+7 (495) 12-52-082    +7 (968) 091-58-04     info@GeoPoligon.ru

УСЛУГИ ПО 3D ПЕЧАТИ

ТЕХНОЛОГИЯ FDM

Трехмерная печать прочных деталей из настоящего термопластика

 

Технология послойного наложения расплавленной полимерной нити (Fused Deposition Modeling — FDM) — это мощный метод аддитивного производства, запатентованный компанией Stratasys.

 

 

Технология FDM позволяет создавать модели, функциональные прототипы и конечные детали из стандартных, конструкционных и высокоэффективных термопластиков. Это единственная технология профессиональной трехмерной печати, использующая термопластики производственного класса, обеспечивающие непревзойденную механическую, термическую и химическую прочность деталей.

 

Изобретение технологии FDM

 

Основатель компании Stratasys Скотт Крамп (Scott Crump) изобрел технологию FDM более 20 лет назад. С тех пор компания Stratasys продолжает революцию в трехмерной печати, разрабатывая ряд систем, привлекательных для крупных производителей, дизайнеров, инженеров, преподавателей и других специалистов.

 

Принцип работы FDM

 

3D-принтеры, работающие на основе технологии FDM, создают детали слой за слоем, нагревая термопластичный материал до полужидкого состояния и выдавливая его в соответствии с путями, задаваемыми на компьютере.

Для выполнения задания печати технология FDM использует два материала: материал для моделирования, из которого будет состоять готовый компонент, и вспомогательный материал, используемый для поддержки. Нити материала подаются из отсеков для материалов 3D-принтера в печатающую головку, которая перемещается с изменением координат X и Y, наплавляя материал для создания каждого слоя, пока основание не сместится вниз по оси Z и не начнется следующий слой.

Когда 3D-принтер завершает создание детали, пользователь отделяет вспомогательный материал или растворяет его в водном растворе моющего средства, после чего деталь готова к использованию.

 

Преимущества технологии FDM

 

Печать с помощью технологии FDM отличается чистотой, простотой в использовании и пригодна для применения в офисах. Детали из термопластика устойчивы к нагреванию, химическим реагентам, влажной или сухой среде и механическим нагрузкам. Растворимые вспомогательные материалы позволяют создавать сложные геометрические формы и полости, которые было бы сложно получить традиционными методами производства.

 

Моделирование методом послойного наплавления (англ. Fused deposition modeling (FDM)) — технология аддитивного производства, широко используемая при создании трехмерных моделей, при прототипировании и в промышленном производстве.

 

Технология FDM подразумевает создание трехмерных объектов за счет нанесения последовательных слоев материала, повторяющих контуры цифровой модели. Как правило, в качестве материалов для печати выступают термопластики, поставляемые в виде катушек нитей или прутков.

 

Технология FDM была разработана С. Скоттом Трампом в конце 1980-х и вышла на коммерческий рынок в 1990 году.

 

Оригинальный термин «Fused Deposition Modeling» и аббревиатура FDM являются торговыми марками компании Stratasys. Энтузиасты 3D-печати, участники проекта RepRap, придумали аналогичный термин «Fused Filament Fabrication» («Производство методом наплавления нитей») или FFF для использования в обход юридических ограничений. Термины FDM и FFF эквивалентны по смыслу и назначению.

 

 

FDM принтер производства Airwolf, основанный на RepRap дизайне с открытым исходным кодом Prusa Mendel

 

История

 

Технология печати методом послойного наплавления (FDM) была разработана С. Скоттом Трампом в конце 1980-х и представлена на рынке компанией Stratasys, начиная с 1990. На данный момент технология получает все большее распространение среди энтузиастов, создающих принтеры с открытым исходным кодом, а также коммерческих компаний, ввиду истечения срока действия оригинального патента. В свою очередь, широкое распространение технологии привело к существенному снижению цен на 3D-принтеры, использующие данный метод производства.

