Druk 3D w technologii FDM – praktyczne wskazówki

• Wytwarzanie przyrostowe przeżywa drugą młodość za sprawą drukarek 3D i zdobywa coraz szersze m.in. przemysłowe zastosowanie.

• Opisujemy najpopularniejszą metodę wykorzystywaną w tej dziedzinie, czyli FDM (Fused Deposition Modeling), która wymaga dużej wiedzy z projektowania oraz procesu drukowania.

• O wytwarzaniu addytywnym z różnych materiałów piszemy serwisie Platformy Przemysłu Przyszłości.

Ze względu na dużą popularność, na rynku istnieje wielu producentów drukarek 3D. Atrakcyjne ceny urządzeń spowodowały ich rozpowszechnienie również wśród użytkowników domowych. Wykonanie elementu w technologii FDM (ang. Fused Deposition Modeling) to wieloetapowy proces i istnieje w nim ryzyko potencjalnych komplikacji związanych z realizacją pomysłu. Mimo że technologia FDM jest najpopularniejsza, użytkownicy mają podobne problemy od lat.

Ale druk 3D to nie tylko FDM, innymi metodami są np. SLA oraz SLM. Technologie znacznie różnią się od siebie, pozwalając na drukowanie elementów z różnych materiałów (np. żywic lub proszków metali). Zaletą SLA i SLM jest bardziej dokładny wydruk. SLA, czyli stereolitografia, jest prosta w obsłudze, wymaga jednak dodatkowego stanowiska do post processingu. W technologii SLM niezbędne jest z kolei przystosowane pomieszczenie wraz ze specjalistyczną infrastrukturą, a także, tak jak w SLA, dodatkowe stanowisko do post processingu. W artykule skupię się na technologii druku 3D FDM, ale w końcowej części napiszę także o dwóch pozostałych technikach.

Jak działa technologia FDM?

FDM to metoda polegająca na nanoszeniu termoplastycznego materiału warstwa po warstwie. Filament (materiał w formie żyłki) podgrzewany jest w tzw. ekstruderze, a następnie nakładany na siebie przy pomocy głowicy. Dzięki FDM możemy tworzyć zarówno prototypy jak i części funkcjonalne. Istnieje wiele możliwości wyboru parametrów, jakie trzeba określić podczas procesu drukowania 3D – każdy z nich wpływa na jakość wykonanego elementu.

Jak przygotować trójwymiarowy model?

Zanim zaczniemy wykonywać wymarzoną geometrię, musimy pamiętać, że niekiedy konieczne będzie cięcie lub przeskalowanie (możliwe za pomocą darmowych programów). Istnieją dwa sposoby na pozyskanie trójwymiarowego modelu. Pierwszy jest trudniejszy: sami rysujemy bryłę i już na początku musimy pamiętać, że technologia FDM nie odwzoruje wszystkich szczegółów zaprojektowanego trójwymiarowego modelu. W takim przypadku warto pamiętać o innych technologiach, które opiszę dalej.

Drugie rozwiązanie? Użycie gotowego trójwymiarowego modelu. Można go zdobyć, prosząc o pomoc specjalistów. Mamy wtedy pewność, że bryła zostanie wykonana prawidłowo, ale wadą będzie dodatkowy koszt. Innym sposobem jest wykorzystanie trójwymiarowych modeli udostępnionych przez innych. Istnieje wiele stron z gotowymi bryłami, wybór elementów jest bardzo duży (możemy tak znaleźć np. zabawki dla dzieci lub ozdoby świąteczne). Model należy zapisać w odpowiednim formacie. Najpopularniejsze jest rozszerzenie .stl, które zapisuje geometrię w postaci trójkątów.

Czym jest Slicer?

Slicer to oprogramowanie umożliwiające zamianę plików z rozszerzeniem .stl na .gcode. W dużym uproszczeniu chodzi o instrukcję dla drukarki 3D. Dzięki niej głowica porusza się precyzyjnie po stole roboczym, a bryła zostaje podzielona na warstwy. W oprogramowaniu zapisuje się również parametry wydruku. Na etapie zamiany formatów plików mogą zdarzyć się problemy. Np. podczas procesu realizacji wydruk jest przerywany w tym samym miejscu, mimo kilku prób. Należy wtedy ponownie zapisać plik w formacie z rozszerzeniem .gcode lub nieco zmienić geometrię.

Slicer pozwala ustawić parametry wydruku 3D. Jednym z nich jest wysokość warstwy, to od tego parametru zależy dokładność wykonania bryły. Im niższa warstwa, tym mniej widoczne są ślady na powierzchni elementu. Wysokość warstwy jest ważna przy tworzeniu części prototypowych.

Inny ważny parametr to grubość ściany, czyli liczba warstw, jakie będzie miał model z zewnętrznej strony. To ważne ponieważ w dużej mierze ustala wytrzymałość elementu. Zazwyczaj przyjmuje się 1 mm, jednak wartość tą należy zwiększyć przy złożonych geometriach lub elementach, które powinny być wytrzymałe. Dodatkowym sposobem na poprawę właściwości mechanicznych może być zwiększenie gęstości wypełnienia, podaje się ją w procentach, co oznacza jak bardzo wypełniona jest bryła wewnątrz. Im większy procent, tym element będzie cięższy, a zarazem bardziej wytrzymały. Druk 3D z wypełnieniem stuprocentowym jest czasochłonny oraz kosztowny, ponieważ zużywa dużo filamentu. Użytkownicy zazwyczaj stosują wartość w granicach 20-30% w przypadku części nieobciążonych i 40-50% dla elementów obciążonych.

Czas druku 3D jest związany z prędkością poruszania się głowicy, jej wartość zależy od wielu czynników. Należy pamiętać, że szybko poruszająca się głowica nie zawsze pozwoli na wykonanie dobrej jakości wydruku. Parametry, jakie o tym decydują, to: rodzaj użytego materiału, grubość warstwy oraz geometria modelu.

Retrakcja to z kolei proces, który polega na zatrzymaniu i cofnięciu filamentu z dyszy głowicy. Problemy z retrakcją pojawiają się w elementach, które wymagają przejazdu głowicy bez rozprowadzania filamentu. Skutkiem ubocznym błędnie dobranej retrakcji będzie pajęczyna pomiędzy elementami lub widoczne ślady na powierzchni (tak zwane szwy). Niektóre Slicery domyślnie wprowadzają retrakcję podczas procesu druku 3D.

Inne techniki wytwarzania przyrostowego, jak SLA i SLM, szczegółowo opisujemy w portalu PrzemyslPrzyszlosci.gov.pl.

materiał sponsorowany przez Platformę Przemysłu Przyszłości