Szybkie prototypowanie w metodzie FDM (Fused Depostion Modelling)

FDM to druga pod względem popularności na świecie technika rapid prototyping, czyli szybkiego prototypowania. Warto się jej przyjrzeć, gdyż jest stosowana w wielu obszarach przemysłu, m.in. branży opakowaniowej i tworzywowej.

FDM (Fused Depostion Modelling) opracowana i opatentowana została przez firmę Stratasys. Wspomaga proces wytwarzania modelu przez nakładanie kolejnych warstw z półpłynnego i termoplastycznego tworzywa, podawanego przez głowice termiczne wyposażone w wymienne dysze. Materiał roboczy stanowią najczęściej włókna z termoplastycznego materiału. Włókno jest wprowadzane do głowicy, która podgrzewa je aż do uzyskania stanu półpłynnego. W tej postaci materiał nanosi się punktowo na podłoże, pozwalając warstwami odtworzyć całą bryłę. Podobnie jak w najpopularniejszej w rapid prototyping technice SLS, w komorze roboczej panuje temperatura nieznacznie niższa od temperatury topnienia materiału roboczego.

Dość ciekawą cechą FDM jest to, że - odmiennie niż w przypadku innych metod szybkiego prototypowania - głowica robocza porusza się we wszystkich wymiarach przestrzennych, a obiekt powstaje na nieruchomym podłożu. Zaletą FDM jest też możliwość stosowania dużej liczby materiałów. Elementy wykonane za pomocą FDM są również bardziej wytrzymałe.

Proces technologiczny w metodzie FDM polega na warstwowym nakładaniu przez dwudyszową głowicę, rozpuszczonego materiału modelowego i podporowego. Urządzenie sterowane numerycznie na przemian nanosi ma stół modelowy materiał bazowy i podporowy, według kolejnych poziomych przekrojów elektronicznej dokumentacji 3D. Powstały model wiernie odwzorowuje wirtualny projekt i praktycznie od razu gotowy jest do użycia.

Obecnie firma Stratasys oferuje cztery urządzenia wykorzystujące metodę FDM. W maszynach można zastosować cztery rodzaje materiału. Podstawowym jest termoplastyczne tworzywo ABS, charakteryzujące się dobrymi parametrami mechanicznymi. W biomedycynie wykorzystywać można też tworzywa ABS. Kolejnym materiałem jest wosk odlewniczy, a wykonane z niego modele mogą posłużyć do precyzyjnego stworzenia detalu przez odlewanie metodą modelu traconego. Ostatnim, czwartym materiałem nadającym się do użycia w ramach metody FDM jest elastomer. Warto dodać, że dzięki dodatkowym modułom zainstalowanym w maszynie można wprowadzać np. inne kolory ABS, uatrakcyjniając tym samym wygląd produktu.

Prace nad modelem można podzielić na trzy fazy. Najpierw opracowuje się model wirtualny i tworzy się go w programie CAD, a następnie obrabiany jest on przy użyciu specjalistycznego oprogramowania. Po wygenerowaniu programu sterującego i przesłaniu go do maszyny budowany jest rzeczywisty model.

Technologia FDM, w porównaniu z pozostałymi technikami szybkiego prototypownia, pozwala uzyskać najdokładniejsze modele. Drukarki 3D modelujące techniką FDM mogą budować elementy o ściankach mających grubość 0,6 mm, a minimalna średnica walca jaki można wydrukować to 0,75 mm. Prototypy FDM łatwo można poddać obróbce, np. szlifowaniu, wierceniu, malowaniu, chromowaniu. Można również łączyć elementy w większe modele poprzez klejenie wydrukowanych części.

Dodatkowymi zaletami jest trwałość prototypów, odporność na działanie wody, substancji chemicznych i temperatury. Wadą jest natomiast duża chropowatość powierzchni i fakt, że modele wymagają dodatkowej obróbki skrawaniem.

Prototypy znajdują zastosowanie w praktycznie wszystkich segmentach przemysłu. Przykładowymi obszarami zastosowania technologii FDM są choćby testy i analizy prototypów o właściwościach zbliżonych do obiektu projektowanego; złożone prace projektowe - zorientowane na konstrukcję prototypu z wielu modeli-komponentów - metoda FDM umożliwia zbudowanie, spasowanie i przetestowanie funkcjonalności projektu; przestrzenne wizualizacje projektowanych obiektów (np. architektura). Główne branże wykorzystujące prototypy FDM to z kolei przemysł elektrotechniczny motoryzacyjny, opakowaniowy, medyczny, chemiczny, tworzywowy.