Выделю несколько популярных методов 3D-печати для производства функциональных изделий и оснастки:
• FFF (послойное наплавление из пластиковой нити).• Binder Jetting (выборочное нанесение связующего).
• Direct Energy Deposition (направленное осаждение материала).
Считается, что среди большого разнообразия методов 3D-печати FFF является наиболее экономически оправданной технологией для печати прототипов и готовых изделий различной сложности.
Принцип производства методом FFF подразумевает 3D-печать термопластичными материалами в виде прутка/филамента, проталкиваемого в виде расплава через нагретое сопло/фильеру. 3D-принтер наносит материал слой за слоем на рабочую платформу по заданной траектории, где нить охлаждается и застывает, образуя готовое изделие.
В этой статье речь пойдет об относительно молодом методе печати, альтернативной технологии FFF. Этот метод называется FGF/FPF (послойное наплавление из полимерных гранул).
![1.png 1.png](/upload/medialibrary/400/4e5ne51m7u6fl2o3pr95dgv59if8mzhc.png)
Метод FGF как новый виток развития в экструзии полимеров
Принцип работы метода FGF-печати
Принцип передвижения экструдера в FGF 3D-принтере такой же, как и в традиционном FFF-принтере, однако расходным материалом вместо филамента являются полимерные гранулы. Для переработки гранул используются дополнительные узлы, такие как бункер и шнековый экструдер. Помимо портальных систем шнековый экструдер можно интегрировать на робот-манипулятор, тем самым увеличив степень свободы в передвижении печатающей головы. Шнек в экструдере осуществляет перемещение гранул от входного отверстия системы подачи к отверстию сопла. Непосредственно перед выдавливанием через сопло, расплавленный пластик подвергается высокому давлению благодаря двигателю, который вращает шнек. Принципиальная схема работы шнекового экструдера показана на рис. 1.![рис 1.png рис 1.png](/upload/medialibrary/4f7/skjgn56bl8qagdjil17t6vmd9zs05ilp.png)
Рис. 1. Принципиальная схема работы шнекового экструдера FGF 3D-принтера
Экономичность
Гранулы – это первичное сырье для производства филамента. Исключив один из технологических этапов производства расходного материала, мы получаем более низкую себестоимость изделия. Например, цена на 1 кг гранул PET-G составляет менее 1 000 руб., тогда как 1 кг филамента аналогичного полимера обойдется примерно в 2 000 руб.
Высокая прочность напечатанных изделий
Одним из основных недостатков FFF технологии является низкая прочность получаемых изделий вдоль напечатанных слоев. В среднем, прочность на разрыв по оси Z в 3 раза ниже, чем в паспорте на материал. Исследования прочности образцов напечатанных на настольных 3D-принтерах, работающих по технологиям FFF и FGF показали, что механические свойства образцов, полученных методом FGF (гранулы и измельченные отходы) сопоставимы с образцами, полученными методом FFF. Когда же речь идет о промышленном оборудовании с производительностью экструдера от 2 кг в час, то мы получаем однородные, с точки зрения механических свойств, изделия по всем осям, сопоставимые с изделиями, полученными методом литья под давлением, что наглядно изображено на Рисунке 2.
Рисунок 2. Образец FGF печати с фрезерной обработкой (ABS-CF пластик)
Широкий спектр расходных материалов и вторичная переработка
В методе FGF применяется большое количество материалов в виде гранул, включая инженерные пластики. Аналогично FFF оборудованию, при печати полимерами с высокой усадкой необходимо иметь термостатированную камеру построения. Как правило, FGF принтеры имеют рабочее пространство от 1 кубического метра, а такой объем воздуха не так просто нагреть. На российском рынке представлены как минимум 2 модели FGF принтеров с темперируемой камерой построения, но цена на такое оборудование примерно в 2 раза выше, чем на системы без принудительного нагрева. Поэтому, чаще всего используются полимеры с мелкорубленным угле или стекло волокном, например, АБС, ПА6, ПП и даже ПЭИ (полиэфиримид). Или стабилизированные компаунды на основе базовых полимеров, например, ПЭТ, ПП, ТПУ, которые обладают низкой усадкой и не так требовательны к внешней среде. Для печати габаритных изделий без термостатированной камеры я рекомендую использовать материалы с усадкой не более 0,65%. При этом FGF экструдер способен работать с переработанным пластиком из детали, которая печаталась на том же экструдере.