 

Процесс

 

Производственный цикл начинается с обработки трехмерной цифровой модели. Модель в формате STL делится на слои и ориентируется наиболее подходящим образом для печати. При необходимости генерируются поддерживающие структуры, необходимые для печати нависающих элементов. Некоторые устройства позволяют использовать разные материалы во время одного производственного цикла. Например, возможна печать модели из одного материала с печатью опор из другого, легкорастворимого материала, что позволяет с легкостью удалять поддерживающие структуры после завершения процесса печати. Альтернативно, возможна печать разными цветами одного и того же вида пластика при создании единой модели.

 

 

Экструдер (1) перемещается в горизонтальной и вертикальной плоскостях и создаёт модель слой за слоем (2) на платформе (3)

 

Изделие, или «модель», производится выдавливанием («экструзией») и нанесением микрокапель расплавленного термопластика с формированием последовательных слоев, застывающих сразу после экструдирования.

 

Пластиковая нить разматывается с катушки и скармливается в экструдер — устройство, оснащенное механическим приводом для подачи нити, нагревательным элементом для плавки материала и соплом, через которое осуществляется непосредственно экструзия. Нагревательный элемент служит для нагревания сопла, которое в свою очередь плавит пластиковую нить и подает расплавленный материал на строящуюся модель. Как правило, верхняя часть сопла наоборот охлаждается с помощью вентилятора для создания резкого градиента температур, необходимого для обеспечения плавной подачи материала.

 

Экструдер перемещается в горизонтальной и вертикальной плоскостях под контролем алгоритмов, аналогичных используемым в станках с числовым программным управлением. Сопло перемещается по траектории, заданной системой автоматизированного проектирования («САПР» или «CAD» по англоязычной терминологии). Модель строится слой за слоем, снизу вверх. Как правило, экструдер (также называемый «печатной головкой») приводится в движение пошаговыми моторами или сервоприводами. Наиболее популярной системой координат, применяемой в FDM, является Декартова система, построенная на прямоугольном трехмерном пространстве с осями X, Y и Z. Альтернативой является цилиндрическая система координат, используемая так называемыми «дельта-роботами».

 

Технология FDM отличается высокой гибкостью, но имеет определенные ограничения. Хотя создание нависающих структур возможно при небольших углах наклона, в случае с большими углами необходимо использование искусственных опор, как правило, создающихся в процессе печати и отделяемых от модели по завершении процесса.

 

В качестве расходных материалов доступны всевозможные термопластики и композиты, включая ABS, PLA, поликарбонаты, полиамиды, полистирол, лигнин и многие другие. Как правило, различные материалы предоставляют выбор баланса между определенными прочностными и температурными характеристиками.

 

Применение

 

Моделирование методом послойного наплавления (FDM) применяется для быстрого прототипирования и быстрого производства. Быстрое прототипирование облегчает повторное тестирование с последовательной, пошаговой модернизацией объекта. Быстрое производство служит в качестве недорогой альтернативы стандартным методам при создании мелкосерийных партий.

 

FDM является одним из наименее дорогих методов печати, что обеспечивает растущую популярность бытовых принтеров, основанных на этой технологии. В быту 3D-принтеры, работающие по технологии FDM, могут применяться для создания самых разных объектов целевого назначения, игрушек, украшений и сувениров.

 

Расходные материалы

 

FDM-принтеры предназначены для печати термопластиками, которые обычно поставляются в виде тонких нитей, намотанных на катушки. Ассортимент «чистых» пластиков весьма широк. Одним из наиболее популярных материалов является полилактид или «PLA-пластик». Этот материал изготавливается из кукурузы или сахарного тростника, что обуславливает его нетоксичность и экологичность, но делает его относительно недолговечным. ABS-пластик, наоборот, очень долговечен и износоустойчив, хотя и восприимчив к прямому солнечному свету и может выделять небольшие объемы вредных испарений при нагревании. Из этого материала производятся многие пластиковые предметы, которыми мы пользуемся на повседневной основе: корпуса бытовых устройств, сантехника, пластиковые карты, игрушки и т.д.

 

Кроме PLA и ABS возможна печать нейлоном, поликарбонатом, полиэтиленом и многими другими термопластиками, широко распространенными в современной промышленности. Возможно и применение более экзотичных материалов – таких, как поливиниловый спирт, известный как «PVA-пластик». Этот материал растворяется в воде, что делает его весьма полезным при печати моделей сложной геометрической формы.

