FDM - Fused Deposition Modeling

Skrót FDM oznacza Fused Deposition Modeling czyli w wolnym tłumaczeniu modelowanie z wykorzystaniem łączenia stopionego materiału. Zasada działania technologii FDM przypomina trochę zabawę z budowanie części za pomocą „pistoletu na termoklej”.

Głowica poruszająca się po osiach X i Y „tka” kolejne warstwy budowanego modelu poprzez nanoszenie końcówką ekstrudera roztopioną nitkę tworzywa sztucznego. Najpierw nakładany jest kontur warstwy a następnie wnętrze warstwy jest wypełniane zygzakami roztopionego materiału. Zasadę działania przedstawia rysunek poniżej.

Zasada działania FDM

Dzięki regulowaniu odległości między zygzakami technologia ta doskonale nadaje się do produkowania elementów o regulowanej porowatości. Niestety również z tego powodu nie da się zbudować całkowicie szczelnej części baz infiltracji uszczelniaczami. Materiał podporowy może być jednym z dwóch typów: rozpuszczalny lub odłamywalny. Materiały wykorzystywane w maszynach FDM to najczęściej termoplastyczne inżynieryjne tworzywa sztuczne charakteryzujące się wysoka wytrzymałością mechaniczną, temperaturową i chemiczną np.: ABS, ABS-PC, PC, PPSF, PEI dzięki czemu technologia ta jest często wykorzystywana do produkcji niskoseryjnej w pełni funkcjonalnych części urządzeń i narzędzi.

Historia

Technologia Fused Deposition Modeling została wynaleziona przez S. Scotta Crump w 1989r. Pierwszy patent został zatwierdzony w 1992. Historia powstania pomysły na technologię FDM głosi, że córka Scotta miała do wykonania w szkole projekt polegający na stworzeniu modelu żaby. Scott chcąc jej pomóc zaczął eksperymentować z modelowaniem figury żaby przy pomocy termokleju. Jako że pracował również z maszynami CNC w firmie IDEA Inc. po ukończeniu projektu „żaba” przełożył on koncepcję ekstrudera na termoklej na 3 osiową maszynę CNC i do modelowania wykorzystał programy CAD/CAM. Tym razem zamiast kleju użył tworzywa ABS, które w latach 80tych było nowym rewolucyjnym materiałem do produkcji części z tworzyw sztucznych. W ciągu kilku kolejnych lat udało się doprowadzić technologię do poziomu pełnej użyteczności dla branży rapid prototyping. W 1992 dostarczono pierwszą komercyjną maszynę FDM 3D Modeler. Dzięki wejściu na giełdę w 1994r. Stratasys pozyskała fundusze na stabilny rozwój. Poprzez stworzenie nowej linii maszyn Dimension Stratasys w latach 90tych zaczęła oferować maszyny „biurkowe” które swoją ceną biły wszystkie maszyny 3D Systems oferując jednocześnie jedna z najbardziej wytrzymałych materiałów w branży RP. Od tamtej pory maszyny FDM osiągnęły swoją dojrzałość i obecnie aspirują do grona technologii Rapid Manufacturing oferując szerokie spektrum inżynieryjnych termoplastów. W 2012r. Stratasys połączyła się z firmą Objet z Izraela oferując teraz dwie technologie FDM i PolyJet. Udziałowcy obu firm stworzyli tym samym przeciwwagę dla 3D Systems, który w ciągu kilku lat był w stanie wykupić większość konkurencji. Rewolucyjnym wydarzeniem dla technologii FDM wydaj e się być uwolnienie przez Stratasys swoich podstawowych patentów co spowodowało wręcz eksplozją nowo powstających systemów FDM typu Open Source. Ruch ten został zainicjowany przez projekt ReRap który miał na celu stworzenie maszyny przyrostowej opartej na technologii FDM za cenę mniejszą niż 1000 Euro. Obecnie maszyny typu Open Source do samodzielnego złożenia lub już złożone wyrastają jak grzyby po deszcze. Z tego powodu dla Stratasys powstała realna konkurencja w postaci chińskich maszyn firmy Tier Time Technologie Inc. oferująca dużo tańsze maszyny z ogrzewaną komorą roboczą i równocześnie dużo tańsze filamenty ABSu. Obecnie największa przewagą Stratasys jest rozpuszczalny suport. Systemy Tier Time używają jedynie suportu odłamywanego.

Rozwój maszyn open source spowodował powstanie licznych modyfikacji i innowacji w technologii FDM. Powstało również wiele nowych określeń dla pochodnych tej technologii jak np. FFF - Fused Filament Fabrication

Producenci

Zalety

  • wysoka wytrzymałość mechaniczna i termiczna budowanych modeli
  • szeroka gama termoplastycznych materiałów inżynieryjnych
  • prostota działania
  • możliwość budowania części o dużej porowatości

Wady

  • niska szybkość procesu
  • kłopotliwe usuwanie odłamywalnych podpór z częściowo zamkniętych przestrzeni
  • wysoka grubość ścianek
  • niska jakość powierzchni ze względu na relatywnie grube warstwy
  • w przypadku rozpuszczalnego suportu długi czas rozpuszczania podpór (nawet kilka godzin)
  • anizotropia właściwości mechanicznych materiału zależna od geometrii budowanych elementów względem kierunku nakładanych warstw tworzywa

Aplikacje

  • ogólne prototypowanie
  • prototypy wytrzymałych części AGD/RTV
  • produkty medyczne: wkładki do aparatów słuchowych, modele ortodontyczne, modele anatomiczne, zindywidualizowane narzędzia operacyjne
  • produkcja dzieł sztuki i wyrobów artystycznych
  • części inżynieryjne do maszyn i pojazdów
  • nietypowe narzędzia i oprzyrządowanie
  • zindywidualizowane części ergonomiczne