Najtańsza technologia druku 3D: biurkowe urządzenia FDM/FFF

Bartłomiej Łodziato
ekspert współpracujący z Platformą Przemysłu Przyszłości

Rosnąca popularność druku 3D spowodowała, iż w ostatnich latach coraz więcej polskich przedsiębiorców zastanawia się nad wdrożeniem druku 3D do swojej firmy. Wiele z zadawanych pytań dotyczy kosztu zakupu oraz wdrożenia takiego urządzenia. Poszukiwanie optymalnego rozwiązania spełniającego większość wymagań jest mocno utrudnione poprzez brak odpowiedniej wiedzy osób dokonujących rozeznania rynku drukarek 3D oraz jasności przekazywaniu informacji od producentów tych urządzeń.

Jedną z pierwszych metod, z którą przeważnie mają styczność osoby dokonujące rozeznania rynku, jest technologia FDM (ang. Fused Deposition Modelling). Przedstawiana jest ona jako najtańsza oraz najbardziej dostępna technologia przyrostowa dla przeciętnego użytkownika, która przy odpowiednim zastosowaniu będzie idealna do rozwiązania każdego problemu. Czy jest tak w rzeczywistości?

Zasada działania technologii FDM/FFF

Na początku należy wyjaśnić, jak działa technologia FDM (zwana także FFF – ang. Fused Filament Fabrication lub LPD – ang. Layer Plastic Deposition). Metoda ta oparta jest na selektywnym nanoszeniu uplastycznionego tworzywa sztucznego na powierzchnię roboczą, które przetłaczane jest przy użyciu głowicy roboczej (zwanej ekstruderem) przez dyszę. Dysza ta ma określoną średnicę roboczą, która mieści się w zakresie 0,15–1,2 mm (najczęściej spotykana jest dysza o średnicy 0,4 mm). Wymiar średnicy roboczej dyszy określa szerokość pojedynczej ścieżki materiału, czas wytwarzania modelu oraz jego dokładność geometryczną. Materiałem roboczym jest termoplastyczny materiał (nazywany filamentem) nawinięty na szpulę, przeważnie o średnicy 1,75 mm lub 2,85 mm.  Rozmiary samego urządzenia są niewiele większe od przestrzeni roboczej, stąd takie urządzenie można śmiało umieścić nawet w przestrzeni biurowej. Generowany hałas jest zazwyczaj niski, dzięki stosowaniu odpowiedniej elektroniki eliminującej uciążliwe w pracy silniki elektryczne (w przypadku maszyn pracujących w tej technologii przeważnie stosuje się silniki krokowe). Opisywana metoda jest także najczęściej stosowaną technologią druku 3D na świecie.

Ważną cechą metody FDM jest konieczność stosowania struktur podporowych. Najczęściej są to struktury wytworzone z tego samego materiału (materiału modelowego), które następnie trzeba usunąć mechanicznie poprzez ręczne wyłamanie. W przypadku skomplikowanych elementów, proces ten jest czasochłonny. Alternatywą są specjalne materiały podporowe, które mogą być rozpuszczane w wodzie lub specjalnych roztworach chemicznych (np. w roztworze wodnym wodorotlenku sodu). W takim przypadku znika konieczność czasochłonnego usuwania struktur podporowych, ale koszt materiałów do wypłukiwania jest wysoki. Dodatkowo, urządzenie musi zostać wyposażone w co najmniej dwie głowice robocze, z którego jedna podaje materiał podporowy, a druga materiał modelowy. Pośrednim rozwiązaniem jest dostosowanie modelu do wymagań technologii tak, aby liczba struktur podporowych była jak najniższa.

Obszar zastosowań technologii FDM/FFF jest szeroki, a w szczególności obejmuje wykonanie:

  • prototypów,
  • części zamiennych do maszyn i urządzeń,
  • matryc oraz stempli do tłoczenia,
  • makiet architektonicznych,
  • narzędzi,
  • części użytkowe,
  • obudów,
  • form,
  • części oraz komponentów do przemysłu lotniczego oraz zbrojeniowego,
  • modeli medycznych,
  • modeli edukacyjnych,
  • narzędzi pomiarowych,
  • wzorników,
  • próbników,
  • pozycjonerów,
  • innych elementów.