 

Вовсе необязательно печатать однородными пластиками. Возможно и применение композитных материалов, имитирующих древесину, металлы, камень. Такие материалы используют все те же термопластики, но с примесями непластичных материалов. Так, Laywoo-D3 состоит отчасти из натуральной древесной пыли, что позволяет печатать «деревянные» изделия, включая мебель.

 

Материал под названием BronzeFill имеет наполнитель из настоящей бронзы, а изготовленные из него модели поддаются шлифовке и полировке, достигая высокой схожести с изделиями из чистой бронзы.

 

Стоит лишь помнить, что связующим элементом в композитных материалах служат термопластики – именно они и определяют пороги прочности, термоустойчивости и другие физические и химические свойства готовых моделей.

 

Моделирование методом послойного наплавления (англ. Fused deposition modeling (FDM))– технология аддитивного производства, широко используемая при создании трехмерных моделей, при прототипировании и в промышленном производстве.

 

Технология FDM подразумевает создание трехмерных объектов за счет нанесения последовательных слоев материала, повторяющих контуры цифровой модели. Как правило, в качестве материалов для печати выступают термопластики, поставляемые в виде катушек нитей или прутков.

 

Технология FDM была разработана С. Скоттом Трампом в конце 1980-х и вышла на коммерческий рынок в 1990 году.

 

Оригинальный термин «Fused Deposition Modeling» и аббревиатура FDM являются торговыми марками компании Stratasys. Энтузиасты 3D-печати, участники проекта RepRap, придумали аналогичный термин «Fused Filament Fabrication» («Производство методом наплавления нитей») или FFF для использования в обход юридических ограничений. Термины FDM и FFF эквивалентны по смыслу и назначению.

 

История

 

Технология печати методом послойного наплавления (FDM) была разработана С. Скоттом Трампом в конце 1980-х и представлена на рынке компанией Stratasys, начиная с 1990. На данный момент технология получает все большее распространение среди энтузиастов, создающих принтеры с открытым исходным кодом, а также коммерческих компаний, ввиду истечения срока действия оригинального патента. В свою очередь, широкое распространение технологии привело к существенному снижению цен на 3D-принтеры, использующие данный метод производства.

 

Моделирование методом послойного наплавления (FDM)

 

FFF принтер производства Heacenth,
основанный на RepRap дизайне с открытым
исходным кодом Prusa Mendel

 

Моделирование методом послойного наплавления (англ. Fused deposition modeling (FDM))– технология аддитивного производства, широко используемая при создании трехмерных моделей, при прототипировании и в промышленном производстве.

 

Технология FDM подразумевает создание трехмерных объектов за счет нанесения последовательных слоев материала, повторяющих контуры цифровой модели. Как правило, в качестве материалов для печати выступают термопластики, поставляемые в виде катушек нитей или прутков.

 

Технология FDM была разработана С. Скоттом Трампом в конце 1980-х и вышла на коммерческий рынок в 1990 году.

 

Оригинальный термин «Fused Deposition Modeling» и аббревиатура FDM являются торговыми марками компании Stratasys. Энтузиасты 3D-печати, участники проекта RepRap, придумали аналогичный термин «Fused Filament Fabrication» («Производство методом наплавления нитей») или FFF для использования в обход юридических ограничений. Термины FDM и FFF эквивалентны по смыслу и назначению.

 

История

 

Технология печати методом послойного наплавления (FDM) была разработана С. Скоттом Трампом в конце 1980-х и представлена на рынке компанией Stratasys, начиная с 1990. На данный момент технология получает все большее распространение среди энтузиастов, создающих принтеры с открытым исходным кодом, а также коммерческих компаний, ввиду истечения срока действия оригинального патента. В свою очередь, широкое распространение технологии привело к существенному снижению цен на 3D-принтеры, использующие данный метод производства.

