Прочность FDM-детали зависит от пластика меньше, чем принято думать. Из одной и той же катушки PETG можно напечатать кронштейн, который выдержит серьёзную нагрузку, и точно такой же по форме, который треснет при первой затяжке винта. Разница — в конструкции детали, её ориентации на столе, настройках слайсера и условиях печати. Материал задаёт верхнюю планку, а насколько близко к ней вы подойдёте, решает всё остальное.
В этой статье — обзор факторов, которые определяют прочность напечатанной детали помимо выбора пластика. Разберём, почему FDM-детали ведут себя иначе, чем литые, и какие параметры дают наибольший прирост прочности при минимуме лишнего времени и материала. Как выбрать сам материал под нагрузку, мы писали отдельно — в статье о филаменте для функциональных деталей.
Почему напечатанная деталь слабее литой
FDM-деталь — это не монолит, а тысячи линий пластика, сплавленных между собой. Внутри каждой линии материал почти так же прочен, как в литье. А вот на границах — между соседними линиями и особенно между слоями — сцепление всегда слабее. Отсюда главная особенность FDM-печати: анизотропия. Прочность детали зависит от направления нагрузки, и вдоль слоёв она заметно выше, чем поперёк.
Почти все приёмы, о которых пойдёт речь ниже, сводятся к двум вещам: как сделать границы между линиями и слоями прочнее и как расположить деталь так, чтобы нагрузка шла вдоль линий, а не отрывала слои друг от друга.
Конструкция детали
Самые большие резервы прочности часто лежат ещё до слайсера — в модели.
- Скругления вместо острых внутренних углов. Острый угол концентрирует напряжение, и трещина начинается именно там. Даже небольшое скругление в месте перехода стенки в основание заметно повышает стойкость детали.
- Достаточная толщина стенок. Тонкая стенка из одной-двух линий — слабое место. Если стенку можно сделать толще без ущерба для функции, сделайте.
- Рёбра жёсткости. Часто вместо того, чтобы делать деталь сплошной, выгоднее добавить рёбра — они дают жёсткость при меньшем расходе пластика.
- Отверстия под крепёж. Вокруг отверстий нужен запас материала. Для резьбовых соединений, которые будут часто разбирать, удобнее закладные гайки или вплавляемые втулки, чем резьба прямо в пластике.
Ориентация на столе
Из-за анизотропии одна и та же модель, напечатанная лёжа и стоя, может различаться по прочности в разы. Правило простое: нагрузка должна идти вдоль слоёв, а не пытаться их разделить.
Классический пример — Г-образный кронштейн. Если напечатать его стоя, вертикальная полка будет состоять из слоёв, которые при нагрузке работают на отрыв, и деталь сломается по слою у основания. Если положить кронштейн на бок, линии пойдут вдоль обеих полок, и прочность вырастет многократно. Цена — иногда поддержки или чуть хуже поверхность, но для нагруженной детали это оправдано.
При выборе ориентации учитывайте и то, где будут отверстия: отверстие, ось которого перпендикулярна слоям, обычно прочнее и круглее, чем отверстие в стенке, напечатанной слоями вдоль его оси.
Периметры, заполнение и верхние слои
Многие по привычке поднимают процент заполнения, чтобы сделать деталь прочнее. Но основную нагрузку в большинстве деталей несут внешние стенки — периметры, верхние и нижние слои. Заполнение в первую очередь поддерживает их и не даёт стенкам продавиться.
- Периметры. Увеличение числа стенок с двух до четырёх часто даёт больший прирост прочности, чем увеличение заполнения с 20 до 50 %, а стоит меньше по времени и пластику.
- Заполнение. Для нагруженных деталей обычно разумно брать 25–50 % и узор, который работает во всех направлениях. Сплошное заполнение нужно редко.
- Верхние и нижние слои. Их должно быть достаточно, чтобы поверхность не проваливалась и не прогибалась над заполнением.
Температура сопла и склейка слоёв
Сцепление слоёв — прямое следствие того, насколько горячий пластик ложится на предыдущий слой и успевает ли он с ним сплавиться. Слишком низкая температура сопла даёт деталь, которая выглядит аккуратно, но ломается по слоям с минимальным усилием.
