FDM

Jedna z nejrozšířenějších „domácích“ technologií je Fused Deposition Modeling (FDM), často také označovaná jako Metal FDM. Metoda se používá nejčastěji pro výrobu (tisk) prototypových funkčních komponent a vybraní zástupci tiskáren využívající technologii FDM jsou zobrazeny na Obr. 7.

Obr. 7 Příklady 3D tiskáren využívající technologii FDM
Zdroj: www.prusa3d.cz
Zdroj: www.cz.rs-online.com
Zdroj: www.forgelabs.com

Největší výhodou je dostupnost a relativně nízké pořizovací náklady této technologie. Nevýhodou je poněkud delší čas výroby například oproti metodě SLA. Funkční prototypy disponují poměrně dobrými mechanickými vlastnostmi, které se blíží vlastnostem finálních produktů, a dobrou přesností tisku, která je dána průměrem trysky. Principem FDM je natavování přídavného materiálu v podobě drátu a jeho vytlačování malou tryskou viz Obr. 8.

Obr. 8 Princip technologie 3D tisku FDM
Zdroj: www.vutbr.cz

 Používá se buď pouze konstrukční materiál nebo konstrukční materiál v kombinaci s podpůrným, který se pak odstraní v rozpouštědle a slouží pouze k řádnému dokončení stavby. Konstrukčních materiálů je velká řada a jejich množství se s rozvojem technologie stále rozšiřuje, nejznámější materiály pro FDM jsou zobrazeny na Obr. 9.

Obr. 9 Nejznámější konstrukční materiály technologie FDM

PLA
PLA je zkratka pro Polyactic Acid a je to nejčastější filament, který lidé používají pro 3D tisk. PLA je biologicky rozložitelný a bioaktivní termoplast vyrobený z přírodních produktů jako je kukuřičný škrob. Ve srovnání s jinými materiály je PLA poměrně šetrné k životnímu prostředí. Samotný tisk z tohoto materiálu je velice snadný, probíhá za nižších teplot a je rychlý, zřejmě proto je tento materiál lidmi tak oblíben. Výsledné díly se příliš nesmršťují, dobře vypadají ihned po tisku a je možné je následně snadno dále zpracovávat. Pro zlepšení pevnosti mezi jednotlivými vrstvami je možné díly „zapéct“. Mezi velké nevýhody PLA patří špatná teplotní stabilita již při teplotách 60 °, která může vést ke stálé deformaci, špatná odolnost proti UV záření, trvanlivost a odolnost proti napětí. Výrobky z PLA lze poměrně snadno rozlomit, a proto se používají především pro aplikace a výrobu prototypů, které nebudou zatíženy velkými silami.
 
PET/PETG
Polyethylentereftalát (PET) je termoplastická polymerová pryskyřice z rodiny polyesterů. Je kombinována ze dvou monomerů a široce se používá téměř pro všechny plastové výrobky od lahví až po oblečení. PET je jeden z hlavních plastů znečišťujících naše oceány, ovšem z hlediska aditivních technologií se jedná o velice kvalitní konstrukční materiál, který má plno výhod. V oblasti 3D tisku je však známější varianta PETG, kde je do materiálu přidáván navíc ještě glycol pro zvýšení pevnosti a trvanlivosti výrobků. PETG se na rozdíl od PLA tiskne trochu obtížněji, je měkčí a finální výrobky jsou sice velice pěkné a hladké, ale mohou vypadat hůře než u PLA. Na druhou stranu má PETG mnoho zásadních výhod. PETG je recyklovatelné, může být bezpečné pro potraviny (dokonce sterilní), odolné proti vlhkosti, odolnější proti zatížení (flexibilní, ihned nepraskne) a teplotnímu vlivu. Výrobky je možné dále opracovávat a barvit pro lepší vzhled.

ABS
Akrylonitril butadienstyren, neboli ABS je amorfní polymer hojně používaný v oblasti FDM aditivních technologií. Vyrábí se procesem emulze ze tří složek, nebo vlastní recyklací. V průmyslu se široce používá pro aplikace vyžadující vyšší pevnost například k výrobě klávesnic, či jiného plastového každodenního zboží. V současnosti je pomalu vytlačován jinými kompozitními materiály. Nevýhodou tohoto plastu je poměrně obtížný proces tisku za vyšších teplot. Při zahřátí (tisku) tento materiál zapáchá a nasává vzdušnou vlhkost. Na druhou stranu jsou produkty z ABS vysoce odolné proti napětí, teplotně stabilní, odolné proti abrazi, tuhé a trvanlivé. Současně je lze následně opracovávat, barvit, nebo vyhlazovat vrstvy pomocí acetonu.

