Технология FDM или FFF подразумевает создание объектов при помощи послойного нанесения расплавленного материала. FDM дословно расшифровывается - fused deposition modeling или технология послойного наплавления.
Звучит сложно, но на самом деле технология очень проста. По сути, это как клеевой пистолет с термоклеем. С одной стороны проталкивается термопластик или любой другой материал, который плавится от тепла, а потом застывает не теряя свойств. Термопластик проходит через горячее сопло, плавится и сразу застывает. Экструдер и стол приводится в движение шаговыми двигателями, в процессе передвижения оставляя за собой пластик, слой за слоем, снизу вверх, воссоздавая 3D модель.
Аналогом FDM можно назвать технологию MJM. Только в MJM используется воск или фотополимер. На печатающей головке расположено множество небольших сопел (от 96 до 448) через которые подается расплавленный воск, либо капельки фотополимера которые сразу засвечиваются лампой.
В качестве материала для изготовления моделей используется пластиковая нить. Есть 2 диаметра пластиковой нити - 1,75 и 2,85 (3мм). Принтеры, которым нужна 3мм нить, встречаются редко, в основном это Ultimaker и его клоны. Большинство принтеров для печати используют нить 1,75.
Первым материалом для 3D печати была пластиковая нить для сварки с диаметром 3мм, поэтому долгое время этот размер был стандартом для 3D печати.
3D-модель перед печатью подготавливают при помощи программы - слайсера. Слайсер разделяет модель на слои и подготавливает команды для передвижения печатной головы. Нарезанная модель может сохранятся в разных форматах, но по умолчанию используется GCode. Поэтому принтер в принципе является ЧПУ станком.
История
Метод был изобретен С. Скоттом Крампом в конце 1980 года. Патент получен в 1988 год. А уже в 1990 компания Stratasys появляется на рынке с первым промышленным 3D принтером работающим по технологии FDM.
Скотт Крамп один из основателей компании Stratasys.
Первые 3D принтеры были скорее дорогими промышленными станками предназначенными для крупных компаний. Все начало меняться в 2006 году, после основания проекта RepRap (от англ Replicating Rapid Prototyper - самовоспроизводящийся механизм для быстрого изготовления прототипов).
Первая версия RepRap 3D принтера.
Целью проекта было создания самокопирующегося 3D-принтера. В качестве рамы и направляющих использовались валы. Почти все детали соединялись печатными деталями. Экструдер и стол приводились в движение шаговыми двигателями. Исходный код был открытым. Конечно визуально он был похож на самоделку “из подручных материалов”, но работал. В принтере используется около 50% печатных деталей.
Поскольку термин FDM был запатентован компанией «Stratasys», энтузиасты 3D-печати и участники проекта RepRap придумали свой термин - FFF. Дословно расшифровывается - fused filament fabrication (производство способом наплавления нитей). Смысл остался тот же, но это помогло избежать юридических проблем.
По мере развития RepRap стали развиваться проекты на базе OpenSource (открытого исходного кода). Самым ярким представителем движения OpenSource стал MakerBot. Помимо развития своего 3D принтера MakerBot активно развивают сайт Thingiverse. На Thingiverse можно найти огромное количество бесплатных 3D моделей готовых к печати.
Основатели MakerBot Зак Смит и Бре Петтис с финальными прототипами MakerBot Cupcake.
Отдельно стоит выделить компанию Ultimaker. Если в идеологии RepRap принтер должен был воспроизводить сам себя, то Ultimaker пошли другим путем. Они разработали свой принтер из фанерных деталей вырезанных лазером. Это получалось намного быстрее и доступнее изготовления печатных деталей. В 2013 году вышел первый Ultimaker Original. Продавался он в качестве KIT - набора (собери сам).
В сеть были выложены все чертежи и наработки. Это дало возможность любому желающему закупить все нужные компоненты и электронику, заказать в любом месте резку корпуса и некоторых узлов и собрать свой принтер. А уже после сборки можно было на этом же принтере напечатать апгрейды и заменить фанерные детали пластиковыми.
