O que é impressão 3D FDM (Fused Deposition Modeling)? Explicado pelos Hubs

Modelagem de deposição fundida (FDM) A impressão 3D, também conhecida como fabricação de filamentos fundidos (FFF), é uma manufatura aditiva (AM) processo dentro do domínio da extrusão de material. A FDM constrói peças camada por camada depositando seletivamente material derretido em um caminho predeterminado e usa polímeros termoplásticos que vêm na forma de filamentos.

Compondo a maior base instalada de impressoras 3D de desktop e de nível industrial em todo o mundo, o FDM é a tecnologia mais usada e provavelmente o primeiro processo em que você pensa quando impressão 3D surge.

Neste artigo, abordamos os princípios básicos e as principais características dessa popular tecnologia aditiva. Também exploramos as diferenças entre as máquinas FDM construídas para aplicações desktop e industriais e fornecemos dicas e truques para engenheiros obterem os melhores resultados da impressão 3D FDM.

Assista antes de ler:como prototipar como um profissional com impressão 3D FDM

Este vídeo explica como usar a impressão 3D FDM para prototipagem rápida.

Como funciona a impressão 3D FDM?

Uma impressora 3D FDM funciona depositando material de filamento derretido sobre uma plataforma de construção camada por camada até que você tenha uma peça concluída. O FDM usa arquivos de design digital que são carregados na própria máquina e os traduz em dimensões físicas. Materiais para FDM incluem polímeros como ABS , PL , PETG e PEI , que a máquina alimenta como fios através de um bocal aquecido.

Para operar uma máquina FDM, você primeiro carrega um carretel desse filamento termoplástico na impressora. Uma vez que o bico atinge a temperatura desejada, a impressora alimenta o filamento através de um cabeçote de extrusão e bico.

Esta cabeça de extrusão está conectada a um sistema de três eixos que permite que ela se mova nos eixos X, Y e Z. A impressora extruda o material derretido em fios finos e os deposita camada por camada ao longo de um caminho determinado pelo projeto. Uma vez depositado, o material esfria e solidifica. Você pode conectar ventiladores ao cabeçote de extrusão para acelerar o resfriamento em alguns casos.

Para preencher uma área, são necessárias várias passagens, semelhante à coloração de uma forma com um marcador. Quando a impressora termina uma camada, a plataforma de construção desce e a máquina começa a trabalhar na próxima camada. Em algumas configurações de máquina, o cabeçote de extrusão se move para cima. Este processo se repete até que a peça seja finalizada.

Quais são os parâmetros de impressão para impressoras 3D FDM?

A maioria dos sistemas FDM permite ajustar vários parâmetros do processo. Isso inclui as temperaturas do bocal e da plataforma de construção, velocidade de construção, altura da camada e velocidade do ventilador de resfriamento. Se você é um designer, normalmente não precisa se preocupar com esses ajustes, pois um operador de AM provavelmente já tem isso coberto.

Os fatores que são importantes a serem considerados, porém, são o tamanho da construção e a altura da camada. O tamanho de construção comum de uma impressora 3D de mesa é 200 x 200 x 200 mm, enquanto as máquinas industriais podem atingir tamanhos de 1.000 x 1.000 x 1.000 mm. Se você preferir usar uma máquina desktop para imprimir sua peça, você pode dividir um modelo grande em partes menores e então remontá-lo .

A altura típica da camada do FDM varia entre 50 e 400 mícrons. A impressão de camadas mais curtas produz peças mais suaves e captura geometrias curvas com mais precisão, embora a impressão de camadas mais altas signifique que você pode criar peças rapidamente e por um preço mais baixo.

Dica de design: Um compromisso inteligente que recomendamos é imprimir camadas de 200 mícrons de espessura. Quer saber mais? Confira nosso artigo sobre o impacto da altura da camada em peças impressas em 3D .

Existe uma diferença entre impressoras FDM desktop e industriais?

As impressoras FDM geralmente se enquadram em duas categorias principais:máquinas industriais (também chamadas de profissionais) e de mesa (também chamadas de prototipagem). Ambos os tipos de impressora têm aplicações e vantagens distintas, embora a principal diferença entre as duas tecnologias seja a escala de produção.

