Как устроен FFF(FDM) 3d принтер? Часть 1.

Тема 3d печати становится все более популярной, но многие люди все же не понимают сам принцип действия этих чудо-машин. Это и не странно, так как на рынке, в текущий момент предоставлено довольно большое количество устройств, которые различаются своими «внутренностями», но объединяет их одно – возможность создавать трёхмерные изделия из самых различных материалов.

Первые 3d принтеры были изготовлены ещё в 80-х годах прошлого столетия, а в 90-х основатель компании Stratasys, Скотт Крамп, разработал технологию печатных оттисков, которая в будущем получила название FFF, или же метод наплавления. Чуть поздней была основана компании 3D Systems, к сегменту производства 3d принтеров присоединилась Solidscape, которая ранее занималась созданием двухмерных принтеров. Первые устройства были довольно громоздкими, собственно, как и все технологии того времени, и стоили огромных денег, так что позволить себе такое устройство в своём доме, обычному человеку было просто нереально.

Сейчас же ситуация кардинально изменилась, а 3d принтеры становятся все более похожими на своих двухмерных собратьев. Возможно, в скором будущем именно они станут стандартом как для домашнего, так и промышленного использования.

Существует довольно большое разнообразие 3d принтеров, каждый из которых работает по определённой технологии. Где-то задействуются физические факторы и принципы, где-то химические. Назвать какую-то конкретную технологию лучшей, чем другие пока что нельзя, потому что каждый вид имеет свои преимущества и недостатки, а до стандартизации устройств ещё очень далеко, так как каждый день открываются новые возможности и потенциал технологии ещё не раскрыт.

В этой статье мы рассмотрим принцип действия 3d принтеров, которые работают по технологии FFF – моделирование методом наплавления. Существует ещё одно название этой технологии – FDM, которое несёт тот же смысл. Различие между этими двумя понятиями состоит лишь в том, что технология FDM (FusedDepositionModeling) является торговой маркой одного из гигантов производства 3D-принтеров, а термин FFF был придуман энтузиастами, для того, чтобы обойти различные юридические ограничения.

Что такое FFF-технология и как она работает?

Сам термин FFF – это набор слов, описывающий процесс работы с определённым материалом, который используется в соответствующих принтерах. В 3d принтерах, работающих по такой технологии в качестве наполнителя, чаще всего используется специальный термопластик, который во время нагревания приобретает полужидкое состояние, а после охлаждения – затвердевает.

Термопластик подаётся при помощи экструдера (механизма отвечающего за подачу материала) на печатающую головку, которая слой за слоем создаёт изделие.

Большинство нестандартных, например, пищевых принтеров работает именно по принципу FFF технологии, но с небольшими модификациями. Из тех же устройств, которые созданы для работы с пищей, убирается нагревающая часть и устанавливается дополнительный контейнер, хранящий съедобный наполнитель.

Работа в трёх измерениях – принцип работы направляющих

Самая сложная часть 3d принтеров – это подвижные элементы. Недостаточно просто установить несколько шаговых двигателей, подключить их к питанию и заставить двигать экструдер. Нужно научить их правильно работать и точно выставлять головку, которая отвечает за подачу материала.

Для того чтобы можно было создавать полноценные, объёмные объекты, принтер должен работать по трём направляющим: высота, ширина и длина. То есть механизмы должны организовать печать так, чтобы объект, во время создания мог быть обработан по осям XYZ. Такой эффект может достигаться при помощи движений печатающей головки, платформы, либо комбинировании обоих этих способов. В математике, движение в трех направлениях называется «декартовой системы координат». Но не переживайте – мы не будем углубляться в математические теории.

Если вам ещё не стало понятно, пожалуй, можно провести аналогию с обычным 2D-принтером. Эти устройства создают изображения на плоскостях X и Y. Как только вы отправляете документ на печать, компьютер просчитывает все необходимые координаты и передаёт их принтеру. Последний, в свою очередь, начинает передвигать печатающую головку влево — вправо, а колесики внутри перемещают лист на новую строку.

Каждый 3d принтер построен аналогичным способом, а все три оси являются линейными. Они расположены под прямым углом друг к другу и не меняют своего положения в процессе печати. Для движений вдоль осей используются зубчатые ремни, шкивы, стержни, моторчики и др.

Хотя двигатели имеют относительно небольшие размеры, они обладают достаточной мощностью, чтобы направлять головку или печатную платформу, с точностью до миллиметра. В 3d принтерах используются довольно дорогостоящие двигатели, так как механизмы низкой ценовой категории не обеспечат необходимую точность. К тому же дешёвые двигатели издают достаточно большое количество шума, даже несмотря на то, что они постоянно совершенствуются.

Экструдер

Само понятие «Экструдер» применяется не только в проектировании и создании 3d принтеров, оно используется для того, чтобы обозначить то устройство, которое отвечает за подачу разогретого материала, в случае 3d принтеров – это раскалённая нить. Экструдеры – это та часть 3d принтеров, которая постоянно модифицируется и дополняется, для того, чтобы разработчики смогли использовать самые различные материалы. Некоторые подающие головки интегрируются в устройство накала нити, другие устанавливаются отдельно и соединяются при помощи так называемых шлейфов.

Если говорить о терминологии, то с определением некоторых частей 3d принтеров возникают трудности, так как сама технология ещё относительно молода и не все называется стандартными именами. Главное запомнить то, что экструдеры подают материал при помощи выдавливания (методом экструдирования). Сам материал укладывается слоями до тех пор, пока изделие не будет полностью готово, но об этом немного позже.

Каждый из видов расположения экструдеров, независимо от того, интегрированная ли это система или же удалённая, имеет свои преимущества и недостатки.

Интегрированная система не нуждается в создании сложной системы подачи материала на саму головку, поэтому во время печати редко возникают какие-либо проблемы, но в отличие от удалённых – цельные механизмы тяжелее в весе и гораздо медленней в работе. Эти характеристики заметно снижают саму скорость печати устройств, но часть времени компенсируется простотой замены пластиковой нити.

В удалённых же системах для подачи материала на печатающую головку, используются специальные полые трубки (Боуден-кабель). Они обеспечивают не только постоянную подачу нити на экструдер, но и могут работать в обратном направлении, если это необходимо (режим втягивания). Удалённая система расположения экструдера приводится в действие при помощи так называемых тросов.

Самое главное преимущество удалённого расположения экструдера – небольшой вес, который позволяет добиться высокой скорости печати. Один из самых быстрых принтеров – Ultimaker, как раз-таки использует именно такую систему расположения экструдера.

Основная проблема полых трубок – это большое количество трения, возникающего внутри системы подачи материала, в результате чего могут возникнуть проблемы, связанные как с подачей, так и с порчей самого термопластика (или других используемых материалов).

Ещё один недостаток системы – сложности, которые могут возникать в процессе замены принтера. Поэтому перед тем как удалить нить, необходимо включить нагрев самой печатающей головки. Материал, после прекращения работы, остывает и затвердевает, что вызывает засорение. Ошибка многих начинающих пользователей 3d принтеров заключается в том, что они пытаются достать остатки материала силой, но это категорически не рекомендуется, так как можно попросту повредить печатающую головку и всю систему.

Системы подачи материала постоянно совершенствуются, а энтузиасты 3d сообществ, постоянно создают все новые концепции построения этой системы.

Продолжение статьи об устройстве 3d принтера читайте во второй и третьей частях статьи.