Аннотация:Фабрикация расплавленных нитей (FFF) - это процесс аддитивного производства (AM), который создает трехмерные объекты путем выборочного отложения плавленого термопластического материала слой за слоем.В данном руководстве представлено подробное исследование технологии FFF, включая его основные принципы, вариации процесса, соображения по проектированию, материалы, методы послепереработки и различные приложения.Он служит авторитетным справочником для инженеров, дизайнеров и производителей, стремящихся понять и использовать эту широко доступную технологию производства.
1Введение в производство расплавленных нитей
Изготовление из расплавленных нитей (FFF),также известный как моделирование расплавленного осаждения (FDM) - термин, зарегистрированный компанией Stratasys - является одной из наиболее распространенных и доступных технологий производства добавок сегодняОсновной принцип FFF заключается в нагревании термопластической нити до ее точки плавления и экструдировании ее через сопла в контролируемом рисунке, создавая объект слой за слоем.Эта технология относится к более широкой категории материалов экструзионного аддитивного производства, как определено ASTM International.
История FFF переплетается с FDM, который был изобретен и запатентован доктором С. Скотом Крампом в конце 1980-х годов.После истечения ключевых патентов и роста проекта RepRap (Replicating Rapid Prototyper) с открытым исходным кодом, технология стала широко доступной для общественности, что привело к принятию непатентованного термина "изготовление из расплавленных нитей" или его синонима "изготовление из расплавленных нитей (FFF) ".Эта демократизация стимулировала инновации и сделала FFF одним из самых популярных и недорогих методов 3D-печати как для любителей, так и для профессионалов.
FFF отличается простотой работы, широким выбором материалов и экономической эффективностью для прототипирования и малого объема производства.Чтобы понять его полный потенциал, необходимо глубоко погрузиться в механику процесса., ограничения дизайна, и продолжающиеся достижения, которые продолжают расширять его возможности.
2Процесс ФФФ: поэтапный анализ
Процесс FFF можно систематически разделить на три основных этапа: предварительная обработка, печать и последующая обработка.
2.1. Предварительная обработка (цифровая подготовка)
Этот этап включает подготовку цифровой модели для печати. Он начинается с создания 3D-модели, как правило, в формате файла STL или OBJ,который представляет внешнюю геометрию объекта с помощью сетки треугольниковЭта модель затем импортируется в программное обеспечение для разрезания. Программное обеспечение разрезает 3D-модель на тонкие горизонтальные слои (обычно толщиной от 0,05 до 0,3 мм) и генерирует G-код,набор инструкций, диктующих движения принтера, включая пути инструментов как для модели, так и для любых необходимых конструкций опоры, температуры печати и скорости печати.
2.2. Печать (процесс изготовления)
Фактический процесс печати точно следует инструкциям G-кода:
Питание нитей: твердое термопластическое нить, обычно закрученное на катушке, подается в экструдерную установку принтера механизмом привода.
Нагрев и плавление: Филамент проходит в нагретую соску (или сжижитель), где он нагревается до полужидкого состояния, чуть выше температуры стеклянного перехода.
Экструзия и осаждение: расплавленный материал проталкивается через тонкий сосуд (диаметры обычно варьируются от 0,2 до 0.8 мм) и откладывается на платформу построения вдоль пути инструмента, определенного для текущего слоя.
Консолидация слоя: экструдированный материал сливается с ранее отложенным слоем при контакте, затвердевая при охлаждении.Платформа построения затем опускается (или голова печати поднимается) на один уровень высоты, и процесс повторяется до тех пор, пока объект не будет завершен.
2.3Послеоборот
После печати может потребоваться несколько шагов:
Удаление опоры: для моделей с выступами или сложной геометрией опоры печатаются одновременно с использованием отдельного, часто растворимого в воде или отрывающегося материала.После завершения печати их необходимо удалять вручную или растворять в растворе..
Поверхностная отделка: детали могут подвергаться отделке для улучшения эстетики или функции.или химическое сглаживание парами для уменьшения видимости линий слоев.
3Критические соображения по проектированию ФФФ
Проектирование деталей для FFF требует понимания возможностей и ограничений процесса для обеспечения печатаемости и функциональности.
Высота слоя: это определяет вертикальное разрешение печати.
Ориентация: ориентация деталя на плитке конструкции критически влияет на его прочность, качество поверхности и потребность в опорах.они, как правило, сильнее всего в направлении отложения слоя (плоскость X-Y) и слабее всего в вертикальном (Z) направлении из-за того, что связь между слоями является потенциальной точкой отказа..
Поддерживающие конструкции: надвигающиеся элементы за определенный угол (обычно 45 градусов и более) требуют поддержки.Проектирование с целью уменьшения выступов или включения самоподдерживающих углов может уменьшить использование материалов и повысить эффективность послепереработки.
Стены и наполнение: внешние периметры (стены) определяют оболочку части, в то время как внутренний шаблон наполнения (например, сетка, соломинка) обеспечивает внутреннюю структуру.Плотность наполнения (процент твердого материала внутри деталя) может быть регулирована в соответствии с балансовой прочностью, вес, использование материалов и время печати.
