Budowa drukarki FDM — z czego składa się drukarka 3D i co to zmienia

Rama i kinematyka: jak porusza się głowica

Rama trzyma wszystkie osie w stałym położeniu. Im jest sztywniejsza, tym mniej drgań przenosi się na wydruk przy szybkich ruchach. Na ramie zbudowany jest układ ruchu, czyli kinematyka. Jego zadaniem jest przesuwanie dyszy względem stołu w trzech osiach. Sam proces druku opisuje artykuł jak działa druk FDM.

W CoreXY oba silniki osi X i Y są zamocowane na ramie, a ruch głowicy wynika z kombinacji obrotów: obrót obu silników w tę samą stronę przesuwa głowicę w jednej osi, obrót w przeciwne strony w drugiej. Dzięki temu głowica nie wozi silników i może szybciej zmieniać kierunek.

Ekstruder bezpośredni czy Bowden

Ekstruder podaje filament do hotendu. W układzie bezpośrednim (direct drive) silnik z kołem podającym siedzi na głowicy, tuż nad strefą topienia. W układzie Bowden silnik jest przykręcony do ramy, a filament biegnie do głowicy przez długą rurkę z PTFE. Bowden odciąża ruchomą głowicę, co pomaga przy szybkich ruchach, ale wydłuża drogę filamentu między kołem a dyszą.

Ta odległość ma znaczenie przy elastycznych filamentach, takich jak TPU. Miękki pręt w długiej rurce ugina się i zwija zamiast płynnie się przesuwać. Poradniki materiałowe podają, że większość w pełni elastycznych filamentów wymaga ekstrudera bezpośredniego, a tylko część półelastycznych drukuje się poprawnie w układzie Bowden. Krótka i ciasno prowadzona droga filamentu ogranicza zaginanie, a przy takich materiałach zaleca się też niską, stałą prędkość podawania.

Hotend i dysza: temperatura i materiały ścierne

Hotend składa się z bloku grzejnego, grzałki, czujnika temperatury, przegrody termicznej (heat break) oddzielającej gorącą strefę od zimnej i dyszy. W prostszych konstrukcjach filament przechodzi przez rurkę z PTFE, sięgającą aż do strefy topienia. Według Wikipedii PTFE zaczyna się degradować w okolicach 260 °C, a poniżej około 250 °C produkty rozkładu nie powstają w ilościach istotnych dla zdrowia. Dlatego MatterHackers zaleca nie przekraczać w takich hotendach około 240 °C. Hotendy all-metal nie mają tworzywa w gorącej strefie, więc mogą pracować w wyższych temperaturach.

To ma bezpośredni wpływ na listę materiałów. Nylon, czyli poliamid, oraz poliwęglan drukuje się zwykle w temperaturach powyżej 240 °C, dlatego stosuje się do nich hotendy all-metal. Simplify3D zaznacza, że niektóre filamenty nylonowe da się drukować już od około 220 °C, ale typowe wymagają około 250 °C. Także konstrukcje opisywane jako all-metal mogą mieć rurkę PTFE, ale tylko w chłodnej części, z dala od strefy topienia.

• Dysza mosiężna: dobrze przewodzi ciepło i wystarcza do miękkich tworzyw, takich jak PLA i PETG.
• Dysza ze stali hartowanej: odporna na ścieranie, potrzebna do filamentów z włóknem węglowym lub szklanym, takich jak PA12 CF.
• Średnica dyszy: zwykle od 0,3 do 1 mm. Mniejsza daje drobniejszy detal, większa szybszy druk i mocniejsze, grubsze ścieżki.

Stół grzany i powierzchnia druku

Stół musi być płaski, podgrzewany i pokryty powierzchnią, do której pierwsza warstwa dobrze przylgnie, ale z której gotową część da się zdjąć. W wielu drukarkach stosuje się wymienne, giętkie płyty stalowe pokryte tworzywem PEI. Gładka płyta PEI daje gładki spód części i dobrą przyczepność większości filamentów, na przykład PLA. PETG i TPU potrafią przywrzeć do niej tak mocno, że przy zdejmowaniu uszkadzają powłokę, a dla PETG, ASA czy ABS producent płyt zaleca cienką warstwę rozdzielającą, na przykład kleju w sztyfcie. Alternatywą są płyty teksturowane.