As impressoras 3D industriais FDM, como a impressora 3D Stratasys, são muito mais caras do que suas contrapartes de desktop - as máquinas de desktop são principalmente para uso doméstico e do consumidor -, portanto, usá-las para suas peças personalizadas custará uma guia mais alta. Como as máquinas industriais são mais eficientes e poderosas do que as impressoras FDM de mesa, elas são usadas com mais frequência para ferramentas, protótipos funcionais e peças de uso final.

Além disso, as impressoras industriais FDM podem concluir pedidos maiores com muito mais rapidez do que as máquinas de mesa. Eles são projetados para repetibilidade e confiabilidade e podem produzir a mesma peça repetidamente com o mínimo de intervenção humana. As impressoras desktop FDM não são tão robustas. Com máquinas desktop, você precisa realizar manutenção frequente do usuário e calibração regular.

Na tabela abaixo, detalhamos as principais diferenças entre uma máquina FDM de mesa típica e uma industrial.

Propriedade	FDM industrial	FDM de área de trabalho
Precisão padrão	± 0,15% (limite inferior ± 0,2 mm)	± 1% (limite inferior:± 1,0 mm)
Espessura de camada típica	0,18 - 0,5 mm	0,10 - 0,25 mm
Espessura mínima da parede	1 mm	0,8 - 1 mm
Envelope máximo de compilação	Grande (por exemplo, 900 x 600 x 900 mm)	Médio (por exemplo, 200 x 200 x 200 mm)
Materiais comuns	ABS, PC, ULTEM	PLA, ABS, PETG
Material de suporte	Solúvel em água/quebrável	O mesmo que parte (normalmente)
Recursos de produção (por máquina)	Baixo/Médio	Baixo
Custo da máquina	$ 50.000+	$ 500 - $ 5.000

Quais são as características da impressão 3D FDM?

Embora as impressoras 3D FDM variem em termos de seus sistemas de extrusão e da qualidade das peças que você obtém de várias máquinas, existem características comuns que você pode esperar de cada processo de impressão FDM.

Warping

Warping é um dos defeitos mais comuns no FDM. Quando o material extrudado esfria durante a solidificação, suas dimensões diminuem. Como diferentes seções da peça impressa resfriam em taxas diferentes, suas dimensões também mudam em velocidades diferentes. O resfriamento diferencial causa o acúmulo de tensões internas que puxam a camada subjacente para cima, fazendo com que ela se deforme.

Existem várias maneiras de evitar a deformação. Um método é monitorar de perto a temperatura do seu sistema FDM, especialmente a plataforma de construção e a câmara. Você também pode aumentar a adesão entre a peça e a plataforma de construção para mitigar o empenamento.

Fazer certas escolhas durante o processo de design também pode reduzir a probabilidade de sua peça empenar. Aqui estão alguns exemplos:

• 
  Áreas grandes e planas - como você veria em uma caixa retangular - são mais propensas a deformações. Tente evitá-los sempre que possível.
  
• 
  Características salientes finas - pense nas pontas de um garfo - também são propensas a deformar. A adição de material extra de guia ou de alívio de tensão nas bordas de recursos finos para aumentar a área que faz contato com a plataforma de construção ajuda a evitar isso.
  
• 
  Os cantos afiados se deformam com mais frequência do que as formas arredondadas, por isso recomendamos adicionar filetes ao design.
  
• 
  Cada material tem sua própria suscetibilidade à deformação. Por exemplo, o ABS é geralmente mais sensível à deformação do que o PLA ou PETG, por exemplo.
  

Adesão da camada

A adesão segura entre as camadas depositadas de uma peça é fundamental no FDM. Quando uma máquina FDM faz a extrusão de termoplástico fundido através do bocal, este material pressiona a camada previamente impressa. A alta temperatura e pressão fazem com que essa camada derreta novamente e permita que ela se ligue à camada anterior.

E como o material fundido pressiona contra a camada previamente impressa, sua forma se deforma para um oval. Isso significa que as peças FDM sempre têm uma superfície ondulada, independentemente da altura da camada é usado e que pequenos recursos, como pequenos buracos ou tópicos , pode exigir pós-processamento.

