Công nghệ FDM (Fused Deposition Modeling) do Stratasys phát minh những năm 1980. Công nghệ này nung chảy sợi nguyên liệu thành dạng bán lỏng ( chưa lỏng hoàn toàn, vẫn còn giữ được dạng sợi), đồng thời sử dụng một đầu vòi phun vừa phun sợi nguyên liệu bán lỏng vừa chuyển động theo 3 trục X, Y, Z để tạo từng lớp từng lớp layer chồng lên nhau theo biên dạng mặt cắt của bản thiết kế. Do tính chất “bán lỏng” nên khi sợi nguyên liệu đông kết lại đã kịp kết dính với lớp layer trước nó. Quá trình này lặp lại cho đến khi vật thể được in hoàn chỉnh.
Hình 3.6 máy tạo mẫu nhanh FDM
Quy trình :
Quy trình FDM bao gồm các bước cơ bản để tạo ra mô hình chi tiết như sau: thiết kế mô hình CAD, chuyển đổi mô hình CAD sang định dạngSTL (Stereol I thography), máy tính phân tích file .STL để xác định rõ ràng mô hình cho sản xuất
và cắt lớp mỏng trên mặt cắt ngang, sự tạo thành mô hình theo từng lớp chồng lên nhau, làm sạch và hoàn thành. Nguyên lý hoạt động: Hình 3.7 nguyên lý hoạt động FDM FDM là một trong những công nghệ tạo mẫu nhanh bằng phương pháp lắng động vật liệu rồi hóa rắn tạo từng lớp tạo nên cấu trúc chi tiết. Vật liệu ban đầu được được cấp từ cuộn dây cấp liệu, vật liệu sẽ được kéo bởi các hệ thống con lăn. Các con lăn có nhiệm vụ kéo và đưa vật liệu vào hệ thống đầu đùn, trong quá trình di chuyển đến miệng vòi đùn, vật liệu sẽ đi qua bộ phần gia nhiệt và được gia nhiệt và hóa dẻo, sau đó được ép ra ngoài bởi một áp lực sao cho tốc độ ra và tốc độ hóa dẻo tương ứng với nhau, cùng với quá trình ép vật liệu ra khỏi vòi đùn thì đầu đùn cũng di chuyển theo biên dạng 2D tương ứng với lớp cắt chi tiết trên mô hình ảo của phần mềm hỗ trợ, sau khi quét xong một biên dạng 2D, cùng lúc đó, đầu đùn sẽ đùn ra một biên dạng 2D tương ứng với biên dạng mà đầu đùn đã quét, cứ như vậy, quá trình quét từng lớp sẽ tạo ra các lớp đùn được xếp chồng lên nhau và được kết dính lại trong quá trình di chuyển pha từ dẻo sang rắn của vật liệu tạo mẫu. Một mẫu được tạo hình hoàn tất khi tất cả các biên dạng được đùn ra hết và kết dính từng lớp lại với nhau.
VẬT LIỆU SUPPORT IN 3D
Phần nhô ra hoặc phần cách ly của các chi tiết FDM đòi hỏi trợ giúp chung gian trong quá trình xây dựng. Các máy FDM sử dụng miệng phun thứ hai bên cạnh miệng phun cơ bản để phun vật liệu phụ trợ cần thiết. (Stratasys) cung cấp 2 loại vật liệu phụ trợ. Vật liệu loại sáp cho các máy với giá thấp và loại vật liệu tan trong nước với máy có giá đắt hơn. Sáp phụ trợ có thể bị phá hỏng từ chi tiết nhưng rất khó gỡ bỏ từ các rãnh bên trong hoặc các chi tiết nhỏ. Vật liệu phụ trợ tan trong nước có thể bị hoà tan trong một bể được khuấy. Các phụ trợ khác đều được loại bỏ, chi tiết FDM không cần khâu hậu xử lý.
Hình 3.8 quá trình tạo mẫu nhanh FDM.
Độ chính xác và chất lượng bề mặt in 3D FDM
Hệ thống FDM của hãng Stratasys với cấp chính xác nằm trong dải
+/- 0,005 inc ( +/- 0,127 mm). Độ nhám bề mặt của chi tiết FDM không tốt bằng chi tiết chế tạo từ phương pháp Stereolithography nhưng cao hơn so với những chi tiết sản xuất bằng Lazer Sintering. Nhưng ngược lại các chi tiết dung phương pháp chiếu có kết cấu mịn. Chi tiết FDM xuất hiện gân bởi vì cả các lớp ngang và đường dịch chuyển đều xuất hiện lặp lại.
