FDM - (ang. fused deposition model ing) – to w wolnym tłumaczeniu modelowanie za pomocą topionego materiału. Technologia ta przypomina nakładanie kremu na tort z tym, że zamiast wyciskarki mamy głowice z dyszami. Głowice poruszają się w osiach X i Y, a zamiast tortu stół roboczy poruszający się w osi Z, natomiast zamiast kremu termoplasty (filament) na bazie ABS’u lub PC(poliwęglan).
Historia
Projekt zabawki i narodziny Stratasys
Technologia FDM została wynaleziona przez S. Scotta Crumpa.
W 1988 postanowił on zrobić zabawkowy model żaby na zaliczenie w szkole dla swojej córki. Wykorzystał do tego pistolet do kleju załadowany mieszanką polietylenu i wosku. Model miał powstawać, poprzez nakładanie materiału warstwa po warstwie. Dzięki temu projektowi S. Scott Crump pomyślał o zautomatyzowanym procesie wykorzystującym oprogramowanie CAD/CAM i zasadę działania frezarek CNC. Materiałem budulcowym został ABS, który w tym czasie robił furorę na rynku tworzyw inżynierskich. W 1989 roku opatentował technologię Fused Deposition Modeling (FDM). W międzyczasie po naciskach żony w 1988 roku założył z nią firmę Stratasys. W 1992 roku firma wypuściła na rynek swój pierwszy komercyjny produkt – 3D Modeler. Dwa lata później firma weszła na giełdę zbierając na dalszy rozwój ponad $5,7 mln.
IBM depcze po piętach...
Kilka miesięcy później okazało się, że IBM opracowywał bardzo podobną technologię, ale wiedząc, że pójście do sądu o naruszenie praw patentowych będzie czasochłonne i bezproduktywne, Stratasys w zamian postanowiło wejść we współpracę z IBM. Dzięki tej współpracy na rynek wypuszczono serię produktów nazwanych Genisys, które jako pierwsze kosztowały poniżej $100.000 ($50.000).
Genisys XS - www.ushop.kz
W 1998 roku firma wymyśliła technologię rozpuszczalnego materiału podporowego, który rozpuszczał się w roztworze na bazie wody. 3 lata później Stratasys, wraz z maszyną Titan, zaprezentowała całą gamę materiałów budulcowych od ABS przez Poliwęglan(PC) po Polifynelosulfan (Polisulfan Fenylu), dzięki czemu modele miały znacznie więcej możliwości zastosowania. W 2002 roku firma wypuściła nową linię tanich maszyn FDM o nazwie Dimension oraz µPrint, które rozwijane są do teraz. Poza tymi seriami firma posiada w ofercie również małą drukarkę Mojo przeznaczoną do małych firm i studiów projektowych oraz duże centra drukujące tj. serię Fortus, której pole robocze to nawet 914x610x914mm.
Stratasys Fortus 900mc - www.ccadet.unam.mx
Początek współpracy z Objet Geometries Ltd. ...
Chociaż firma oferowała tylko 1 typ technologii przyrostowej to nie przeszkodziło jej w 2012 roku sprzedać najwięcej maszyn na całym rynku druku 3D.
W roku 2013 Stratasys połączyła się z izraelska firmą Objet Geometries Ltd, które oferuje drukarki w technologii PolyJet, dzięki czemu firma może nadal bez obaw konkurować z 3D Systems wykupującą systematycznie inne technologie i rozwijającą się naprawdę szybko.
A co z patentami...? Czyli skąd się wziął RepRap??
Bardzo ważnym wydarzeniem w historii druku 3D i FDM było uwolnienie patentów na podstawowe mechanizmy i zasadę działania maszyn firmy Stratasys. Dzięki temu pojawiło się na świecie mnóstwo projektów typu Open Source, zapoczątkowanych przez Dr. Adriana Bowyera, wykładowcę na Uniwersytecie w Bath w Wielkiej Brytanii.
RepRap 1.0 "Darwin" - pierwsza drukarka FDM stworzona przez Dr. Adriana Bowyera - www.wikipedia.pl
Ideą jego projektu, nazwanego Rep-Rap, było to by maszyny mogły same się wytwarzać - replikować (jedna drukarka drukuje części do następnej, ta do kolejnej i tak dalej i tak dalej.). Wyniki projektu były publikowane na licencji GNU, co oznacza, że są dostępne za darmo i każdy może zmodyfikować sobie je do własnych celów. Z tego ruchu powstało wiele firm oferujących drukarki domowe, biurowe i eksperymentalne w rozsądnych cenach takie jak MakerBot, Ultimaker, Up3D, Zortrax, itp. W związku z zastrzeżoną nazwą FDM drukarki Rep-Rap posiadają nazwę FFF (ang. fused filament fabrication).