Мостообразование: FFF может печатать протяженности между двумя вертикальными опорами без подложного материала, техника, известная как мостообразование.
Толерантность и точность измерений: дизайнеры должны учитывать сокращение материала, особенно с такими материалами, как ABS, что может привести к неточности измерений и деформации.Особенности, такие как отверстия и штыки, могут потребоваться регулировать в цифровой модели для достижения желаемых конечных размеров.
4Материалы для ФФФ
Выбор материалов для FFF обширен и в основном связан с термопластиками из-за их способности неоднократно плавиться и затвердевать.
4.1. Общие нитки
Полимолочная кислота (PLA): биоразлагаемый термопластик, полученный из возобновляемых ресурсов, таких как кукурузный крахмал.но он имеет более низкую прочность и теплостойкость по сравнению с другими инженерными пластмассами.
Акрилонитрилбутадиенстирен (ABS): известный своей прочностью, долговечностью и теплостойкостью.Напечатать его сложнее, чем PLA из-за значительного сокращения и деформации, если он не напечатан в нагретой камере.
Полиамид (найлон): ценен за высокую прочность, долговечность, гибкость и устойчивость к абразию.
Поликарбонат (PC): инженерный пластик с очень высокой прочностью и теплостойкостью, но для этого требуются высокие температуры печати и закрытая камера для предотвращения деформации.
Полиэфир-эфир-кетон (PEEK): высокопроизводительный суперполимер с исключительными механическими свойствами и тепловой стабильностью, используемый в сложных аэрокосмических и медицинских приложениях.
4.2Поддерживающие материалы
Отрывные опоры: обычно изготовлены из того же основного материала, что и модель, но напечатаны с менее плотным узором для более легкого удаления.
Водорастворимые материалы: такие материалы, как поливинил-алкоголь (ПВА), растворяются в воде, что делает их идеальными для сложной внутренней геометрии, где ручное удаление невозможно.
| Материал | Ключевые свойства | Трудности с печатью | Общие применения |
| ПЛО | Легко печатается, с низким варпом, биоразлагается, хрупко. | Легко. | Прототипы, образовательные модели, нефункциональные части |
| ABS | Жесткий, прочный, термостойкий, склонный к деформации | Средний | Функциональные прототипы, корпуса, автозапчасти |
| ПЭТГ | Прочный, долговечный, хорошо устойчивый к химическим веществам и влаге | Легко до среднего | Бутылки для воды, механические части, контейнеры для пищевых продуктов |
| Нилоны | Прочный, гибкий, устойчивый к абразию, гигроскопический | Средний до твердый | Перегоны, шарниры, инструменты |
| TPU/TPE | Гибкий, эластичный, устойчивый к ударам | Средний | Прокладки, носимые изделия, амортизаторы |
5Преимущества и ограничения ФФФ
5.1. Преимущества
Расходы: FFF принтеры, особенно настольные модели, имеют низкую стоимость входа.
Разнообразие материалов: доступен широкий спектр термопластичных материалов, включая композиты с углеродным волокном, деревом или металлическими частицами для специальных свойств.
Легкость использования и безопасность: процесс чистый и не включает в себя мощные лазеры или токсичные химикаты, что делает его подходящим для офисных и домашних условий.
Быстрый прототип: позволяет быстро повторяться и визуализировать концепции дизайна.
5.2Ограничения
Анизотропные механические свойства: части по своей сути слабее между слоями (ось Z) чем внутри слоя (плоскость X-Y).
Линии слоев: видимые линии слоев приводят к эффекту "степенного шага" на изогнутых поверхностях, что может повлиять на эстетику и требует последующей обработки для гладкости.
Более низкое разрешение и точность: FFF обычно имеет более низкую точность измерений и разрешение функций по сравнению с такими технологиями, как стереолитография (SLA) или селективное лазерное сфинтерирование (SLS).
Медленная скорость изготовления: точечное осаждение материала делает FFF более медленным, чем некоторые другие процессы AM для больших твердых деталей.
Необходимость поддерживающих конструкций: это увеличивает материальные отходы, увеличивает время печати и требует дополнительного трудового труда после обработки.
6Применение технологии FFF
Многофункциональность ФФФ позволяет использовать его во многих отраслях.
Быстрый прототип: самое традиционное приложение, позволяющее дизайнерам и инженерам создавать физические модели для быстрого и недорогого тестирования формы, соответствия и функции.
Производственные вспомогательные устройства: ФФФ используется для изготовления конструкций, приспособлений и инструментов на заказ для сборочных линий, что может сократить время и затраты на производство.
Образование: низкая стоимость и простота работы делают ФФФ отличным инструментом для образования в области STEM, способствуя творчеству и практическому обучению в области проектирования и инженерии.
Медицинское и стоматологическое: применяются анатомические модели для планирования хирургических операций, индивидуальные протезы и вспомогательные устройства.
Части для конечного использования: с высокопроизводительными материалами и оптимизированными параметрами печати, FFF все чаще используется для производства малого объема конечных продуктов, особенно в аэрокосмической, автомобильной,и потребительских товаров.
