Те, кто занимаются 3d печатью, а, особенно, инженерной 3d печатью, для создания разнообразных технических конструкций, не понаслышке знают, что постоянно приходится ломать голову над прочностью получаемых конструкций. 

Первым побуждением в этом процессе является «залить наглухо, на 100% — и гори оно всё…» (грешен, сам практикую :-B). 

Однако, есть и гораздо более интересные варианты, которые позволяют добиться достаточно впечатляющих результатов… 

До начала рассказа, хотел бы сказать, что 3d печать в сочетании с электроникой и программированием — это поразительная смесь и позволяет создавать удивительные вещи — фактически, при некотором приложении рук, вам становится доступно практически всё: да, может быть, из-за использования наиболее доступного типа принтеров — fdm, результат может выглядеть не особо презентабельно, однако, это дело поправимое, — стоит только перейти на фотополимерные принтеры… 

Как я уже упомянул выше, прочность создаваемых моделей в этом процессе является довольно важным моментом, так как понимание, как её добиться минимальными средствами позволяет как экономить материал, так и, при отсутствии внимания к этому вопросу, может обернуться неожиданными негативными последствиями — приведу пример из своей практики: прямо в данный момент, я собираю одного робота, который поднимает и опускает дверку, которая расположена горизонтально. 

Когда изначально я всё это проектировал, я подумал: «да ладно, чего там — шаговый двигатель, запитанный от 12 в не справится что ли?! Сможет он её открыть, чего там такого…» 

Забегая вперёд: нет, не справился! :-D и теперь, постфактум, мне приходится решать проблемы: 

• На первом этапе — поднял напряжение питания с 5 В (изначально) — до 12 В: не помогло;

• Изначально поставил компактные двигатели типа такого — потом поменял двигатели на полноформатные, примерно такие: не помогло;

• И, сейчас, вынужденно, пришёл к третьему этапу: остаётся только уменьшать вес самой дверки, которую изначально я «заливал наглухо», на 100%...

Таким образом, мы здесь видим, что моё стремление к мнимой прочности — обернулось неожиданными проблемами из-за веса (хотя там дверка то смешная, на первый взгляд — где-то 120х200 мм, толщиной 5 мм (смех, да и только!). Казалось бы… А вот, такие проблемы!  

Предупреждая вопросы: редукторную передачу на шестернях или какие-либо вспомогательные рычаги (чтобы привод шёл не от самой двери, а от рычагов) для помощи подъёму поставить невозможно по ряду причин…

Возвращаясь снова к нашей проблеме, можно сказать, что, по большому счёту, вопрос даже не в расходе материала, а в самом принципе, который мог бы позволять изделиям, даже относительно малого заполнения, обладать той же прочностью, что и полнотелые… 

Кроме того, этот же вопрос, по сути, даёт повод задуматься и над тем, — возможно ли добиться сходной прочности, при меньшей толщине?! И это, на мой взгляд, могло бы быть даже более продвинутым вариантом решения задачи и более правильным, с инженерной точки зрения… 

Что же обо всём этом думает наука? 

На данный момент, 3d печать наверное уже нельзя назвать новым явлением, — так как она активно развивается примерно с 2009 года — тогда произошло истечение патента 1988 года, на послойное направление пластика, что привело к взрывному распространению печати, учитывая ещё, что на тот момент уже существовала некоторая основа — был проект любительского 3d принтера RepRap, и пропадание юридических препон сделало технологию по-настоящему массовой. 

Учёные исследуют вопросы касательно прочности 3d печати практически с момента её появления, и, к настоящему моменту, накопилось довольно много данных (сотни, если не тысячи научных статей), в которых мы можем найти для себя очень много любопытного… 

Например, обратимся вот к этому исследованию, где был произведён анализ того, как влияет наполнение и его геометрия на прочностные характеристики, где в качестве объекта для исследования были взяты распечатки из PLA-пластика, из которых были изготовлены пластины, размером 165х13х3,2 мм, с тремя типами заполнений: гироидное (G), кубическое (C), линейное (L), где каждый тип заполнения был протестирован ещё и с разной степенью заполнения: 20%, 40%, 60%, 80%:

Все образцы тестировались на разрыв, для чего применялась специальная машина для тестирований подобного рода — INSTRON 5500R:

Машина вытягивала образцы со скоростью 5 мм/мин, где при этом фиксировались малейшие изменения прочности, производимые специальным программным обеспечением (Bluehill 3, вер. 3.81). 

