Что первым приходит в голову, когда кто-то говорит «3D-печать»? Ок, у всех разное :-).
Но те, кто в теме и сами занимались или занимаются ею, знают, что одной из основных проблем любительской печати является прочность готовых изделий.
С этим мне самому тоже приходится сталкиваться постоянно, и я решил разобраться, есть ли способы улучшить этот показатель и что в мире существует по этой теме (из наиболее интересного).
«Сами с усами»
Для начала, скажу, как я сам разбираюсь с этим вопросом…Дело в том, что когда я брал свой первый 3D-принтер*, я «шёл дорогой жадности» :-D — «дайте мне принтер самый большой; нет, ещё побольше!».
*Далее речь пойдёт исключительно о FDM-печати.
А потом оказалось, что большинство моих распечаток умещается в ладони и мне вовсе не нужны «Венеры Милосские в натуральный рост» и, скажем так, для моих размеров прочность оказывается вполне достаточной: печатаю я обычно слоем 0,2 из инженерного ABS-пластика. Получается «фанера» и очень прочно (для таких мелких размеров).
Поэтому в итоге я и перешёл на принтер меньшего размера.
Однако если попытаться напечатать что-то более крупное, то тут уже могут наблюдаться проблемы: изгибы под нагрузкой (даже небольшой), расслоения, изломы.
Справедливости ради, надо отметить, что правильное проектирование структуры «рулит» и рулит очень сильно:
Продуманность детали с учётом направлений, с которых будет наблюдаться усилие.
Правильная ориентация слоёв (с учётом пункта выше).
В целом правильная архитектура детали с учётом материала и нагрузок.
Вот эти три пункта выше позволяют решить 99,9% потенциальных проблем (по моему опыту).
Скажем, если нагрузка будет параллельно слоям, то нуж��о утолщать деталь в этом направлении или, как вариант, располагать слои перпендикулярно нагрузке — но это уже для совсем экстремальных случаев (экстремальной сопротивляемости нагрузке).
Обычно хватает простого утолщения :-D (тупо и прямолинейно, да).
Кстати, забавный факт, как и почему я впервые начал играть со слоями: как и все владельцы 3D-принтеров, я, естественно, начал с чего?
Верно: напечатать себе красивостей. А именно — статуй. Ибо статуи во все времена были штукой недешёвой, доступной небольшому кругу… А принтер их делает доступными.
Ну вот…Накачал себе статуй, напечатал. Стал носить на прошлую работу и ставить себе на стол. Через короткое время к моему столу можно было экскурсии водить! :-D
Ниже на фото — это ещё не всё:
К слову: качал я их вот отсюда, там полно бесплатных. Там наверху есть строка поиска, куда сейчас забито «ancient greek sculpture»; по той же логике, можно поискать «ancient roman sculpture».
Печатал, если кому интересно, вот этим пластиком.
Но вот ведь проблема: малейшее падение статуи со стола — и она вся переломана (махнул бумагами на столе и всё в таком духе).
Почему так: потому что статуи я всегда печатал стоймя и, соответственно, слои шли параллельно полу. То есть минимальная площадь контакта каждого последующего слоя с каждым предыдущим играет свою роль. Да ещё и заполнение 50%... Вообще беда.
Был вариант, конечно, печатать статуи «лёжа», но тогда слишком становятся видны слои, которые требуют просто лютой постобработки.
Но такая прочность позволяет уже практически не просто «ронять» статуи, а чуть ли не «бросать» их на пол: так как слои проходят сквозь всю статую вдоль, вызвать расслоение и излом весьма малореалистично (конечно, в рамках нашего случая — падения на пол; речь не о том, чтобы ломать намеренно).
Но постобработка в ацетоне ABS-распечаток мне никогда не нравилась, так как появляется блеск, уходит какая-то глубина…
И, поразмыслив, я придумал свой, альтернативный вариант: я стал печатать статуи под наклоном в 45º!
Казалось бы — ну и что? А получилось весьма недурно: во-первых, прочность сильно подпрыгнула за счёт гораздо большей площади сцепления между слоями. Сложно сказать, на сколько процентов…Но падения они перестали бояться!
Мало того, выявился странный (и позитивный!) эффект: из-за расположения слоёв под углом 45º на статуе они практически перестали быть видны! О_о
То есть появился интересный эффект: слои визуально «исчезли», как при постобработке, и при этом сохранилась глубокая матовость, придающая статуе объём и привлекательность!
Однако это верно для относительно небольших моделей.
А вот с увеличением размера…Я уже тут как-то показывал, например, ворота, изготовленные мной в своё время для игры в робохоккей:
Стенка имеет размеры примерно 120×80×8 мм и, несмотря на такой всё ещё небольшой размер, она начинает ощутимо изгибаться.
И это не единичный случай — приходится с примерно таким сталкиваться постоянно.
Обычно (по возможности) решаю это утолщением деталей и увеличением числа металлических компонентов, которые:
Просто используются в конструкции вместо пластиковых деталей, которые могли бы быть тут использованы (например, разнообразные алюминиевые трубки — это прям постоянно).
Закладные металлические элементы внутри конструкции: обычно делаю конструкцию разборной, внутри которой могут быть металлические вкладыши разной формы и расположения.
Знаю, что некоторые идут ещё дальше: ставят принтер на паузу прямо во время печати в определённые моменты, чтобы оставить внутри детали, закладные элементы, которые затем запечатываются пластиком и остаются внутри, «вмурованные» в структуру детали.