Estrutura de suporte

As impressoras FDM não podem depositar termoplástico fundido no ar. Certas geometrias de peças requerem estruturas de suporte , que geralmente são impressos no mesmo material que as próprias peças.

Muitas vezes, remover os materiais da estrutura de suporte pode ser difícil, por isso é muito mais fácil projetar peças de forma a minimizar a necessidade de estruturas de suporte. Materiais de suporte que se dissolvem em líquidos estão disponíveis, mas geralmente você os usa em conjunto com impressoras 3D FDM de última geração. Esteja ciente de que o uso de suportes dissolvíveis aumentará o custo total de uma impressão.

Preenchimento e espessura da casca

Para reduzir o tempo de impressão e economizar materiais, as impressoras FDM geralmente não produzem peças sólidas. Em vez disso, a máquina traça o perímetro externo - chamado de casca - ao longo de várias passagens e preenche o interior - chamado de preenchimento - com uma estrutura interna de baixa densidade.

Preenchimento e espessura da casca afetar significativamente a resistência das peças impressas em FDM. A maioria das impressoras FDM de mesa tem uma configuração padrão de densidade de preenchimento de 20% e espessura de revestimento de 1 mm, o que fornece um compromisso adequado entre força e velocidade para impressões rápidas.

A tabela abaixo resume as principais características da impressão 3D FDM.

	FDM
Materiais	Termoplásticos (PLA, ABS, PETG, PC, PEI etc)
Precisão dimensional	± 0,5% (limite inferior ± 0,5 mm) - desktop ± 0,15% (limite inferior ± 0,2 mm) - industrial
Tamanho de compilação típico	200 x 200 x 200 mm - área de trabalho 900 x 600 x 900 mm - industrial
Espessura de camada comum	50 a 400 mícrons
Suporte	Nem sempre necessário (dissolvível disponível)

Quais são os materiais comuns para impressão 3D FDM?

Uma das principais vantagens do FDM (desktop e industrial) é a ampla gama de materiais da tecnologia. Isso inclui termoplásticos de commodities, como PLA e ABS , materiais de engenharia como PA, TPU e PETG e termoplásticos de alto desempenho, incluindo PEEK e PEI .

O filamento PLA é o material mais comum usado em impressoras FDM de mesa. A impressão com PLA é relativamente fácil e pode produzir peças com detalhes mais finos. Quando você precisa de maior resistência, ductilidade e estabilidade térmica, normalmente usa ABS. No entanto, o ABS é mais propenso a empenar, especialmente se você estiver usando uma máquina que não possui uma câmara aquecida.

Outra alternativa para a impressão FDM de mesa é o PETG, que é comparável ao ABS em sua composição e pela facilidade de impressão. Todos esses três materiais são adequados para a maioria das aplicações de serviços de impressão 3D, desde a prototipagem até a forma, ajuste e função, até a produção de modelos ou peças funcionais em baixo volume.

As máquinas industriais FDM, por outro lado, usam principalmente termoplásticos de engenharia , incluindo ABS, policarbonato (PC) e Ultem. Esses materiais geralmente vêm equipados com aditivos que alteram suas propriedades e os tornam particularmente úteis para necessidades industriais como alta resistência ao impacto, estabilidade térmica, resistência química e biocompatibilidade.

A impressão em diferentes materiais afetará as propriedades mecânicas e a precisão de sua peça, bem como seu custo. Comparamos os materiais FDM mais comuns na tabela abaixo.

Material	Características
ABS	+ Boa força + Boa resistência à temperatura - Mais suscetível a deformações
PL	+ Excelente qualidade visual + Fácil de imprimir com - Baixa resistência ao impacto
Nylon (PA)	+ Alta resistência + Excelente resistência ao desgaste e química - Baixa resistência à umidade
PETG	+ Alimentos Seguros* + Boa força + Fácil de imprimir com
TPU	+ Muito flexível - Difícil imprimir com precisão
PEI	+ Excelente resistência ao peso + Excelente resistência ao fogo e química - Alto custo

Para mais detalhes, veja esta revisão das principais diferenças entre PLA e ABS —os dois materiais FDM mais comuns—e uma extensa comparação de todos os materiais FDM comuns .