Wady oraz zalety technologii FDM/FFF

Istnieje szereg zalet i wad, o których istnieniu każdy przyszły użytkownik musi wiedzieć, szczególnie przed zakupem urządzenia. Niewątpliwą zaletą urządzeń do druku FDM/FFF, jest możliwość wykonania prawie dowolnego modelu 3D (z pewnymi ograniczeniami). Pomimo faktu, iż druk 3D pojedynczego modelu może trwać bardzo długo, to i tak czas wytwarzania pojedynczych modeli jest o wiele szybszy, niż w porównaniu z innymi konwencjonalnymi technologiami wytwórczymi. W przeciągu paru godzin inżynier może otrzymać gotowy model 3D, nieważne, czy jest to prototyp, czy część zamienna do maszyny produkcyjnej. Częstym przypadkiem są sytuacje, w których elementy wydrukowane w technologii FDM/FFF zastępują oryginalne części maszyn do czasu przybycia serwisu, dzięki czemu nie ma przestojów w pracy maszyny.

Drukarka 3D pracująca w technologii FDM/FFF nie wymaga dodatkowego oprzyrządowania, dzięki czemu jedno urządzenie staje się uniwersalnym systemem wytwórczym. Nie są potrzebne przezbrojenia oraz dodatkowy czas na przygotowanie produkcji. Dobrze skonfigurowane i przygotowanie urządzenie FDM w ciągu paru minut może rozpocząć proces druku.

Mnogość stosowanych materiałów jest również wielką zaletą technologii FDM. Podstawowymi materiałami stosowanymi w tej technologii są: ABS, PLA, PC, PC-ABS, PP, PVA, HIPS, Nylon, TPU, PET. Należy jednak pamiętać, że każdy materiał wymaga indywidualnego podejścia do procesu druku 3D oraz nie istnieje system, na którym będziemy w stanie drukować ze wszystkich dostępnych materiałów.

Dokładność geometryczna może być zarówno wadą, jak zaletą urządzenia FDM/FFF. Przeważnie dokładność ta wynosi ±0,25 mm, ale wartość ta jest bardzo umowna. Dokładność geometryczna modeli 3D zależy od:

  • stosowanej średnicy roboczej dyszy,
  • rodzaju materiału,
  • wysokości warstwy,
  • rodzaju urządzenia,
  • złożoności geometrycznej modelu 3D.

Mnogość parametrów sprawia, że uzyskanie powtarzalnej produkcji może być problemem i wymagać wielu testów przed uzyskaniem optymalnej postaci modelu 3D. Dla dużej części zastosowań dokładność ta będzie jednak wystarczająca, ale oczywiste jest , iż do każdego modelu należy podchodzić indywidualnie.

Można wyodrębnić dwie największe wady technologii FDM/FFF. Pierwszą z nich jest wytrzymałość modeli. Niestety nie jesteśmy w stanie uzyskać wytrzymałości takiej jak w modelach wykonanych metodą wtrysku tworzyw. Jednak przy dobrej jakości modeli może ona dochodzić nawet do 75-80% wytrzymałości w porównaniu z modelami z wtrysku. Problem istnieje także z izotropowością wytrzymałości. Wytrzymałość modeli w kierunku narastania warstw zawsze będzie najniższa (spowodowane jest to charakterystyką procesu druku), nawet kilkukrotnie niższa niż w płaszczyźnie warstwy.

Drugą istotną wadą są ograniczenia projektowe. Trzeba pamiętać o takich czynnikach jak: minimalna grubość ścianki (minimum 1 mm grubości), minimalna średnica otworu (minimum 2 mm, poniżej tej wartości otwory muszą być rozwiercane), konieczność stosowania struktur podporowych oraz planowania ich usuwania, minimalny luz pomiędzy elementami (minimum 0,2 mm, w przypadku połączeń ruchomych minimum 0,4 mm).

Koszt wdrożenia technologii FDM/FFF

Trudno jednoznacznie określić, jaki jest koszt wdrożenia w przedsiębiorstwie drukarki 3D w technologii FDM/FFF. Niewątpliwie, samo urządzenie dobrej jakości można kupić już za kilka tysięcy złotych, ale zdecydowanie nie jest to jedyny koszt, jaki należy ponieść.