Drugim następstwem uwolnionych patentów było pojawienie się na rynku firm chińskich oferujących maszyny w technologii FDM takich jak TierTime. Oczywiście tak jak w przypadku maszyn typu Rep-Rap, tutaj także zmieniono nazwę technologii, z tym, że na MEM (ang. Melting and extrusion modeling). Firmy chińskie stanowią realne zagrożenie dla Stratasys.
Maszyny chińskiego producenta jakością i wyposażeniem nie odbiegają już właściwie od amerykańskiego producenta, a cena jest dużo niższa. Jedynymi różnicami wg mnie w tej chwili są: liczba i jakość materiałów (zarówno budulcowych jak i podporowych) oraz oprogramowanie do cięcia na warstwy i do prowadzenia ścieżek, gdzie zauważalnie Stratasys ma przewagę osiągniętą latami doświadczeń.
Drukarka A450 frimy TierTime - www.tiertime.com
Zasada działania i budowa
Budowa maszyn w technologii FDM jest stosunkowo prosta. Podstawowymi elementami jakie możemy wymienić są: rama, głowica, stół roboczy, obudowa.
Możemy wyróżnić 3 podstawowe sposoby poruszania się osi X,Y, Z w maszynach:
- Głowica porusza w osiach X i Y, a stół roboczy porusza się w osi Z Jest to najpopularniejszy sposób budowy drukarek zarówno tych tańszych - domowych jak i tych profesjonalnych do biura czy nawet centrów produkcyjnych. Są to najbardziej stabilne konstrukcje.
- Głowica porusza się w osi X, a stół roboczy porusza się w osiach Y i Z. Często stosowany w tańszych drukarkach domowych. Jest to tańsze rozwiązanie niż powyższe, ale drukarka jest wystarczająco stabilna.
Up! Plus 2 http://www.up3d.pl/
- Głowica porusza się we wszystkich 3 osiach (tzw. Drukarki w układzie delta) Jest to nowy trend w drukarkach 3D. Profesjonalnie wykonane konstrukcje tego typu są dość drogie, ale stabilne i przede wszystkim szybkie.
DeltaMaker http://www.adafruit.com
Jak to działa?
Na 1 przykładzie (m.in Makerbot) opiszę zasadę działania drukarek FDM.
1) Tworzywo w formie drutu najczęściej o średnicy 1,75mm lub 3 mm jest sprzedawane w szpulach. Jednak są wyjątki, czego przykładem jest firma Fabbster, która wypuściła maszynę, gdzie materiał podawany jest w paskach zazębiających się ze sobą.
Tradycyjna szpula z materiałem - argylematerials.com
Materiał w formie pasków w drukarce Fabbster - www.fabbster.com
2) Natępnie materiał ze szpuli odwijany jest i podawany do głowicy.
3) W głowicy, rolki prowadzące (rozwiązań podawania materiału w głowicy jest bardzo dużo)poprzez tuleje stabilizująco-podgrzewające podają materiał do dysz. W zależności od materiału tuleje grzeją określoną temperaturą by materiał był prawie płynny (np. dla ABS’u jest to około 230ºC).
3) Pomiędzy rolkami prowadzącymi, a tulejami stabilizująco-podgrzewającymi materiał jest chłodzony powietrzem i osiąga maksymalnie temperaturę 100stC. Dysza zwęża włókno materiału do średnicy 0,1 mm ( w przemysłowych maszynach Stratasys dla każdego materiału i różnych średnic mamy różne dysze wymienialne po upływie określonego czasu).
4) Ciśnienie zmusza materiał do wypłynięcia z głowicy, a dysza dodatkowo dociska go do poprzedniej warstwy (lub do stolika - na początku drukowania), dzięki czemu materiał w przekroju tworzy elipsę i lepiej przylega do podłoża. W międzyczasie głowica przyspiesza i zwalnia dostosowując wypływ materiału do swojej prędkości.
5) Po wykonaniu jednej warstwy stół obniża się w osi Z i cała operacja jest powtarzana dla nowej warstwy, aż do uzyskania 100% danego modelu.
W profesjonalnych drukarkach firmy Stratasys nie zużyty materiał pozostawiony w dyszach jest usuwany, żeby model nie posiadał słabszych struktur (ze względu na degradację materiału w wysokiej temperaturze, gdyby pozostał w dyszy). W nowszych maszynach MakerBot Replicator 2x również wprowadzane jest podobne rozwiązanie.