Płyta teksturowana zostawia na spodzie wydruku matową, chropowatą fakturę, a szklana tafla daje powierzchnię gładką. Jeśli zależy Ci na wyglądzie dolnej ściany, napisz o tym w uwagach technicznych do modelu, bo powierzchnia stołu i ustawienie części decydują o tym, jak będzie wyglądać.

Zamknięta komora: kiedy pomaga przy ABS, ASA i PA

Tworzywa o dużym skurczu, takie jak ABS, ASA i poliamidy, kurczą się podczas stygnięcia. Jeśli dolne warstwy stygną szybciej niż górne, w części powstają naprężenia, które podnoszą narożniki od stołu lub rozwarstwiają wysoką ściankę. Zamknięta komora utrzymuje wokół wydruku wyższą, stałą temperaturę i chroni go przed przeciągami. Dla ABS podaje się temperaturę komory około 60–70 °C, podczas gdy PLA lepiej drukuje się w temperaturze pokojowej, około 18–25 °C. Komora nie zawsze jest konieczna: poradniki Simplify3D zalecają obudowę dla ABS i nylonu, a dla ASA jej nie wymagają, choć podwijanie pozostaje przy tym tworzywie typowym problemem. Najwięcej daje przy dużych częściach.

Z tego powodu duże części z tworzyw technicznych drukuje się zwykle na maszynach zamkniętych, a PLA na maszynach otwartych lub z otwartą komorą.

Poziomowanie, systemy wielomateriałowe i sterowanie

Pierwsza warstwa musi mieć jednakową grubość na całym stole. Współczesne drukarki mają czujnik, który przed drukiem mierzy wysokość stołu w wielu punktach. Firmware tworzy z tych pomiarów mapę nierówności i w trakcie pierwszych warstw koryguje wysokość dyszy. Dzięki temu drobne odchyłki płaskości stołu nie psują przyczepności ani wymiarów spodu części.

Systemy wielomateriałowe, takie jak automatyczne zmieniacze filamentu, pozwalają drukować w kilku kolorach lub materiałach w jednym wydruku. Przy każdej zmianie resztki poprzedniego filamentu trzeba usunąć z dyszy, dlatego slicer dodaje obok modelu wieżę czyszczącą. Jej wielkość zależy od liczby zmian koloru, a nie od rozmiaru modelu. Każda zmiana kosztuje więc czas i materiał, co widać w cenie wydruku wielokolorowego.

Straty da się ograniczyć. Slicer może przepłukiwać dyszę do niewidocznego wypełnienia wewnątrz modelu zamiast do wieży, a samą wieżę drukować rzadziej tam, gdzie zmian koloru jest mało. Najwięcej oszczędza jednak projekt: model z kolorami ułożonymi w grubszych pasach wymaga mniej zmian niż ten sam model z kolorem zmieniającym się co kilka warstw. Druk wielokolorowy możesz zgłosić w wycenie Fabrix3D, wybierając opcję wielu kolorów; taki model wyceniamy indywidualnie.

Całością steruje elektronika z firmware, które wykonuje polecenia z pliku G-code przygotowanego przez slicer: ustawia temperatury, prędkości i ruchy osi oraz pilnuje czujników. To w slicerze i w profilu materiału zapisuje się większość wiedzy drukarni o tym, jak dana maszyna drukuje dany filament. Jak slicer przygotowuje ten plik, wyjaśnia poradnik Co to jest slicer.

Co z budowy drukarki wynika dla jakości i ceny

Zamawiając wydruk w usłudze, nie wybierasz maszyny, ale jej możliwości widać w ofercie. Lista dostępnych materiałów zależy od hotendu, dyszy i komory. Możliwość druku wielokolorowego zależy od systemu zmiany filamentu. Prędkość i powtarzalność wynikają z kinematyki i sztywności ramy. Wygląd spodu części zależy od powierzchni stołu, a jakość pierwszej warstwy od poziomowania. Czy własna drukarka się opłaca, rozważa poradnik Własna drukarka 3D czy usługa druku.

• Materiały ścierne i wysokotemperaturowe wymagają hartowanej dyszy i hotendu all-metal, a to droższe i szybciej zużywające się części.
• Tworzywa o dużym skurczu wymagają komory i zwykle wolniejszego druku, co podnosi koszt godziny pracy maszyny.
• Druk wielokolorowy zużywa dodatkowy materiał na wieżę czyszczącą i wydłuża czas, więc kosztuje więcej niż ten sam model w jednym kolorze.
• Wysokość warstwy i średnica dyszy to kompromis między wyglądem a czasem druku, który bezpośrednio przekłada się na cenę.