Достаточно быстро у Ultimaker появилось большое и дружное сообщество. В сети было выложено множество бесплатных 3D моделей различных узлов Ultimaker Original. Появилось множество апгрейдов, убирались многие неприятные “болячки” конструкции.
Фанерный Ultimaker Original
Помимо 3D принтеров Ultimaker, на базе Replicator-G, разработали свой слайсер CURA. Благодаря своей универсальности и доступности CURA стала фаворитом среди слайсеров у 3D мейкеров. Помимо принтеров Ultimaker туда было добавлена куча готовых профилей для других 3D- принтеров. Можно легко настроить CURA для самосборного принтера.
Современная CURA
Было еще много различных проектов - больших и маленьких, но именно проекты RepRap и OpenSource позволили сделать FDM 3D-печать более доступной. Благодаря массовости стали дешевле и доступнее не только сами 3D принтеры, но и расходники к ним.
Можно конечно выделить несколько различий между FDM и FFF технологией. Основное - это наличие подогреваемой камеры, для более стабильной печати. В FFF от нее отказались, чтобы удешевить изготовление 3D принтеров и сделать их более доступными. Позже в некоторых принтерах появился закрытый корпус. Вместе с подогреваемым столом получается пассивная нагревательная камера.
Плюсы и минусы FDM
Самое главное преимущество FDM печати - это доступность. Стоимость домашнего принтера сопоставима со стоимостью смартфона. При очень ограниченном бюджете можно найти OpenSource проекты и собрать принтер самостоятельно.
Большое разнообразие моделей.
Можно легко подобрать принтер под конкретную задачу. Например Flashforge Adventurer 3, благодаря закрытому корпусу и отсутствию нагревательного стола, станет отличным подарком для ребенка. Anycubic Mega подойдет в качестве домашнего помощника для человека любящего апгрейды и эксперименты. А Raise3D Pro2 подойдет для производственных задач.
Разнообразие материалов для 3D печати.
Благодаря массовости применения, помимо стандартных ABS и PLA, стали появляться разнообразные пластики. Например, декоративные пластики с имитацией различных материалов.
Декоративные пластики, имитирующие медь и бронзу.
Инженерные - с улучшенными физико-механическими свойствами. С помощью этих материалов можно создавать функциональные изделия и прототипы.
Пример печати функциональных изделий
Или спец. пластики для специфических задач. Например выжигаемые с малой зольностью или выплавляемый воск.
Заготовка, отлитая по выжигаемой 3D модели
Но есть и минусы.
Низкая точность по сравнению с другими технологиями печати.
Расхождение с 3D-моделью обычно не более 0,1мм. Это значение зависит от механики принтера и от характеристик материала. Для обычных шестеренок и бытовых нужд такой точности вполне достаточно. Но в некоторых отраслях (например ювелирная) точность готовой модели должна быть выше.
Слоистая поверхность.
На FDM 3D-принтере невозможно получить идеально гладкую поверхность. Слои на модели можно сгладить шлифовкой, шпатлеванием или обработав растворителем.
Слева напечатанная модель на FDM 3D-принтере, а справа-та же модель после обработки.
Сферы применения
Благодаря большому разнообразию принтеров и материалов FDM 3D-печать имеет очень широкий круг применения.
Прототипирование
Самое популярное- это прототипирование. FDM печать позволила гораздо быстрее и проще создавать тестовые модели и механизмы.
От напечатанной 3D-модели до готового изделия
FDM печать позволяет быстро изготовить прототип чего угодно и оперативно внести правки.
Медицина
В медицине при помощи 3D-принтеров стали создавать удобные, дышащие ортезы для фиксации переломов.
Ортез, напечатанный на 3D-принтере.
Печатные ортезы можно зафиксировать гораздо быстрее, чем классический гипсовой повязки. Да и сам процесс менее трудоемкий и грязный.
Создание простых тяговых механических протезов. Особенно это актуально для детей. Ведь дети быстро растут и им нужно часто менять протез. Благодаря FDM печати процесс создания протеза удалось удешевить и ускорить.
