Насколько прочны 3D-печатные детали на самом деле?

«А не сломается?», самый разумный вопрос перед заказом печатной детали. Честный ответ: зависит от того, что её ломает, и грамотно спланированная печать гораздо прочнее, чем думает большинство. В статье объясняем, где печатные детали сильны, где слабы и как Fantasy Lab 3D проектирует заказ, чтобы деталь выдержала именно вашу задачу.

Главное, что нужно понять: слои

FDM-печать состоит из горизонтальных слоёв пластика, сплавленных друг с другом. Внутри слоя пластик непрерывен и почти так же прочен, как исходный материал. Между слоями соединение, это сварка, возникшая за доли секунды, и она слабее, обычно на 20–50 процентов в зависимости от материала и настроек.

На практике это значит, что печатные детали прочны вдоль слоёв и слабее поперёк них. Крючок, напечатанный стоя, со слоями поперёк тонкой шейки, может там треснуть. Тот же крючок, напечатанный лёжа, со слоями вдоль длины, в несколько раз крепче. Ориентация, первое и самое дешёвое решение о прочности, и оно не стоит ничего.

Порядок цифр

Для ощущения масштаба приводим типичную прочность на разрыв (нагрузку, которую материал выдерживает до разрушения) для популярных пластиков 3D-печати в сравнении с привычными материалами. Значения приблизительные и зависят от производителя и настроек.

Материал	Прочность на разрыв, ориентировочно	Характер
PLA	50–60 МПа	Жёсткий, прочный, хрупкий на удар
PETG	45–55 МПа	Чуть менее жёсткий, гораздо стойче к удару
ABS	35–45 МПа	Ударопрочный, термостойкий
Нейлон	50–80 МПа	Очень вязкий, износостойкий, гибкий
Стандартная смола	40–65 МПа	Прочна на растяжение, но хрупкая
Дуб (вдоль волокон)	около 90 МПа	Для сравнения
Алюминий 6061	около 310 МПа	Для сравнения

Проще говоря, сплошная деталь из PLA по сырой прочности сопоставима с твёрдой древесиной. Печатная деталь с нормальными стенками ведёт себя как прочный жёсткий пластик, а не как одноразовая вилка.

Что на самом деле ломает печатные детали

По нашему опыту, поломки почти всегда происходят по одной из пяти причин:

1. Удар по хрупкому материалу. PLA и стандартная смола трескаются при падении или ударе. PETG, ABS и tough-смолы гнутся.
2. Нагрузка поперёк слоёв, обычно в тонком сечении или на остром внутреннем углу.
3. Тепло. PLA размягчается около 55–60 °C, поэтому салон машины летом или место у батареи его деформируют.
4. Усталость. Клипса, которую сгибают тысячи раз, в PLA со временем сломается; для живых шарниров и защёлок нужны TPU или нейлон.
5. Слишком мало материала: ваза в один слой стенки или декоративная модель с малым заполнением, которую используют как инструмент.

Ничего загадочного здесь нет, и у каждой причины есть решение на этапе проектирования или выбора материала.

Как мы делаем деталь прочнее

Прочность, это набор решений, а не удача. В зависимости от задачи Fantasy Lab 3D подбирает:

• Материал: PETG для бытовых нагрузок, ABS или ASA для тепла, нейлон для износа, TPU для гибкости. Компромиссы разобраны в сравнении PLA, PETG и ABS.
• Ориентацию: деталь укладывается так, чтобы нагрузка шла вдоль слоёв.
• Количество стенок: именно они несут основную нагрузку. Переход с двух периметров на четыре часто удваивает прочность кронштейна, почти не увеличивая время печати.
• Заполнение: внутреннюю решётку. 15–20 процентов, норма для декора; 40–60 процентов или гироидный узор для функциональных деталей. Сплошное заполнение нужно редко и добавляет вес. Подробнее в статье что такое заполнение.
• Геометрию: скругления вместо острых углов, более толстые шейки, рёбра на плоских пластинах и металлические вставки (болт, стержень, резьбовая втулка) там, где саморез разъел бы пластик.
• Высоту слоя: более толстые слои чуть лучше свариваются и печатаются быстрее; тонкие нужны для внешнего вида.

Небольшие изменения в конструкции значат не меньше материала. Если деталь проектируется с нуля, наши правила дизайна под 3D-печать помогут избежать слабых мест ещё до отправки файла на принтер.

Что можно доверить печатной детали

Реальные бытовые задачи, с которыми печатные детали справляются надёжно:

• Кронштейны, крючки и настенные крепления на несколько килограммов
• Запасные ручки, рукоятки, петли и клипсы для техники и мебели
• Подставки для телефонов и планшетов, крючки для наушников, органайзеры кабелей
• Корпуса электроники, рамы дронов и крепления камер
• Оснастка и приспособления для мастерских
• Игрушки, фишки настольных игр и косплей-броня, которой достаётся

Где нужна осторожность или другой процесс: детали под постоянной высокой нагрузкой, всё, что выше примерно 80 °C, ёмкости под давлением, ответственные за безопасность узлы и детали, которые постоянно гнутся, если они не спроектированы из TPU или нейлона. Если печатная деталь заменяет сломанный оригинал, читайте статью о печати запасных деталей: там о том, как мы подбираем и усиливаем замену.

Честные ожидания

Печатная деталь, не фрезерованный металл, и мы прямо скажем, если правильный ответ, металл. Но для подавляющего большинства вещей, которые нам приносят, от сломанной клипсы корзины посудомойки до кронштейна для монитора, печать из правильного материала, с правильной ориентацией и числом стенок достаточно прочна, чтобы о ней забыть. Расскажите, что деталь будет держать, как нагружается и где живёт, и мы спроектируем её так, чтобы она выдержала.

Готовы заказать?

Есть деталь, которая должна работать, а не только выглядеть? Отправьте модель или фото сломанного оригинала через форму на сайте либо напишите Fantasy Lab 3D в Instagram @fantasylab3d.almaty. Мы порекомендуем материал и настройки и пришлём расчёт; цена зависит от размера, материала и отделки.