Pós-processamento para impressão 3D FDM

Peças impressas em 3D FDM pode ser acabado com um padrão bastante alto através de vários métodos de pós-processamento, incluindo lixamento e polimento, primer e pintura, soldagem a frio, alisamento de vapor, revestimento epóxi e revestimento de metal.

Interessado em explorar todas as opções de pós-processamento para sua próxima produção de peças FDM? Leia nosso guia abrangente ao que está disponível.

Quais são as práticas recomendadas para impressão com FDM?

• 
  A FDM pode produzir protótipos e peças funcionais de forma rápida e econômica.
  
• 
  Existe uma vasta gama de materiais disponíveis para FDM.
  
• 
  O tamanho de construção típico de uma impressora 3D FDM de mesa é 200 x 200 x 200 mm. As máquinas industriais têm um tamanho de construção maior.
  
• 
  Para evitar deformações, evite grandes áreas planas e adicione filetes aos cantos afiados.
  
• 
  O FDM é inerentemente anisotrópico, por isso não é adequado para componentes mecanicamente críticos.
  
• 
  O tamanho mínimo do recurso das máquinas FDM é limitado pelo diâmetro do bico e pela espessura da camada.
  
• 
  A extrusão de material impossibilita a produção de recursos verticais (na direção Z) com geometria menor que a altura da camada (normalmente 0,1 - 0,2 mm).
  
• 
  O FDM normalmente não pode produzir recursos planares (no plano XY) menores que o diâmetro do bico (0,4 - 0,5 mm).
  
• 
  As paredes devem ser pelo menos 2 a 3 vezes maiores que o diâmetro do bocal (ou seja, 0,8 - 1,2 mm).
  
• 
  Se você deseja produzir superfícies lisas e recursos muito finos, pode precisar de pós-processamento adicional, como jateamento de areia e usinagem. Outra tecnologia AM como SLA pode ser mais adequada neste caso.
  

Pronto para colocar suas peças em produção? Acesse a plataforma Hubs e criaremos uma cotação instantânea para todas as suas necessidades de impressão 3D FDM.

Perguntas frequentes

Quais são as vantagens da impressão 3D FDM?

O FDM é mais econômico do que qualquer tecnologia de manufatura aditiva e faz uso de uma ampla variedade de materiais termoplásticos. A fabricação com FDM também significa prazos de entrega mais curtos.

Quais são as desvantagens da impressão 3D FDM?

Embora o FDM seja muito econômico, ele também possui a resolução mais baixa em comparação com outras tecnologias de impressão 3D. Isso a torna uma opção menos viável para peças com detalhes muito pequenos.

O FDM requer pós-processamento?

As peças impressas usando FDM provavelmente terão linhas de camada visíveis, portanto, o pós-processamento é necessário para dar às peças um acabamento suave.  

Qual é a precisão do FDM?

Em geral, a precisão da peça depende de como você calibrou sua impressora FDM e da complexidade do seu modelo. As impressoras industriais FDM produzem peças com mais precisão do que as máquinas de mesa, mas a tecnologia de impressora 3D doméstica está alcançando rapidamente.

Quão caro é o FDM?

O FDM é a maneira mais econômica de produzir peças termoplásticas personalizadas e protótipos no mercado hoje. O Desktop FDM é a opção mais econômica, mas produz peças de qualidade inferior à de sua contraparte industrial.

Quais materiais estão disponíveis para FDM?

Uma ampla gama de materiais está disponível para FDM, incluindo PLA, ABS, TPU, PETG e PEI.

Qual é a velocidade do FDM?

A produção de peças personalizadas com FDM é relativamente rápida, com prazos de entrega tendendo a ser curtos (normalmente apenas alguns dias).

Para que o FDM é usado principalmente?

A tecnologia FDM tende a ser mais adequada para aplicações de prototipagem, modelagem e fabricação de baixo volume. O FDM em escala industrial pode ser usado para protótipos funcionais e peças de uso final, entre outras aplicações.

Por que o FDM é atualmente a tecnologia de impressão 3D mais popular?

As impressoras FDM produzem peças de alta qualidade a partir de materiais duráveis, capazes de reter propriedades mecânicas sólidas. Ambos os tipos de máquinas FDM oferecem alta precisão dimensional e, mesmo no nível industrial, o FDM tende a ser mais econômico do que outros processos de AM.