 

Процесс

 

Производственный цикл начинается с обработки трехмерной цифровой модели. Модель в формате STL делится на слои и ориентируется наиболее подходящим образом для печати. При необходимости генерируются поддерживающие структуры, необходимые для печати нависающих элементов. Некоторые устройства позволяют использовать разные материалы во время одного производственного цикла. Например, возможна печать модели из одного материала с печатью опор из другого, легкорастворимого материала, что позволяет с легкостью удалять поддерживающие структуры после завершения процесса печати. Альтернативно, возможна печать разными цветами одного и того же вида пластика при создании единой модели.

 

Изделие, или «модель», производится выдавливанием («экструзией») и нанесением микрокапель расплавленного термопластика с формированием последовательных слоев, застывающих сразу после экструдирования.

 

Пластиковая нить разматывается с катушки и скармливается в экструдер – устройство, оснащенное механическим приводом для подачи нити, нагревательным элементом для плавки материала и соплом, через которое осуществляется непосредственно экструзия. Нагревательный элемент служит для нагревания сопла, которое в свою очередь плавит пластиковую нить и подает расплавленный материал на строящуюся модель. Как правило, верхняя часть сопла наоборот охлаждается с помощью вентилятора для создания резкого градиента температур, необходимого для обеспечения плавной подачи материала.

 

 

Схема работы типичного FDM принтера

 

Экструдер перемещается в горизонтальной и вертикальной плоскостях под контролем алгоритмов, аналогичных используемым в станках с числовым программным управлением. Сопло перемещается по траектории, заданной системой автоматизированного проектирования («САПР» или «CAD» по англоязычной терминологии). Модель строится слой за слоем, снизу вверх. Как правило, экструдер (также называемый «печатной головкой») приводится в движение пошаговыми моторами или сервоприводами. Наиболее популярной системой координат, применяемой в FDM, является Декартова система, построенная на прямоугольном трехмерном пространстве с осями X, Y и Z. Альтернативой является цилиндрическая система координат, используемая так называемыми «дельта-роботами».

 

Технология FDM отличается высокой гибкостью, но имеет определенные ограничения. Хотя создание нависающих структур возможно при небольших углах наклона, в случае с большими углами необходимо использование искусственных опор, как правило, создающихся в процессе печати и отделяемых от модели по завершении процесса.

 

В качестве расходных материалов доступны всевозможные термопластики и композиты, включая ABS, PLA, поликарбонаты, полиамиды, полистирол, лигнин и многие другие. Как правило, различные материалы предоставляют выбор баланса между определенными прочностными и температурными характеристиками.

 

Применение

 

 

Экструдер для FFF принтера Printrbot

 

Моделирование методом послойного наплавления (FDM) применяется для быстрого прототипирования и быстрого производства. Быстрое прототипирование облегчает повторное тестирование с последовательной, пошаговой модернизацией объекта. Быстрое производство служит в качестве недорогой альтернативы стандартным методам при создании мелкосерийных партий.

 

Среди используемых материалов числятся ABS, полифенилсульфон, поликарбонат и полиэфиримид. Эти материалы ценятся за термостойкость. Некоторые варианты полиэфиримида, в частности, обладают высокой огнеупорностью, что делает их пригодными для использования в аэрокосмической отрасли.

 

FDM является одним из наименее дорогих методов печати, что обеспечивает растущую популярность бытовых принтеров, основанных на этой технологии. В быту 3D-принтеры, работающие по технологии FDM, могут применяться для создания самых разных объектов целевого назначения, игрушек, украшений и сувениров.

 

Технология FDM (Моделирование методом послойного наплавления) позволяет сократить временные и финансовые затраты на разработку БПЛА.

 

Мелким предприятиям и компаниям не под силу создать беспилотный летательный аппарат традиционными производственными методами.

