Укрепление 3D-напечатанных деталей: проверенные техники

3D-печать способна создавать прочные полимерные и металлические детали. Но некоторые применения требуют гораздо большей прочности. Дизайн и выбор материала — критические факторы прочности. Однако даже хорошо спроектированная деталь может проявить слабость и отказать в эксплуатации, если игнорировать простые важные техники усиления.

Техники усиления делятся на три категории: геометрия детали, настройки печати, постобработка.

Геометрия детали

Геометрия играет жизненную роль в прочности 3D-детали. Филлеты и фаски повышают механическую прочность краев, ребра и гуссеты дают структурную поддержку.

Используйте филлеты или фаски

Филлеты или фаски дают прочную основу для тонких участков в 3D-деталях. Предотвращают сбивание соплами хрупких частей от печати.

Используйте ребра и гуссеты

Ребра и гуссеты — тонкие выдавливания, выходящие перпендикулярно от стенки или плоскости. Дают поддержку и повышают прочность. Толщина ребра — половина толщины стенки, интервал минимум 2x толщины стенки. Большие высокие ребра избегайте — лучше много мелких ребер.

Настройки 3D-печати

Оптимальные настройки процесса нужны для более прочных деталей.

Наполнение (Infill) в 3D-печати

Infill — количество материала внутри внешних стенок детали. Часто в FDM для повышения прочности. Настройка в двух аспектах: паттерн наполнения и плотность.

Паттерн наполнения

Повторяющаяся структура, заполняющая пространство внутри детали. Обычно скрыта. Много стилей: треугольный, арчи (archi), прямоугольный, сотовый/шестигранный, концентрический. Арчи — для круглых/закругленных деталей. Прямоугольный дает 100% плотность за счет параллельно-перпендикулярной сетки. Шестигранный — наивысшее соотношение прочность/вес, но печатается дольше всего.

Плотность наполнения

0% — без наполнения, 100% — полностью цельная деталь. 100% дает самую прочную деталь. Но часто излишнее использование материала, увеличивающее вес и стоимость. Сотовый паттерн лучш для <50%, прямоугольный — для >50%. Частые плотности 20–25%.

Ориентация детали

3D-детали сильнее в плоскостях, параллельных камере сборки, так как молекулярная связь в слое намного сильнее адгезии между слоями. Это плоскости X и Y. Хотя техника общая для FDM, применима и в SLA, SLS для прочности. Ориентация зависит от того, где деталь переживает нагрузки и давления.

Толщина оболочки (Shell thickness)

Значительная роль в усилении. Толще оболочка — прочнее деталь. Для FDM оптимально 3–4x диаметр сопла для деталей под тяжелыми и длительными нагрузками. Большинство процессов используют мин. ~1 мм. Увеличение улучшает разрывную и ударную прочность. Для деталей по другим технологиям см. наши дизайн-гайды.

Постпроизводственная обработка

Для дальнейшего повышения прочности рассмотрите постобработку. Операции, сильно повышающие прочность:

Отжиг (Annealing)

Нагрев 3D-детали и постепенное остывание для снятия внутренних напряжений — более зыбкая деталь. Металлы и стекло можно отжигать, не все полимеры подходят. Подходящие: PLA, PET, PA 12.

Гальваническое покрытие (Electroplating)

Постпечатная техника: погружение детали в раствор воды и солей металлов. При прохождении тока металлические катионы образуют тонкое покрытие вокруг детали. Применимо к деталям из FDM, SLS, SLA, SCM. Дает gần к металлу механические свойства — намного дешевле металлической 3D-печати для многих применений.

Но гальванированные детали внутри пластик — если нагреть выше температуры размягчения внутреннего пластика, внутренняя прочность потеряна, хотя внешний металл не плавится. Металлы для гальваники: цинк, хром, никель, медь и др. Перед гальваникой важно праймировать деталь для проводимой поверхности. Графит — частый праймер.

Смольное покрытие (Resin coating)

Эпоксидные или полиэстеровые смолы для покрытия 3D-деталей. Эпоксидное покрытие — нерастворимое покрытие эпоксидной краской. Два компонента: эпоксидная смола и отвердитель. Полученное покрытие прочнее и зыбчее непокрытых деталей. Но не подходит, если нужна экстремальная геометрическая точность и острые края. Полиэстеровые смолы тоньше, проникают в сложные детали. Начинают застывать через 5 мин, полностью высыхают за 24 часа. Применимо к любой детали с любого принтера.

Углеродное волокно (Carbon fibre reinforcement)

Углеродное или стекловолокно для усиления 3D-деталей. Углеродное волокно — отличное соотношение прочность/вес, лучшее для постоянных нагрузок. Стекловолокно гнется до отказа. Два способа ламинирования:

• Коротковолокнистое усиление: волокна режут и смешивают с термопластом для прочности и жесткости
• Непрерывное волокнистое усиление: волокно непрерывно интегрируется в термопласт при экструзии и отложении. Нужен двухсопловой принтер.

Заключение

В Xometry Europe мы предлагаем различные варианты усиления 3D-деталей по запросу клиентов. Просто перейдите на платформу мгновенного котирования, загрузите модели, выберите опции — и ваша высокопрочная 3D-деталь будет доставлена за пару дней.