Результаты исследования показали, что при 20% заполнении имелась относительно большая разница в прочности, зависящая от шаблона заполнения, где наилучшие результаты были достигнуты при линейном его типе:

Как можно видеть по картинке выше, с ростом процента заполнения, начиная с 40% — резко растёт прочность на растяжение у кубического типа, тогда как у остальных типов остаётся примерно на том же уровне — пропорционально подрастает, однако, всё равно оказывается ниже, чем у кубического, впрочем, при 80% заполнении все параметры примерно выравниваются, хотя, кубический всё равно оказывается выше. 

Таким образом, из этого графика можно сделать вывод, что кубический тип существенно выигрывает у всех остальных, при 40-60% заполнении. 

В том же исследовании подробно рассматриваются и другие параметры: например, такие, как предел текучести, модуль упругости, пластичность, где отмечается, что подобный рост прочности кубического заполнения параллельно приводит и к потере пластичности, поэтому, если рассматривать все параметры, а не только прочность, то самым сбалансированным вариантом является гироидный тип заполнения.*

*Соотнося свой собственный опыт с этим исследованием, могу сказать, что, учитывая относительную (по сравнению с другими пластиками) жёсткость PLA-пластика, для своих собственных распечаток, меня вряд ли заинтересовала бы гибкость этого пластика, так что, на мой взгляд, из всего этого можно сделать вывод, что достижение максимальной прочности — это именно то, за что можно побороться с применением PLA. 

Таким образом, на мой взгляд, в зависимости от тех нагрузок, которые предполагаются на деталь, вполне можно остановиться на 40%, 60% или даже 80% — заполнении, в зависимости от тех нагрузок, которые предполагаются на деталь.

Впрочем, там же была проанализирована и изгибная прочность, в зависимости от температуры, когда на образцы прикладывалась знакопеременная нагрузка, с частотой в 10 Гц, при разной температуре, где результаты показывают, что уже начиная примерно с 50°С пластик существенно теряет упругость и становится пластичным, где процент и тип заполнения уже не имеют особого значения; также, кроме внешней температуры, начинается ещё существенное внутреннее выделение теплоты при изгибах, что ещё более усугубляет процесс.  

Таким образом, при необходимости использования пластика в условиях, где распечатки потенциально будут подвергаться изгибным нагрузкам — имеет смысл выбрать другой, более термостойкий, так как PLA вряд ли сможет справиться… 

Похожие исследования имеются и по многим видам пластиков, например, по ABS, PETG (кроме рассматриваемого там же PLA). В указанном по ссылке исследовании интересно уже то, что оно весьма обширное — было протестировано аж 495 образцов!  

Правда там тестировались несколько иные типы заполнения (мы видим, что здесь пропадает кубическое заполнение, а было бы интересно узнать, как оно себя ведёт…):

На рисунке выше: a-гироидное заполнение, b-треугольное, c-сетчатое. 

Тестирование проводилось также методом растяжения, со скоростью 50 мм/мин, в результате чего, для ABS было выявлено, что наиболее прочным типом структуры является гироидная — что актуально также и для PETG, в то время как для PLA мы видим, что треугольная структура заполнения выигрывает у всех остальных:

Однако (и это для нас может быть важным!) — авторы в своём исследовании отмечают, что, по крайней мере, для ABS, заполнение больше 60% не даёт прироста прочности и при больших процентах заполнения прочность выходит на плато. 

Точно такие же интересные данные касательно прочности имеются и по PLA-пластику, который показывает самый высокий рост прочности с ростом заполнения от 20 до 80%, причём, в отличие от ABS — у PLA нет явного выхода на плато, поэтому, можно сказать, что наблюдается линейный рост — точно такая же картина наблюдается и для PETG.