Существуют ряд материалов, доступных только в форме гранул, их просто невозможно производить в форме нити за счет высокой хрупкости.
Высокая производительность
Благодаря использованию сопел увеличенного диаметра и давлению, которое создается за счет специальной геометрии шнека, увеличивается скорость выхода материала. Это приводит к сокращению времени печати по сравнению с FFF экструдером без потери качества. Например, FGF принтер с соплом такого же диаметра, как и у FFF принтера будет минимум в 3 раза производительнее.
FGF оборудование можно классифицировать по производительности экструдера, чем больше производительность, тем более нагруженной будет кинематика. Я выделил 3 основные категории (настольные, профессиональные и промышленные). Предлагаю ознакомиться с ними в Таблице 1.
Таблица 1.Параметр |
Настольные |
Профессиональные | Промышленные |
Производительность | До 1кг/ч | До 5 кг/ч | До 50 кг/ч |
Объем области построения |
До 0.125м3 |
До 1.5 м3 |
До 40 м3 |
Особенности |
Прочность по оси Z сопоставима с FFF технологией | Поставляются без шпинделя для фрезерной обработки | Это могут быть относительно небольшие порталы (0.5 м3) с темперируемой областью построения, для печати полимерами с высокой усадкой, например, поликарбонатном, либо роботизированные ячейки или порталы с габаритами до 10 м по одной из осей |
Наименование оборудования | Piocreat G5 |
Piocreat G12, F2 Innovations Match и Quart, Coinrobotics QE-BRAM |
Piocreat G40, Coinrobotics BRAM и BGAM, |
Порядок цен | От 350 000 руб. | От 3 500 000 руб. | От 15 000 000 руб. |
Комбинация с другими методами производства
ЧПУ фрезерный станок и FGF оборудование на первый взгляд кажутся конкурентами. На самом деле это не так, эти методы могут и должны работать в связке: на 3D-принтере быстро печатается заготовка с припуском 0.5-3 мм, после чего производится финишная обработка на фрезерном станке. Преимущество напечатанных заготовок состоит в том, что нам не обязательно печатать монолитную оснастку, не функциональная геометрия (каркас) может быть напечатана в виде сотовой структуры. Один FGF-принтер способен загрузить до 5 обрабатывающих центров с сопоставимой камерой обработки.
Существуют и комбинированные установки для 3D-печати и фрезерной обработки в внутри одного станка. Такие установки могут выть выполнены в следующих конфигурациях: портал с двумя балками, где на первой расположен FGF экструдер, а на второй шпиндель для пяти осевой обработки (Рисунок 3); портал с 1 балкой и вертикальной сменой рабочего органа (Рисунок 4); роботизированная ячейка со сменой рабочего органа.
Рисунок 3. Комбинированная установка на основе портала с двумя балками
Рисунок 4. Комбинированная установка на основе портал с одной балкой
Ограничения метода FGF
Как и любая другая технология 3D печати, метод FGF обладает как сильными сторонами, так и ограничениями. Поскольку кинематика и подготовка G-code для шнекового принтера схожа с филаментномым оборудованием, при печати гранулами возникают аналогичные проблемы, такие как: коробление (warping), засорение (clogging), пористость (porosity), недостаточная экструзия и переэкструзия (under-extrusion and over-extrusion). Рассмотрим некоторые ограничения и недостатки ниже.
Пористость (porosity)
Пористость определяется как пустоты и воздушные раковины внутри или снаружи напечатанного изделия. Эта проблема возникает из-за воздуха или влаги, собранной гранулами. Предварительная сушка гранул или использование гранул меньшего размера решит проблему. Например, чтобы подготовить ABS 30CF пластик к печати необходимо просушить его при температуре 80 °C в течение 4 часов.
Для высокопроизводительных экструдеров (от 20 кг/ч) в конструкции оборудования должен быть предусмотрен специальный трамбовочный/укатывающий ролик, который движется вслед за массой расплава, выходящей из сопла, и уплотняет ещё пластичный полимер.
