Метод FGF как новый виток развития в экструзии полимеров

3D-печать, также называемая аддитивным производством, с начала 1980-х годов использовалась преимущественно для изготовления опытных образцов. За последние 5 лет существенно увеличилась доля использования 3D-печати в изготовлении оснастки и функциональных изделий. Это произошло за счет повышения точности изделий, повторяемости и, наконец, стоимости производства.

Выделим 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.

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. 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.

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.

Технология MBJ

Камера построения: 500×450x400 мм

Производитель: AM.TECH

Материал печати: MBJ

Подробнее