Если вам необходим прочный отпечаток, то для этого нужно не только прочное заполнение. Прочитайте эту статью, чтобы узнать о нескольких ключевых способах получения максимально прочных деталей.
Прочность в цифрах
Некоторые области применения 3D-печати требуют деталей, способных выдерживать прикладываемые механические нагрузки. Большинство из них представляют собой «точечные конструкции», в которых процесс проектирования и изготовления детали был разработан и протестирован в ходе итеративного процесса для достижения желаемых результатов. (В случае критически важных деталей, структурный отказ которых может привести к гибели людей или повреждению окружающих предметов, всегда обращайтесь к лицензированному профессиональному инженеру, чтобы убедиться в безопасности конструкции и изготовления детали).
Как показано на иллюстрации, на деталь может воздействовать множество различных видов нагрузок. На самом деле, часто воздействуют несколько видов нагрузок. Комбинации нагрузок требуют сложных методов анализа напряжений, чтобы обеспечить понимание напряжений во всех точках детали.
В этой статье мы рассмотрим несколько способов повышения прочности деталей, напечатанных на 3D-принтере, включая использование высокоэффективных материалов, оптимальную ориентацию сборки, плотность заполнения, обработку поверхности и локальное усиление. Приступим!
Выбор материала
Одним из наиболее очевидных решений является использование материалов с высокими механическими свойствами. Печать высококачественных материалов на потребительских принтерах может быть затруднительна из-за необходимости использования высоких температур, но существуют печатные сервисы, которые могут напечатать для вас сложным филаментом.
К числу наиболее распространенных прочных материалов относятся ABS, PETG, ASA и нейлон, поскольку они подходят для печати на закрытых принтерах потребительского класса. Большинство слайсеров имеют предустановленные настройки для этих материалов, а также можно ознакомиться с рекомендациями производителя.
Ориентация
Детали, напечатанные на принтерах FDM, обладают механическими свойствами, которые в значительной степени зависят от направления, причем прочность детали является наименьшей в направлении построения. Как правило, лучше всего ориентировать деталь на столе таким образом, чтобы направление наименьшего напряжения соответствовало направлению построения.
Периметры и заполнение
Выбор одного из множества доступных в вашем слайсере шаблонов заполнения зависит от конкретного случая использования, поскольку разные шаблоны предоставляют разные преимущества.
Вообще говоря, более высокая плотность заполнения обеспечивает большую прочность, чем низкая плотность. То же самое относится к более толстым периметрам по сравнению с более тонкими, но эффект в значительной степени зависит от нагрузки. Кроме того, если поверхность напечатанной детали будет шлифоваться или химически сглаживаться, убедитесь, что добавлено достаточное количество периметров, чтобы обеспечить запас для удаления материала с поверхности.
Постобработка
Как показано на рисунке выше, отпечатанные поверхности содержат участки повышенного напряжения из-за их многослойной структуры. Эти дефекты поверхности могут привести к преждевременному выходу из эксплуатации, особенно если деталь подвергается усталости материала от циклических нагрузок.
Постобработка, такая как заполнение, шлифование и химическое сглаживание, может сгладить эти поверхности и улучшить характеристики детали. Улучшение качества поверхности должно быть частью процесса проектирования конструкционных деталей.
Локальное усиление
В этом разделе мы рассмотрим несколько способов локального усиления деталей, подверженных механическим нагрузкам, и укрепления детали в зоне высоких нагрузок. Благодаря внесению изменений только в зону высоких нагрузок, конструкция детали обеспечивает максимальное соотношение прочности и веса, снижает расход нити и сокращает время печати.
Для этого упражнения мы будем использовать простую деталь C-образной рамы. Ее размеры составляют 50 x 100 x 10 мм, а радиус угла — 15 мм. Деталь была спроектирована и проанализирована в Fusion 360. Инструкции по нарезке основаны на PrusaSlicer, но другие слайсеры будут иметь аналогичные настройки для изменения.
Шаг 1: Анализ напряжений и подготовка
Первым шагом в укреплении детали является анализ напряжений, чтобы определить области, которые необходимо укрепить. Здесь материал детали был установлен на сталь 4130. Для нагрузки к левой стороне детали было приложено фиксированное ограничение, а к правой стороне была добавлена нагрузка (как показано выше). Красная подсветка указывает на область высокого напряжения.
Чтобы подготовить деталь к локальному усилению, создайте прямоугольник вокруг области высокого напряжения и смоделируйте его как отдельный объект.
Шаг 2: Плотность заполнения
Изменить плотность заполнения очень просто. Ниже приведены инструкции для PrusaSlicer:
- Загрузите деталь C-образной рамы в ваш слайсер.
- Выберите деталь, щелкните по ней правой кнопкой мыши и перейдите в «Настройки > Импорт модификатора».
- Выберите созданную вами рамку, которая охватывает область с высокой нагрузкой.
- Нажмите на зеленый значок «плюс», чтобы открыть диалоговое окно «Плотность заполнения».
- Установите плотность заполнения для области с высокой нагрузкой на 100%.
Чтобы проверить, удалось ли вам это, выполните операцию «Нарезать». Перейдите в окно «Предварительный просмотр» и обратите внимание на 100% заполнение в области с высокой нагрузкой.
Шаг 3: Периметры
Изменение периметров модели также является простым процессом:
- В PrusaSlicer щелкните правой кнопкой мыши деталь C-Frame.
- Перейдите в «Настройки».
- Нажмите зеленый значок «плюс», чтобы открыть диалоговое окно «Периметры».
- Увеличьте количество периметров до желаемой толщины.
Снова выполните операцию «Нарезать». Перейдите в окно «Предварительный просмотр» и обратите внимание на 100% заполнение и более толстые периметры в области с высокой нагрузкой.
Шаг 4: Внутреннее усиление
Также можно добавить внутренние укрепления. Для этого вернитесь в свою 3D-модель (в данном случае в Fusion 360) и смоделируйте внутреннее отверстие в зоне высокой нагрузки.
Хотя это может показаться нелогичным, при нарезке детали программа для нарезки будет рассматривать отверстие как элемент детали. Таким образом, оно будет напечатано с периметрами, создавая внутренний стержень в корпусе детали.
Чтобы создать внутренний усилительный «стержень», выполните операцию «Slice Now» (Нарезать) в PrusaSlicer с предыдущими настройками заполнения и периметра. Перейдите в окно предварительного просмотра и обратите внимание на 100% заполнение, более толстые периметры и внутренний стержень в зоне высокой нагрузки.
Заключительные мысли
Сочетание локально увеличенной плотности заполнения, большего количества периметров и внутренних стержней в зонах высокой нагрузки повышает прочность и полезность детали. Это позволяет получить деталь, которая является структурно прочной, при этом минимизируя расход нити и время печати.
Умное применение всех способов повышения прочности детали позволяет получить отпечатки, подходящие для их предполагаемого применения. Удачной печати!
