FPD – Fast Plastic Deposit: Development of a high-speed extrusion-based additive manufacturing system

ABSTRACT: Fast Plastic Deposit (FPD) is an extrusion-based additive manufacturing (AM) technology developed by the authors to overcome the thermal, rheological, and dynamic limitations characteristic of high-speed and large-format Fused Deposition Modeling (FDM). The proposed approach integrates a multi-zone melt-conditioning block, reinforced high-torque filament feeding, a dual-nozzle deposition architecture, and predictive extrusion control. These features enable volumetric flow rates that significantly exceed those achievable with conventional desktop and industrial FDM systems. A prototype machine incorporating a 1 × 1 × 1 m heated chamber was constructed and subjected to extensive thermal, geometric, rheological, and mechanical testing. The results demonstrated melt-pool stability, volumetric flow rates above 25 g/min, and dimensional accuracy within ±0.1 mm, while maintaining consistent surface quality. Additionally, the printing time for a 5.5 kg demonstrator part was reduced by more than 60% compared with a professional FDM platform. These findings position FPD as a viable methodology for high-throughput polymer AM applications.

KEYWORDS: FPD – Fast Plastic Deposit, high speed additive manufacturing, multi-zone melt conditioning block, filament feeding, extrusion control

STRESZCZENIE: Szybkie osadzanie plastiku (FPD) to oryginalna technologia wytwarzania addytywnego (AM) oparta na wytłaczaniu, opracowana przez autorów w celu pokonania ograniczeń termicznych, reologicznych i dynamicznych charakterystycznych dla szybkiego i wielkoformatowego osadzania topionego materiału (FDM). Proponowane podejście integruje wielostrefowy blok kondycjonowania stopu, wzmocniony układ podawania filamentu o wysokim momencie obrotowym, architekturę osadzania z dwiema dyszami oraz predykcyjne sterowanie wytłaczaniem. Cechy te umożliwiają uzyskanie objętościowych natężeń przepływu znacznie przewyższających te osiągalne w konwencjonalnych stacjonarnych i przemysłowych systemach FDM. Zbudowano prototyp maszyny z komorą grzaną o wymiarach 1 × 1 × 1 m i poddano go obszernym testom termicznym, geometrycznym, reologicznym i mechanicznym. Wyniki wykazały stabilność w obszarze roztopionego materiału, objętościowe natężenia przepływu powyżej 25 g/min i dokładność wymiarową poniżej ±0,1 mm, przy jednoczesnym zachowaniu stałej jakości powierzchni. Dodatkowo, czas drukowania demonstracyjnego detalu o masie 5,5 kg został skrócony o ponad 60% w porównaniu z profesjonalną platformą FDM. Wyniki te potwierdzają, że FPD jest metodą nadającą się do stosowania w wysokowydajnych technologiach wytwarzania przyrostowego polimerów.

SŁOWA KLUCZOWE: szybkie osadzanie plastiku FPD, produkcja addytywna o dużej prędkości, wielostrefowy blok kondycjonowania topienia, podawanie filamentu, kontrola wytłaczania

BIBLIOGRAFIA / BIBLIOGRAPHY:

[1] Gibson I., Rosen D., Stucker B., “Additive Manufacturing Technologies. 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing”, Springer New York, NY. 2015.

[2] Brooks H., Ulmeanu M., Piorkowski B. “Research towards high speed extrusion freeforming”. International Journal of Rapid Manufacturing.January 2013

[3] Vicente C. M. S.,Sardinha M., Reis L., Ribeiro A.,Leite M. “Large-format additive manufacturing of polymer extrusion-based deposition systems: review and applications”, Progress in Additive Manufacturing. Springer. Issue 6/2023.

[4] Chauvette J., Brzeski D., Iee Lee Hia, Rouhollah D. Farahani, Piccirelli N.,Therriault D. “High-speed multinozzle additive manufacturing and extrusion modeling of large-scale microscaffold networks”. Additive Manufacturing.Elsevier.Volume 47, November 2021

[5] Go J., Hart A.J., “Fast Desktop-scale Extrusion Additive Manufacturing”. Additive Manufacturing. Elsevier. Volume 18, 2017, p. 276-284.

[6] Yao W., Gao Y., Huang X., Du H. “Influence of printing speed and extrusion speed on the performance and pore structures of 3D printed mortar”. Construction and Building Materials. Elsevier. Volume 493, 26 September 2025.

[7] Kantaros A., Katsantoni M., Ganetsos T., Petrescu M. “The Evolution of Thermoplastic Raw Materials in High-Speed FFF/FDM 3D Printing Era: Challenges and Opportunities”. Materials 2025. MDPI. March 2025.

DOI: https://doi.org/10.17814/mechanik.2025.12.12

 

* Artykuł recenzowany