Vật liệu in 3D: Những năm qua, Stratasys đã phát triển một số vật liệu bột nhựa cho hệ thống FDM. Một loại để sản xuất ra chi tiết có chất lượng cao là ABS. Một số loại vật liệu khác gồm sáp dùng cho khuôn xung quanh chi tiết, polycacbonate cho các chi tiết bền, và polyphenyl sulfones dùng cho các ứng dụng chịu nhiệt. Chi tiết FDM do được chế tạo từ các vật liệu đã qua nóng chảy và đông đặc, thể hiện
đặc tính vật lý đóng so với các chi tiết làm từ vật liệu tương tự nhưng bằng phương pháp khác.
Tốc độ in 3D: Bởi vì hệ thống FDM tạo chi tiết bằng cách kéo dài thu hẹp các hạt vật liệu, chi tiết rộng, dạng khối hoặc có thành dày phải mất một thời gian dài mới hoàn thành. Những chi tiết nhỏ hoặc thành mỏng có thề được tạo ra khá nhanh. Thời gian cần thiết để chế tạo chi tiết phụ thuộc vào tốc độ đông đặc của hệ thống FDM ( xác định bằng kích thước của vòi phun), chiều cao của chi tiết ( số lượng lớp ) kích thước chiều ngang của chi tiết ( thời gian cần thiết để đông đặc mỗi lớp) , số lượng và độ phức tạp của phụ gia đòi hỏi ( phụ gia cho mỗi lớp tạo thanh một bước riêng biệt).
Ưu nhược điểm của FDM
Ưu điểm:
- Sự mô hình hóa các khái niệm làm cho đánh giá hiệu quá hơn, những thông số và giao tiếp của người thiết kế. Nó có chia sẽ những thiết kế mới của sản phẩm với quản lý, khách hàng, người mua, thị trường và sự chế tạo.
- Chức năng của mẫu FDM sử dụng nhựa dẻo công nghiệp. Đây là một thuận lợi là có thể cho phép người sử FDM để kểm tra môi trường thật và đưa đến quyết định chi phí sản xuất của sản phẩm.
- Giá thành của máy rẻ hơn so với các công nghệ tạo mẫu nhanh khác như những máy sử dụng tia lazer.
- Nâng cao khả năng chế tạo các sản phẩm 3D phức tạp
- Tạo ra các mẫu có chất lượng cao và tính chất của vật liệu được sử dụng ít có sự thay đổi.
- FDM có thể sản xuất ra những sản phẩm công cụ như là dụng cụ kẹp, đồ gá, bộ phận hỗ trợ lắp ráp và sản phẩm dụng cụ trong hàng giờ, không cần gia công và dụng cụ. FDM có thể giảm thời gian để lắp ráp dụng cụ đến 85%.
- Các vật liệu được sử dụng không độc hại nên không lo lắng đối với việc phải tiếp xúc với hóa chất độc hại, các tia laser hoặc các chất hóa học dạng lỏng.
- Vật liệu dễ tìm, nhiều kích thước và dạng khác nhau, giá vật liệu luôn duy trì ở mức tương đối thấp nên có thể linh hoạt trong việc lựa chọn và thay đổi vật liệu.
- Dễ dàng loại bỏ vật liệu đỡ.
- Có khả năng tái chế bởi trong quá trình tạo mẫu sản phẩm, sẽ có một số mẫu không đạt yêu cầu do ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài, các mẫu dùng để đo đạt trong các thí nghiệm đo độ bền như kéo, nén, chịu va đập, … và các nhựa bị loại bỏ từ mẫu sản phẩm sau quá trình hậu sử lý mẫu, …
- Tạo được nhiều kích cỡ mẫu phù hợp và tạo ra một kênh thông tin hiệu quả giữa các bộ phận có liên quan.
Nhược điểm:
- Bề mặt mẫu tạo ra có độ nhám cao do nguyên tắc gia công theo lớp, giữa các lớp có đường phân cách.
- Khó có thể tự động khi thay đổi loại vật liệu do các loại vật liệu khác nhau thì nhiệt độ cũng khác nhau nên khó điều chỉnh.
- Có sự chênh lệch kích thước mẫu so với kích thước trên mô hình CAD