Детский тяговой протез
Протезы получаются более легкие и удобные, чем изготовленные классическим методом.
Киноиндустрия
В киноиндустрии FDM печать используется для печати реквизита и элементов костюма, масок, механизмов и других элементов.
Гейша робот из фильма "Призрак в доспехах"
Иногда 3D-печать используется для создания небольших прототипов моделей в уменьшенном масштабе, для более точного расчета пропорций, постановки сцен, света и дальнейшей визуализации.
Хобби
FDM принтеры помогли упростить создание РУ моделей катеров, машинок, самолетов и запчастей для них.
РУ самолет, распечатанный на 3D принтере
Даже появились сайты с моделями радиоуправляемых самолетов, машин, адаптированных под 3D-печать.
Косплееры тоже полюбили 3D-печать благодаря разнообразию материалов и более быстрому и простому изготовлению масок, функциональных элементов, некоторых частей доспехов.
Косплей из фильма "Тихоокеанский рубеж-2"
Раньше приходилось долго и кропотливо подбирать материал, готовить выкройки, тщательно готовить поверхность к грунтовке и покраске. Теперь достаточно смоделировать 3D-модель нужного костюма, его можно даже подогнать под фигуру косплеера и распечатать. Упростилось изготовление сложных, подвижных элементов и деталей механизмов.
Макетирование
В макетировании 3D-принтер позволил в несколько раз ускорить создание сложных макетов зданий и ландшафта. Раньше многие элементы приходилось кропотливо изготавливать вручную.
Макет квартала
Трехмерная физическая модель помогает заказчику более полно увидеть будущий объект, по сравнению с цифровой средой. При необходимости можно быстро изменить макет.
Мелкосерийная печать
Если нужна небольшая партия, например брелоков с логотипом компании или штучное изделие - быстрее и дешевле будет отпечатать его на 3D- принтере.
Мелкая партия запчастей
Изготовление мастер-модели с последующий отливкой - это трудоемкий и дорогой процесс. Если деталь сложной формы с различными выступами и поднутрениями, то отливка может быть невозможна, а 3D-принтер легко справится с этой задачей.
Образование
Использование 3D-принтеров в образовательном процессе позволяет развить у учащихся образное мышление, сделать процесс обучения более наглядным. На бумаге сложно заметить изъяны детали, а создав тестовую деталь можно наглядно увидеть все недостатки.
Дети собирают 3D-принтер
В робототехнике 3D-принтер позволяет быстро создавать различные механизмы и простых роботов.
Ребенок собирает робота в кружке робототехники
3D-печать становится популярна для создания наглядных пособий. Например, для слабовидящих или слепых детей. Они “видят” руками, и благодаря напечатанным 3D-моделям могут более полно воспринимать информацию.
Для дома
Дома 3D-принтер может оказаться не просто игрушкой, а полезным инструментом. Например, для ремонта бытовой техники. В некоторых бытовых приборах от нагрузки стираются или ломаются пластиковые шестерни. С помощью 3D-печати можно легко изготовить замену.
Напечатанные и оригинальные шестеренки
Или напечатать предметы интерьера: подставки, вазы, светильники, коробочки для мелочей. Все ограничивается только навыками 3D-моделирования и фантазией.
Итоги
Технология FDM печати, благодаря большому разнообразию 3D принтеров и материалов, очень многогранна. Главное-выбрать правильный инструмент - принтер, подходящий под заданные задачи.
Несмотря на молодость и активное развитие, FDM уже нашла много областей для применения. Из года в год совершенствуется механика - принтеры становятся более быстрыми и точными. Постоянно обновляется ПО, чтобы начинающему пользователю было комфортно и не приходилось перед запуском принтера читать длинные инструкции, а также разбираться в миллионах настроек.
Появляется различные пластики, помогающие получать более точные и прочные изделия. Или имитирующие различную фактуру и материал. Это позволяет расширить область применения 3D-принтеров, работающих по FDM технологии.