Для функциональных деталей имеет смысл держаться средней или верхней части рекомендованного диапазона. Для PETG это обычно 230–250 °C, точная цифра зависит от марки пластика и хотэнда. Проверить склейку просто: напечатайте температурную башню и попробуйте разломать её руками — на холодных секциях слои разойдутся заметно легче.
Обдув
Сильный обдув охлаждает только что уложенную линию раньше, чем она успевает сплавиться с предыдущим слоем. Для внешнего вида и нависаний это хорошо, для прочности — плохо. Особенно чувствителен к этому PETG: при максимальном обдуве детали из него заметно слабее по слоям.
Для нагруженных деталей держите обдув умеренным — для PETG около 30–50 % — и не включайте его на первых слоях. Если нужно хорошо пропечатать нависания, увеличивайте обдув только для них. Подробнее о балансе — в статье об обдуве при печати PETG.
Скорость, толщина и ширина линии
При высокой скорости пластик проводит в зоне нагрева меньше времени и может не успеть прогреться полностью, особенно если хотэнд работает на пределе своей производительности. Результат — те же слабые слои. Если печатаете быстро, контролируйте, справляется ли хотэнд, и при необходимости поднимайте температуру.
Толщина слоя тоже влияет: очень толстые слои (больше примерно 75 % диаметра сопла) хуже прижимаются к предыдущему и дают меньшую площадь сцепления. А вот немного увеличенная ширина линии — например, 0,45–0,5 мм для сопла 0,4 мм — обычно улучшает сцепление соседних линий и слоёв.
Поток и недоэкструзия
Если принтер подаёт меньше пластика, чем нужно, между линиями остаются зазоры, а слои соприкасаются меньшей площадью. Снаружи деталь может выглядеть почти нормально, но внутри она пористая и заметно слабее. Причины — от неверного коэффициента потока до частично засорённого сопла и проскальзывания подачи. Как их найти, мы разбирали в статье о недоэкструзии.
Проверка потока — обязательный шаг для каждого нового пластика: кубик с одной стенкой и замер её толщины занимают несколько минут, а от результата зависит плотность всей детали.
Влажность пластика
Влажный филамент — не только про внешний вид. Вода, испаряясь в сопле, образует пузырьки внутри линий, а у ряда пластиков влага при нагреве ещё и частично разрушает полимер. Деталь из влажного PETG получается пористой, с шероховатой поверхностью и слабыми слоями, причём настройками это не исправить. Если слышите треск в сопле или видите пузырьки, сначала высушите катушку — как это сделать, рассказываем в статье о сушке PETG.
Условия эксплуатации
Прочность детали при печати и прочность в работе — не одно и то же. На то, как долго прослужит деталь, влияют:
- температура — при нагреве пластик размягчается задолго до плавления, и деталь под нагрузкой начинает деформироваться;
- ползучесть — постоянная нагрузка, даже небольшая, со временем может медленно деформировать деталь; это важно для креплений и зажимов;
- солнечный свет — ультрафиолет со временем делает многие пластики хрупкими;
- циклические нагрузки — деталь, которая многократно гнётся, может треснуть при усилии, которое она выдерживает однократно.
Эти факторы стоит учитывать ещё на этапе конструкции: заложить запас по толщине, убрать концентраторы напряжений, выбрать ориентацию так, чтобы основная нагрузка шла вдоль слоёв.
Стабильный пластик — основа предсказуемой прочности
Все описанные настройки работают только тогда, когда сам материал ведёт себя стабильно: подобранные температура и поток не должны «уплывать» от катушки к катушке. Мы производим PETG ARCTIC в Тольятти из первичного сырья, с постоянным лазерным контролем диаметра 1,75 ± 0,05 мм. Каждая партия проходит сушку и проверку на отсутствие пузырей, а катушки упаковываются в вакуум с силикагелем, так что пластик готов к печати сразу. PETG-пластик прочнее и термостойче PLA и хорошо подходит для креплений, корпусов и других функциональных деталей — цвета и варианты можно выбрать в каталоге.
Вывод
Прочность FDM-детали определяется не только пластиком. Основной вклад вносят конструкция без острых углов, ориентация, при которой нагрузка идёт вдоль слоёв, достаточное число периметров, правильная температура и умеренный обдув для хорошей склейки слоёв, откалиброванный поток и сухой материал. Начните с ориентации и периметров — они дают самый заметный эффект, — затем проверьте температуру и обдув. Процент заполнения поднимайте в последнюю очередь.