Każda osoba chcąca wprowadzić urządzenie FDM/FFF do swojej firmy musi odpowiedzieć sobie na parę pytań:

1. Czy posiadam dokumentację 3D modeli, które chcę wytworzyć?

Każda drukarka 3D do rozpoczęcia procesu druku potrzebuje wirtualnych modeli utworzonych w środowisku CAD 3D.

2. Czy mam program do modelowania CAD 3D?

Bez odpowiedniego oprogramowania oraz umiejętności obsługi programów CAD 3D, niemożliwym będzie stworzenie dokumentacji 3D oraz przygotowanie modeli do druku.

3. Czy posiadam odpowiednią osobę, którą mogę przeszkolić do obsługi drukarki 3D?

Ze względu na mnogość parametrów oraz materiałów możliwych do zastosowania, dobrym krokiem jest przeszkolenie pracownika do obsługi tego typu urządzenia. To dodatkowy koszt, który trzeba ponieść, ale dzięki niemu praca z takim urządzeniem stanie się łatwa oraz uzyska się zadowalającą jakość drukowanych modeli 3D. Trzeba także pamiętać o tym, że obróbka modeli po procesie produkcji może być czasochłonna.

4. Czy mam wolne miejsce na urządzenie?

Częstym błędem jest założenie, że drukarka wymaga wyłącznie tyle miejsca, ile sama zajmuje na biurku. Konieczne jest zarezerwowanie dodatkowego miejsca, gdzie pracownik będzie w stanie odpowiednio obrobić modele po procesie druku. Dobrze jest także posiadać miejsce na przechowywanie materiału modelowego oraz podporowego. Szczególnie ważne jest ograniczenie dostępu do światła oraz wilgotności. Podwyższona temperatura także przyspiesza proces starzenia się tworzywa.


Jeżeli odpowiedź na większość z tych pytań jest twierdząca, warto zastanowić się nad kolejną kwestią, jaką jest zakup samego urządzenia. Mnogość producentów tego typu sprzętu powoduje, że nie do końca będzie wiadomo, które urządzenie warte jest uwagi. Przeglądając różne oferty warto zastanowić się przede wszystkim, jaki budżet chcemy przeznaczyć na drukarkę 3D. W tym przypadku istnieje prosta zasada: im więcej wydamy na drukarkę 3D, tym lepsze modele uzyskamy oraz obsługa urządzenia będzie bardziej przystępna. Często też w droższych systemach czynności post-produkcyjne zajmują mniej czasu, dzięki czemu dodatkowy koszt obsługi nie będzie wysoki.

Podstawowe parametry każdego urządzenia można zestawić w kilku punktach, do których należą:

  • rozmiar obszaru roboczego – przeważnie wynosi on mniej więcej w każdej osi 250 mm; istnieją także drukarki wielkogabarytowe, w których przestrzeń robocza może być liczona w m3,
  • liczba głowic roboczych – przeważnie głowica w urządzeniu jest jedna, takie też drukarki są łatwiejsze w obsłudze; jeżeli chcemy korzystać z dedykowanego materiału podporowego lub druku wielokolorowego, warto zastanowić się nad systemami wielogłowicowymi,
  • obsługiwane materiały – w karcie charakterystyki urządzenia warto jest sprawdzić, czy urządzenie jest w stanie przetworzyć materiał, który najbardziej nas interesuje,
  • obsługiwane wysokości warstwy – przeważnie mieszczą się w zakresie 0,05–0,5 mm, najczęściej stosuje się warstwę o grubości 0,15–0,2 mm,
  • maksymalna wartość temperatury roboczej – niektóre materiały wymagają wysokiej temperatury roboczej głowicy oraz platformy lub komory,
  • sposób kontroli środowiska wydruku – istnieją dwa podstawowe sposoby kontroli środowiska wydruku: podgrzewana platforma robocza lub podgrzewana zamknięta komora robocza. W odniesieniu do podstawowych materiałów podgrzewana platforma robocza będzie w zupełności wystarczająca, jednakże chcąc stosować bardziej specjalistyczne materiały o większym skurczu przetwórczym, konieczne może być stosowanie zamkniętej komory (szczególnie w przypadku dużych modeli). Rozwiązania oparte na zamkniętej komorze z kontrolowanym środowiskiem druku są droższe niż systemy otwarte,
  • średnica stosowanego filamentu – występuje w dwóch wersjach 1,75 mm lub 2,8–5mm; jeżeli w firmie jest dostępne urządzenia FDM/FFF, dobrą praktyką jest stosowanie ujednoliconej wartości średnicy filamentu,
  • polityka materiałowa – przed zakupem warto sprawdzić, czy producent deklaruje otwarcie systemu druku FDM/FFF na materiały zewnętrzne innych producentów; system z zamkniętą polityką materiałową generuje wyższy koszt druku pojedynczych modeli, gdyż zamienniki, często podobnej jakości, mogą być o wiele tańsze niż oryginalne materiały producenta,
  • średnice głowic roboczych – przeważnie stosuje się głowicę roboczą o średnicy 0,4 mm, ale jeżeli istnieje potrzeba wytwarzania modeli bardziej precyzyjnych lub o dużym gabarycie; w takich przypadkach należy sprawdzić, czy producent urządzenia deklaruje wsparcie dla innych średnic roboczych,
  • generowany hałas – tanie urządzenia mogą być bardzo głośne oraz uciążliwe, szczególnie, jeżeli chcielibyśmy takie urządzenie umiejscowić w środowisku biurowym; warto zwrócić uwagę, czy zastosowane sterowniki silników mają tryb cichej pracy, dzięki czemu generowany hałas będzie o wiele niższy,
  • możliwość filtracji powietrza – coraz częściej spotykanym dodatkiem do drukarki są dedykowane filtry HEPA,
  • rodzaj komunikacji z urządzeniem – Ethernet, Wifi, USB, karta SD lub inne.

Przed zakupem warto jest zamówić próbki wydruków, najlepiej konkretnych modeli, które będą wytwarzane na urządzeniu. Najlepiej wykonać je z materiału docelowego. Każdy handlowiec będzie zachwalać swój produkt, natomiast konkretne modele wydrukowane na wybranym urządzeniu będą idealnym sprawdzianem jakości. 

Dobrze jest także zwrócić uwagę na ewentualne wsparcie posprzedażowe producenta urządzenia, długość okresu gwarancji oraz liczbę sprzedanych systemów na rynku. Często pojawiające się problemy z drukiem można rozwiązać samodzielnie, korzystając z pomocy społeczności użytkowników skupionych wokół producentów lub specjalistycznych grup internetowych. Środowisko użytkowników tych urządzeń bardzo chętnie dzieli się informacjami na temat urządzeń, występującymi problemami oraz sposobem ich rozwiązywania.

Ważnym czynnikiem jest koszt części zamiennych. Warto zapoznać się z ofertą producenta obejmującą części zamienne oraz serwis. W zamkniętych systemach produkcyjnych koszt serwisu może być wysoki. Najczęściej zużywającymi się elementami drukarki FDM/FFF są: platforma robocza, głowica robocza (dysza), moduł ekstrudera.

Podsumowanie

Przez zakupem oraz wdrożeniem drukarki 3D pracujące w technologii FDM/FFF warto zwrócić uwagę na wszystkie czynniki zawarte w tym artykule i szczegółowo przeanalizować każde z nich. Coraz częściej spotyka się sytuację, w których przed zakupem urządzenia przedsiębiorstwo zamawia wydruki w zewnętrznych firmach w celu jego dokładnego przetestowania. Dobrze dobrane oraz wdrożone urządzenie FDM/FFF może być niezastąpioną pomocą w pracy. Trzeba mieć jednak na uwadze fakt, iż drukarka 3D pracująca w metodzie FDM rozwiąże wiele problemów, ale nie jest idealna i za jej pomocą nie jesteśmy w stanie wydrukować każdego modelu. Technologia ta ma wspomagać procesy produkcji, natomiast nie będzie w stanie zastąpić i konkurować we wszystkich aspektach z konwencjonalnymi technikami wytwórczymi.

Podobne artykuły