Таким образом, выходит, что для PLA и PETG рост плотности заполнения имеет смысл, тогда как для ABS — его рост больше 60% смысла не имеет.

Ещё интересным для нас может быть тот факт, что на прочность влияет и высота слоя печати:

• Например, увеличение слоя с 0,1 до 0,3 мм — увеличивает прочность для ABS аж на 29%; 

• Точно так же, это оказалось важным и для PLA, где эффект ещё более выраженный и составляет примерно 36%;

• Для PETG эффект оказался ещё более выраженным даже на более малых значениях: при росте толщины слоя с 0,1 до 0,25 мм — прирост прочности составил примерно 53%, тогда как дальнейший рост толщины слоя до 0,3 мм, — позволил добиться только более скромных 9%:

Также важно и количество линий периметра стенок (этот параметр можно выставлять в слайсере — программе для подготовки к печати):

Как отмечается, увеличение количества стенок с 1 до 5 увеличивает прочность распечатки:

• ABS: на 51%;

• PLA: на 36%;

• PETG: аж на 116%!

Важной оказалась и скорость печати*:

• Для ABS оптимальной оказалась в районе 30 мм/сек;

• Для PLA: 20 мм/сек;

• Для PETG: оптимально где-то в районе 30 мм/сек (так же, как и для ABS).

*Глянув на эти показатели скорости, мне стало понятно, что здесь что-то не то и, подробно вчитавшись, я, похоже, понял в чём тут дело: видимо, использовалось гораздо более старое оборудование (3d принтер, без модных современных «фишек», типа Input Shaping-a и прочего, — то есть относящийся к поколению принтеров примерно 2018 года). 

Потому что я, скажем, на своём Creality K1C даже и не припомню, когда печатал на скоростях меньше 270 мм/сек (а обычно и вообще на 400 мм/сек; пробовал выше — но там что-то артефакты печати уже идут и пока забросил это…надо разбираться, но всё времени нет). 

То же самое касается и температуры: они там анализируют температуру и приходят к выводу, что она должна быть: не более 220°C для ABS и не более 230°C для PLA, и где-то не более (хотя чёткой границы не обнаружено) 260°c для PETG. 

Однако, могу сказать, по тому же самому ABS — я никогда не печатал на Creality K1C при температуре меньше 260°C (хотя на старом медленном принтере (это у меня не первый 3d принтер) — печатал обычно на 220°C), что уже расходится с показателями исследования, так как я использую на данный момент довольно высокоскоростной принтер.

Поэтому, исходя из всего этого, показатели по скорости и по температуре я бы считал на данный момент не актуальными и для современных высокоскоростных принтеров даже не рассматривал. 

Однако всё остальное, касательно архитектуры внутренних структур печати и плотности заполнения вполне себе актуально и интересно (на мой взгляд)!

После ознакомления с информацией выше, неизбежно возникает интерес к тому, как ведут себя все пластики при сжатии — так как ситуация при растяжениях примерно понятна, но сжатие — это возможно даже гораздо более частая нагрузка, чем растяжение! 

Посмотрим, что может нам сказать наука…

Для этого, обратимся вот к этим трем исследованиям: 1, 2, 3.

Чтобы быстрее прийти к тому, что нас интересует — а именно, результату исследований, можно обобщая сказать, что физика поведения при сжатии отличается от растяжения и, наблюдается любопытная тенденция — авторы рекомендуют весьма тонкие слои: 0,05-0,1 мм (!), в отличие от того, что мы увидели выше, при сопротивлении растяжению. 

Объясняется это тем, что при растяжении необходимо минимизировать количество точек разрыва, а при сжатии — предпочтительнее монолитность (что обеспечивается лучшим сплавлением тонких слоёв). 

Поэтому, для противостояния сжатию, необходимо использовать более тонкие слои и большее их число.

