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).

fdmopis

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.

fdmopis

www.custompartnet.com

Możemy wyróżnić 3 podstawowe sposoby poruszania się osi X,Y, Z w maszynach:

  1. 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.

www.makerbot.com

  1. 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/

  1. 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

Fabbstersticks

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