 

Сравнение возможностей 3D печати и традиционных методов прототипирования БПЛА

 

 

Метод   

Финансовые затраты

Срок реализации

Литьевое прессование с последующей обработкой на ЧПУ станке типа CNC

10 000 000 руб

14 месяцев

Моделирование деталей методом послойного наплавления (FDM)

4 120 000 руб

8 месяцев

ЭКОНОМИЯ

5 880 000 руб (~ 59%)

6 месяцев (43%)

 

Использование традиционных производственных методов, таких как литьевое прессование, может обойтись компании в баснословную сумму (до 10 000 000 руб) и потребуется еще 6 месяцев на подготовку пресс-форм для изготовления компонентов фюзеляжа аппарата. Если же потребуется внести изменения в конструкцию фюзеляжа уже после изготовления пресс-форм, то Вам придется вкладывать еще больше сил, времени и денежных средств для их модификации. Крупные изменения в создаваемом аппарате приведут к задержкам, сдвигу сроков исполнения и дополнительным вливаниям финансов.

 

После изучения нескольких технологий печати, стало ясно, что с помощью моделирования методом послойного наплавления можно создать пластиковые компоненты, полностью соответствующие всем механическим требованиям к корпусу БПЛА.

 

Ключевые пластиковые компоненты БПЛА могут быть изготовлены в течение 48 часов, в то время как для печати более мелких потребуется в среднем 6 часов.

 

Использование одного принтера для изготовления прототипов и печати конечной продукции сокращает предварительные инвестиции и позволяет компании создавать БПЛА без механической мастерской.

 

Пластиковые элементы, необходимые для прототипов и 8 аппаратов, обойдутся в 4 120 000 руб и будут выполнены за 8 месяцев.

 

В течение проекта приходится вносить до 200 изменений: от усиления структуры силового каркаса БПЛА до изменений в аэродинамике. Каждый элемент БПЛА может подвергнуться как минимум 4 изменениям. Технология FDM дает гибкость при реализации этих изменений и позволяет избежать временных и финансовых затрат.

 

 

На рисунке  представлены напечатанные элементы БПЛА (слева направо): шасси аппарата, корпус для защиты электронных элементов аппарата, крышка бокса для источника питания БПЛА.

 

Создание БПЛА с помощью 3D-принтера: от идеи до полета - за одну ночь!

 

Технология 3D печати позволяет создавать единичные изделия очень быстро и дешево, поэтому неудивительно, что её уже начали применять в области Беспилотных Авиационных Систем. Однако инженеры из университета Проектирования Перспективного Производственного Оборудования в городе Шеффилд (Великобритания) пошли еще дальше. С помощью 3D принтера они изготовили беспилотный планер. Его особенность заключается в том, что он был разработан, с целью минимизировать количество материала, необходимого для его изготовления. Более того, чтобы его напечатать и отправить на первое задание потребуется всего лишь один день.

 

 

Этот составной планер был изготовлен из АБС пластика с помощью принтера Fortus 900mc от компании Stratasys по технологии Моделирования методом послойного наплавления (FDM).  Разработчики выбрали данный метод за низкую стоимость первоначальных инвестиций, стоимость материалов и упрощенный производственный процесс.

 

Однако существует проблема, которая может сильно увеличить стоимость БПЛА, изготавливаемого с использованием подобного метода.  Суть в том, что при печати элементов БПЛА необходимо также печатать и поддерживающие структуры, которые призваны сберечь создаваемое изделие от деформации. Эти поддерживающие структуры (которые, к слову, можно убрать сразу после завершения печати) существенно увеличивают как суммарные затраты на материалы, так и время изготовления.

 

Чтобы решить данную проблему, команда инженеров спроектировала все элементы БПЛА без применения поддерживающих структур. В результате, все 9 элементов планера могут быть изготовлены за один раз, менее чем за 24 часа. До оптимизации на это могло уйти до 120 часов.

 

Планер можно вручную разобрать на два основных крыла, что облегчает его транспортировку. В собранном состоянии размах крыльев данного аппарата составляет 1,5 метра, а вес – менее 2 кг (в счет не идут мотор и электроника, которые должны быть добавлены конечным пользователем).

 

В данный момент инженеры планируют вторую версию аппарата, с большим размахом крыла, большей продолжительностью полета, большей скоростью и увеличенной грузоподъёмностью. Разработчики утверждают, что в мире нет другого БПЛА подобного класса, который был бы изготовлен с помощью технологии FDM на все 100% за такой короткий промежуток времени.