Но я сам нахожу этот способ неудобным и предпочитаю делать разборное…
Хайтек нам поможет (или нет?)
Совсем недавно появился многообещающий стартап под названием «FibreSeeker 3», который, будучи выставленным на известный акселератор стартапов Kickstarter, собрал аж 2 млн. $ за 72 часа! При том, что планировалось собрать всего лишь 50 тыс. $!
Таким образом, они уже многократно перевыполнили запланированное, так как сбор средств они хотят завершить только 1 января 2026 года.
Как можно увидеть на их страничке по ссылке выше, принтер позволяет создавать детали с прочностью на растяжение до 900 MPa!
Что это значит:
Тот же самый ABS-пластик, которым я обычно печатаю, имеет прочность на растяжение до 50 MPa.
Легированный алюминий — примерно до 300 с небольшим MPa.
Сталь с малым содержанием углерода (наподобие Ст3) — до 500 MPa.
Марки закалённой стали могут доходить до 1800 MPa.
Таким образом получается, что деталь, распечатанная на этом принтере, по прочности превосходит целый ряд металлов и имеет среднее значение в ряду закалённой стали! О_о Неплохой результат…
При этом деталь сохраняет лёгкий вес!
Как это достигается: разработчики принтера применили интересный подход — они соединили стандартный FDM 3D-принтер, печатающий расплавленным пластиком, и установили дополнительную головку, которая укладывает волокно (стеклянное, углеродное или иное), одновременно пропитывающееся пластиком.
В итоге образуется композитный материал, по прочности превосходящий металлы, и в то же время малого веса!
Примерно вот так это выглядит в работе:
Ну и как же без наглядной впечатляющей демонстрации… Ниже можно видеть, как было напечатано 0-образное подъёмное кольцо (на которое ушло более 500 метров волокна), с помощью которого подняли и подвесили вилочный погрузчик:
Ну а тестирование на разрыв аналогичного кольца с помощью двух автомобилей показано в сравнении с кольцом, только с рубленым волокном (спойлер: с рубленым лопнуло, а с цельным волокном разорвать не удалось):
Таким образом, мы видим, что в мире существует достаточно большой запрос на создание действительно прочных и доступных распечаток.
Однако заявленная на этапе сборов на Kickstarter стоимость (и это, как заявляется, со скидкой в -46%) не сильно радует, так как составляет почти 2700$ (дальше будет только дороже и внизу официальной странички можно даже посмотреть, насколько).
А есть ли альтернативы? Так как они заявляют, что FibreSeeker 3 – первый потребительский принтер с непрерывным волокном.
И действительно, если мы даже бегло ознакомимся с вопросом, то увидим, что есть целый ряд аналогичных систем (например, эта), правда, как можно понять, ориентированных на бизнес-пользователей.
Таким образом, эта технология, несмотря на очевидную перспективность, остаётся пока малодоступной из-за своей дороговизны — как оборудования, так и компонентов (например, стоимость даже самого «дешёвого» стекловолокна начинается от 50$ за катушку; углеродного — от 150$ и т.д.).
А если…
Однако для простых пользователей есть очень интересная альтернатива, которая позволяет решить проблему прочности (не кардинально, но существенно) за счёт увеличения межслойной адгезии у FDM-принтеров.
Этот способ был предложен командой исследователей Малазийского технического университета, которые протестировали обработку ультразвуком прямо во время печати.
Во время тестов использовались ABS- и PLA-пластики (печать велась с толщиной слоя в 0,2 мм), а на печатный столик 3D-принтера установили 2 пьезоэлектрических излучателя, закрепив их по краям столика с помощью обычных канцелярских зажимов. Между излучателями и столиком были проложены пластины из обычного детского пластилина (чтобы увеличить площадь контакта и избежать повреждений излучателя, то есть пластилин выступал, в том числе, и как своеобразный демпфер):
Исследователи сразу отказались от идеи крепить ультразвуковые излучатели прямо на печатающую головку, чтобы избежать их повреждения из-за высокой температуры.
Во время печати эти излучатели генерировали на столик ультразвук с частотой в 20 кГц (в качестве источника ультразвуковой частоты был применён специальный генератор).
Если обобщить результаты эксперимента (там было проведено много итераций), то было выявлено, что ультразвук позволяет уменьшить «шероховатость» слоёв — то есть застывающий пластик, выдавливаемый печатающей головкой, при обычных условиях ложится как бы не всей плоскостью, а в виде некоей ребристой «колбаски», которая зацепляется за предыдущий слой не всей плоскостью, а только вот этими выступающими рёбрами.
Воздействие же ультразвука (при частоте не ниже 20 кГц, хотя похожие эффекты уже начинают наблюдаться и при частотах ниже) позволяет почти полностью устранить ребристость и лечь слоям друг на друга всей плоскостью, что, естественно, существенно увеличивает силу их сцепления друг с другом, значительно увеличивая общую прочность полученной распечатки.
При этом имеет значение (насколько удалось понять), как именно будет использоваться в дальнейшем деталь: если она будет испытывать сжимающие нагрузки, то лучше её печатать без ультразвука; если же она будет испытывать нагрузки на изгиб или растяжение, то тут будет наблюдаться существенное усиление (насколько и для каких пластиков, можете почитать по ссылке выше, там много информации и анализа).
Таким образом, как мы видим, есть целый ряд способов увеличения прочности итоговой распечатки, а мы затронули только малую часть из них. Если вы применяете какие-либо из указанных способов или у вас есть свои оригинальные подходы, то, думается, всем будет интересно о них узнать ;-).
© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»
