота слоя обеспечивает более гладкие вертикальные поверхности, но увеличивает время печати.
Ориентация: Ориентация детали на платформе сборки критически влияет на ее прочность, качество поверхности и необходимость в опорах. Из-за анизотропного характера деталей FFF они, как правило, наиболее прочны вдоль направления нанесения слоя (плоскость X-Y) и наименее прочны в вертикальном (Z) направлении, поскольку межслойная связь является потенциальной точкой отказа.
Опорные конструкции: Выступающие элементы за определенным углом (обычно 45 градусов и более) требуют опор. Проектирование для минимизации выступов или включения самонесущих углов может уменьшить расход материала и повысить эффективность постобработки.
Стенки и заполнение: Внешние периметры (стенки) определяют оболочку детали, в то время как внутренняя структура заполнения (например, сетка, соты) обеспечивает внутреннюю структуру. Плотность заполнения (процент твердого материала внутри детали) можно регулировать для баланса прочности, веса, расхода материала и времени печати.
Мостовые конструкции: FFF может печатать пролеты между двумя вертикальными опорами без подстилающего материала, метод, известный как мостовая конструкция. Правильные настройки охлаждения и скорости печати имеют решающее значение для успешной мостовой конструкции.
Допуски и точность размеров: Конструкторы должны учитывать усадку материала, особенно с такими материалами, как ABS, что может привести к неточностям размеров и деформации. Такие элементы, как отверстия и штифты, могут потребовать корректировки в цифровой модели для достижения желаемых конечных размеров.
4. Материалы для FFF
Выбор материалов для FFF обширен и вращается в основном вокруг термопластов из-за их способности многократно плавиться и затвердевать.
4.1. Распространенные нити
Полимолочная кислота (PLA): Биоразлагаемый термопласт, полученный из возобновляемых ресурсов, таких как кукурузный крахмал. Он популярен благодаря простоте использования, низкой деформации и широкой цветовой гамме, но имеет меньшую прочность и термостойкость по сравнению с другими инженерными пластиками.
Акрилонитрилбутадиенстирол (ABS): Известен своей хорошей прочностью, долговечностью и термостойкостью. С ним сложнее работать при печати, чем с PLA, из-за значительной усадки и деформации, если печать не выполняется в нагретой камере.
Полиамид (нейлон): Ценится за высокую прочность, долговечность, гибкость и устойчивость к истиранию. Он гигроскопичен, требует сухого хранения.
Поликарбонат (PC): Инженерный пластик с очень высокой прочностью и термостойкостью, но требует высоких температур печати и закрытой камеры для предотвращения деформации.
Полиэфирэфиркетон (PEEK): Высокоэффективный суперполимер с исключительными механическими свойствами и термической стабильностью, используемый в сложных аэрокосмических и медицинских приложениях.
4.2. Опорные материалы
Отрывные опоры: Обычно изготавливаются из того же основного материала, что и модель, но печатаются с менее плотным рисунком для облегчения удаления.
Водорастворимые опоры: Такие материалы, как поливиниловый спирт (PVA), растворяются в воде, что делает их идеальными для сложной внутренней геометрии, где ручное удаление невозможно.
| Материал | Основные свойства | Сложность печати | Области применения |
| PLA | Легко печатать, низкая деформация, биоразлагаемый, хрупкий | Легко | Прототипы, учебные модели, нефункциональные детали |
| ABS | Прочный, долговечный, термостойкий, подвержен деформации | Средне | Функциональные прототипы, корпуса, автомобильные детали |
| PETG | Прочный, долговечный, хорошая химическая и влагостойкость | Легко до средне | Бутылки для воды, механические детали, контейнеры для пищевых продуктов |
| Нейлон | Прочный, гибкий, износостойкий, гигроскопичный | Средне-сложно | Шестерни, петли, инструменты |
| TPU/TPE | Гибкий, эластичный, ударопрочный | Средне | Прокладки, носимые устройства, амортизаторы |
5. Преимущества и ограничения FFF
5.1. Преимущества
Экономическая эффективность: Принтеры FFF, особенно настольные модели, имеют низкую стоимость входа. Стоимость материалов также относительно низкая по сравнению с другими технологиями AM.
Разнообразие материалов: Доступен широкий спектр термопластичных материалов, включая композиты с углеродным волокном, древесными или металлическими частицами для специальных свойств.
Простота использования и безопасность: Процесс чистый и не включает лазеры высокой мощности или токсичные химические вещества, что делает его подходящим для офисных и домашних условий.
Быстрое прототипирование: Это позволяет быстро повторять и визуализировать концепции дизайна.
5.2. Ограничения
Анизотропные механические свойства: Детали по своей природе слабее между слоями (ось Z), чем внутри слоя (плоскость X-Y).
Линии слоев: Видимые линии слоев приводят к эффекту «ступенчатости» на изогнутых поверхностях, что может повлиять на эстетику и потребовать постобработки для сглаживания.
Более низкое разрешение и точность: FFF, как правило, имеет более низкую точность размеров и разрешение элементов по сравнению с такими технологиями, как стереолитография (SLA) или селективное лазерное спекание (SLS).
Низкая скорость сборки: Точечное нанесение материала делает FFF медленнее, чем некоторые другие процессы AM для больших, твердых деталей.
Необходимость в опорных конструкциях: Это увеличивает отходы материала, увеличивает время печати и требует дополнительных трудозатрат на постобработку.
6. Применение технологии FFF
Универсальность FFF позволяет использовать ее в множестве отраслей.
Быстрое прототипирование: Наиболее традиционное применение, позволяющее дизайнерам и инженерам быстро и недорого создавать физические модели для тестирования формы, посадки и функциональности.
Вспомогательные средства производства: FFF используется для производства приспособлений, креплений и нестандартных инструментов для сборочных линий, что может сократить время и затраты на производство.
Образование: Низкая стоимость и простота эксплуатации делают FFF отличным инструментом для STEM-образования, способствуя творчеству и практическому обучению в области дизайна и инженерии.
Медицина и стоматология: Приложения включают анатомические модели для планирования хирургических операций, изготовление протезов на заказ и вспомогательные устройства.
Конечные детали: С использованием высокопроизводительных материалов и оптимизированных параметров печати FFF все чаще используется для мелкосерийного производства конечных продуктов, особенно в аэрокосмической, автомобильной промышленности и производстве потребительских товаров.