Логически рассуждая, из всего этого можно сделать вывод, что для противостояния как сжимающим, так и растягивающим нагрузкам (если планируется противостояние двум типам нагрузок одновременно или попеременно) — необходимо выбирать некую среднюю высоту слоя, где-то в районе 0,15 мм или даже 0,2 мм.

В свою очередь, касательно того, какой рисунок и процент заполнения следует выбирать, то:

• Для PLA он такой же, как и для растяжения — треугольный (или сетчатый; но, на мой взгляд, треугольный был бы интересен с той точки зрения, что он является оптимальным и для растяжения (как мы уже видели выше) то есть, мы здесь можем использовать оптимальный рисунок для обоих типов нагрузок); оптимальный процент в районе 80%, с увеличением, при желании до 100%;

• Для ABS: заполнение вплоть до 60%, рисунок заполнения — сетка;

• Для PETG: 100% заполнение, слои идут перпендикулярно оси давления (в принципе, это можно считать актуальным и для двух других пластиков).

Таким образом, подытоживая, мы можем для себя отметить, что, погрузившись в изучение некоторого количества научных трудов, мы можем узнать для себя много нового, относительно того следует ли заполнять при печати модель на 100% и, каким должен быть рисунок заполнения. 

В ходе этого рассмотрения я умышленно не затронул интереснейшую тему, только слегка коснувшись её в самом конце — как именно должны идти структуры заполнения, чтобы противостоять нагрузке? Имеется в виду, как пространственно должны располагаться заполняющие структуры, относительно оси прилагаемой нагрузки. 

Это тоже очень важно, и мы это рассмотрим в следующей статье, так как решение этого вопроса очень интересное и стоит на нём остановиться более подробно! ;-) 

Почему на мой взгляд это важно: по большей части, на рассмотрении этого вопроса и строится такая дисциплина как «сопротивление материалов» или, попросту «сопромат» (на этом месте, наверняка, тех, кто сталкивался с этой дисциплиной в вузе, прошиб холодный пот, так как дисциплина не самая простая, особенно, при принципиальном преподе — а её обычно только такие и преподают :-B).

Приведу пример из своей практики: на каком-то этапе, когда я только-только купил первый 3d принтер — я страшно подсел на печать скульптур*.

*Всякие инженерные «поделия» — шестерни, корпуса и т д. и т.п. были уже существенно позже, а начинал я (наверное, как и многие) с «красивостей». :-) 

Особенно грело то ощущение, что в течение человеческой истории статуи всегда были доступны только очень избранным людям, так как требовали для своего изготовления большого труда и стоили дорого. 

С появлением же 3d принтеров — они стали доступны практически каждому (чем я и не преминул воспользоваться). :-)

Только была одна проблема: при малейшем падении они разваливались на куски. В принципе, можно было сказать, что «реализм зашкаливал» — точно так же, повели бы себя и настоящие мраморные скульптуры. Только проблема была в том, что меня это не устраивало. :-B 

Печать скульптур обычно я вёл «стоймя», — то есть слои укладывались параллельно столику. Но, как я уже сказал выше, прочность этого была так себе. Пробовал печатать скульптуры и «лёжа» — но тут уже сильно страдало качество из-за огромного количества поддержек. 

В итоге, я нашёл для себя компромиссный вариант: стал их печатать, наклонив под углом в 45° и, в итоге, прочность возросла кардинально: такая скульптура без проблем падала со стола и даже не раскалывалась (совершенно невозможное дело, при предыдущем варианте)! 

Кроме того, стал наблюдаться и интересный эффект — падающий на такую скульптуру свет (угол падения которого был обычно где-то в районе 60-90°, — т.е. скульптура почти всегда освещалась светом сверху) заставил практически полностью визуально «пропасть» и слои fdm-печати! 

То есть, они были, но их абсолютно не было видно и даже без всякой постобработки! Вот такой интересный эффект… 

Таким образом, даже на этом маленьком примере, мы видим, что расположение слоёв (читай «заполняющих структур» — так как печатал я с 70%-заполнением) очень важно и всё это мы изучим далее, в следующей статье …

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.

Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.