By materiał nie ulegał deformacji podczas zastygania (by nie doznał szoku termicznego), tańsze maszyny wyposażone są w podgrzewany stół roboczy (co wspomaga proces zastygania tylko w początkowej fazie), droższe wyposażone są w podgrzewaną cała komorę roboczą. Dzięki takiemu rozwiązaniu modele zachowują się bardziej jednorodnie i kurczą się w dużo mniejszym stopniu (zjawisko kurczliwości temperaturowej tworzyw sztucznych). Temperatura w komorze wynosi od 30st C do 130st C w zależności od używanego materiału. Najtańsze drukarki nie posiadają nawet podgrzewanego stolika. Najdroższe drukarki Stratasys dodatkowo mają nagrzewnicę, a materiały ze szpuli prowadzone są wentylowanymi kanałami, w których utrzymywana jest stała temperatura, a powietrze ma niską wilgotność. Tworzy się jakby taki mikroklimat odpowiedni dla prawidłowego zachowania danego materiału.
Dodatkowo materiały przechowywane są w hermetycznie zamkniętych pojemnikach. Wszystko po to byy materiał nie chłonął wilgoci w formie nieprzetworzonej (wilgoć bardzo źle wpływa na jakość wydruków).
Materiały:
PLA - Polilaktyd (ang.polylactic acid, polylactide) - kwas mlekowy - Jest on w pełni biodegradowalny. Otrzymuje się z odnawialnych surowcównaturalnych takich jak np: mączka kukurydziana. Jest to podstawowy materiał w tanich drukarkach FDM.
ABS - (akrylonitryl-butadien-styren) – Jest to wytrzymały materiał o o bardzo rożnorodnych zastosowaniach np. klocki LEGO.
Materiał wykorzystywany we wszystkich profesjonalnych drukarkach FDM oraz w tylko niektórych drukarkach mniejszychbiurowych/ domowych, ze względu na konieczność podgrzewania stolika lub komory roboczej.
Ciekawe!Firma Stratasys dzięki odpowiednim dodatkom proponuje jego odmiany również w medycynie (materiał biozgodny) oraz materiał pochłaniający ładunki elektrostatyczne do współpracy z układami elektronicznymi.
PC – poliwęglan (ang. polycarbonate)
PC-ABS – kompozyt poliwęglanu z ABS
PPSF – (ang. polyphynelosulfone)
ULTEM
Zalety technologii FDM
-niski koszt maszyn i materiałów,
-wysoka wytrzymałość mechaniczna i termiczna (w przypadku niektórych materiałów jak ULTEM czy PPSF również chemiczna),
-duża różnorodność materiałów inżynierskich, podczas procesu nie wytwarzają się żadne szkodliwe substancje oraz opary toksyczne,
-możliwość drukowania mechanizmów, co pozwala na testowanie funkcjonalności prototypu
-możliwość produkcji modeli o określonej porowatości
-technologia przewidziana do biura,
Wady:
-długi czas druku,
-średnia dokładność uzyskanych prototypów (minimalna grubośćwarstwy to 0,1 mm)
-powierzchnia bardziej chropowata niż w innych technologiach (można zminimalizować, ale jakość wydłuża czas wydruku)
-konieczność usuwania podpór (możliwośc stosowania materiału podporowego rozpuszczalnego w roztworze wodnym),
-wysoka grubość ścianek (tworzenie bardzo cieniutkich elementów jest problematyczne, a nawet zęsto niemożliwe),
-trudność wykonywania małych i złożonych szczegółów co związane jest z kształtem włókna,
-niejednorodność właściwości mechanicznych detalu w zależności od geometrii modelu i stawienia modelu w przestrzeni roboczej (modele najsłabsze są w osi Z)
Do czego można stosować?
-Do testowania form/pasowań.
-Rapid tooling
-mało skomplikowane modele, wytrzymałe modele funkcjonalne,
-w medycynie i przemyśle spożywczym,
-do elektroniki (np. obudowy),
-nietypowe i skomplikowane narzędzia i oprzyrządowanie,
-sztuka
Producenci drukarek w technologii FDM:
Polscy : Zortrax, Omni3D, Z Morph, Monkeyfab i inne
Międzynarodowi:
Stratasys – www.stratasys.com
TierTime – www.tiertime.com
MakerBot – www.makerbot.com
Ultimaker – www.ultimaker.com
3D Systems – www.3dsystems.com
Rep-Rap – www.reprap.org
Up! 3D
Dystrybutorzy w polsce:
www.prosolutions.com.pl - Stratasys
www.solveere.pl - TierTime
www.cadmech.pl , www.3d-lab.pl- 3D Systems
www.makerbotdealer.pl - MakerBot