ASA
ASA je akrylonitrilový styrenakrylát, původně vytvořený termoplast jako alternativa k ABS. Hlavním účelem materiálu ASA je tedy získat vysoce kvalitní a odolné díly, které budou navíc odolné i vůči UV záření a budou odolné v teplotním rozsahu od -65 až +98 °C. ASA se doporučuje pro součásti používané ve venkovních prostorech právě kvůli odolnosti proti povětrnostním podmínkám, teplotám a UV záření. Stejně jako u ABS je tisk poněkud obtížnější a probíhá za vysokých teplot. Dokončený produkt časem může ztrácet lehce barvu a například zežloutnout. Nicméně ASA je odolnější proti praskání napětím ještě více než ABS, lze také dokončovat například vyhlazováním pomocí acetonu, a je to velice silný a odolný materiál.

PC
Polykarbonát, nebo jednoduše PC je termoplastický polymer obsahující karbonátové skupiny, díky nimž je vlákno mnohem pevnější a je další vhodnou alternativou k ABS. V průmyslu se používá například v letectví, stavebnictví, lékařství, ale také pro výrobu lahví, sklenic nebo elektroniky. Ve srovnání s ABS se tiskne o něco lépe, ale také za vysokých teplot. Absorbuje hodně vlhkosti a je citlivý na UV, takže pro venkovní použití je vhodnější například ASA. PC ale může být sterilní, je teplotně odolné, pevné a snadno se následně dále opracovává.

Nylon
Nylon je materiál s dobrou pověstí díky skvělým mechanickým vlastnostem vhodným pro prototypy. Nylonová vlákna mohou být vytvořena z různých polyamidů s unikátními vlastnostmi, které mohou ovlivnit úroveň houževnatosti. Tento materiál se používá také pro 3D tisk technologií SLS. Nylon je vysoce odolný proti nárazům, dokonce je udáván z těchto vybraných materiálů jako nejodolnější vůči rázu. Konečné díly jsou trvanlivé, kvalitní, vysoce pevné, teplotně odolné. Tisk je však poměrně obtížný kvůli své pružnosti, zároveň je nylon hydroskopický (nasákne hodně vlhkosti) a zapáchá.

TPU
Termoplastický polyuretan (TPU) je materiál podobný kaučuku používaný v oblasti aditivních technologií pro polo pružné součásti. Technicky se jedná o polyuretanový plast a blokový kopolymer tvořený řetězcem tvrdých a měkkých segmentů. Oproti ostatním vybraným materiálům jsou výsledné produkty pružné (flexibilní). Samotný tisk je obtížný a probíhá za vysokých teplot. Součásti vytvořené z TPU jsou dobře odolné proti opotřebení, odolné teplotám až do 80 °C, ale velice obtížné pro postprocesing a lepení dílů k sobě.

Porovnání vybraných materiálů
Na následujícím Obr. 10 je zobrazeno srovnání vybraných materiálů na základě několika kritérií.

Obr. 10 Porovnání vybraných materiálů
Zdroj: www.hubs.com
 
Obtížnost tisku zahrnuje adhezi k podložce, rychlost tisku, zmetkovitost, přesnost dílů atp. Vizuální kvalita udává výsledný vzhled výrobků. Maximální napětí je velikost napětí před poškozením součásti (prasknutí). Tažnost do prasknutí zase porovnává maximální prodloužení před prasknutím. Odolnost proti rázu porovnává potřebnou energii pro přeražení dílců. Adheze vrstev řeší soudržnost jednotlivých vrstev materiálu mezi sebou a odolnost proti teplotě zase porovnává teploty při kterých dochází ke změknutí a deformaci daných materiálů.
Vhodný výběr materiálu je zásadním krokem pro dosažení požadovaných vlastností 3D vytištěných dílů technologií FDM. Současně dodavatelé materiálů používají různé přísady, které upravují výsledné vlastnosti výrobků, a proto se jednotlivé materiály od různých výrobců z hlediska vlastností mohou lišit.