![рис 4.png рис 4.png](/upload/medialibrary/cbb/kty6lpz25tcdv9nhfppid265ih81xhv3.png)
Засорение (clogging), недостаточная экструзия и переэкструзия (under-extrusion and over-extrusion)
При засорении происходит блокировка экструдера изнутри, которая не дает расплавленному пластику выходить из сопла. Это происходит из-за градиента температур. Правильный подбор параметров экструзии решит проблемы.
Пример параметров печати для пластика ABS 30CF:
- 1 зоны (загрузки) 240-260 °C
- 2 зона 255-275 °C
- 3 зона (сопло) 260-280 °C.
Поддержка (support)
FGF-принтеры чаще всего поддерживают печать только одним материалом, то есть нет растворимых материалов поддержки. Таким образом, поддержку можно удалить только механическим способом, поэтому желательно печатать с минимальным количеством поддержек, а лучше без них.
Для печати крупногабаритных изделий, где без поддержек не обойтись, возможно следующее решение: сначала печатаем опорную конструкцию как отдельный объект, далее запускаем в печать саму деталь и на том слое, где необходима поддержка, останавливаем печать, устанавливаем ранее напечатанную поддержку, после чего продолжаем печать детали.
Рекомендую придерживаться следующий правил при проектировании деталей, которые будут изготовлены методом FGF:
1. При подготовке управляющей программы важно обеспечить непрерывное и равномерное движение экструдера, линии материала должны укладываться внахлест. Пользуйтесь формулами для расчета высоты слоя, ширины линии и расстояния между ними для укладки внахлест (Рисунок 5);
![рис 5.png рис 5.png](/upload/medialibrary/21b/gcke4zwbcjkib7o6c6eymkk23jc5bi0l.png)
Рисунок 5.
2. Старайтесь избегать наклона стенки более 45 градусов и печатать без применения поддержек (Рисунок 6);
![рис 6.png рис 6.png](/upload/medialibrary/775/hnj663yrwysbl87ciiplcv0c3y7ual2s.png)
Рисунок 6.
3. Проектируйте заполнение в исходной модели, не пользуйтесь стандартными шаблонами слайсеров (Рисунок 7);
![рис 7.png рис 7.png](/upload/medialibrary/2eb/sgm86vl06c8r4pzibk3tlqrkmc5iba52.png)
Рисунок 7.
4. Скруглите острые углы и/или разделите на большее количество шагов, учитывайте диаметр сопла для углов, минимальный внутренний радиус угла = 50% диаметра сопла (Рисунок 8);
![рис8.png рис8.png](/upload/medialibrary/023/ch0inw05l63gbczxo9ya9tpmy79k576f.png)
Рисунок 8.
5. Избегайте холостых перемещений. Если холостой переход экструдера неизбежен, применяйте печать двух моделей или используйте построение «башни» (Рисунок 9);
![рис9.png рис9.png](/upload/medialibrary/d3b/lrvinng8nf6539k7pu4jl6dt1chdxuxn.png)
Рисунок 9.
Области применения метода FGF
Учитывая все возможности (и некоторые недостатки) метода FGF, области применения могут быть абсолютно разными, например:
- Оснастка для выкладки композитов
- Модельная оснастка для литья металлов
- Стапели для сборки габаритного оборудования
- Оснастка для литья бетона
- Корпусные детали и кронштейны транспортных средств
- Экстерьерная и интерьерная мебель и декор
- Малые архитектурные формы
В заключение хочу сказать, что печать с использованием полимерных гранул открывает двери к еще большим возможностям производства, включая разнообразие выбора материалов. Если говорить про рынок филамента то, несомненно, ассортимент быстро растет, но он не сможет сравниться с огромным выбором и разнообразием гранулированных термопластов.
При этом стоимость гранул обычно в 2-4 раза ниже, чем стоимость филамента для такого же типа материала. Это связано с дополнительными этапами производственного процесса, необходимыми для изготовления филамента. Это становится более заметным при использовании прочных и термостойких термопластов, поскольку для переработки гранул в нить требуется больше энергии и контроля окружающей среды.
Использование технологии FGF станет ключевым фактором, способствующим снижению стоимости и времени производства габаритной и износостойкой оснастки, заготовок для фрезеровки и функциональных изделий.