Отжиг и армирование 3D-печати: как сделать деталь прочнее и термостойкой

Откуда берётся прочность детали

У FDM-детали свойства по осям разные. В плоскости слоя нить цельная, между слоями держится только сплавление соседних валиков. Prusa Polymers в паспорте на PLA High Speed ставит 68 МПа вдоль слоёв и 65 МПа в вертикальном образце, а прочность между слоями измеряет отдельно по собственной методике: у PLA 41, у PETG 18, у ASA 11, у нейлона PA11 32 МПа. Эти значения, как и паспорта других пластиков, разобраны в статье о материалах для FDM: образцы там печатают сплошными, поэтому реальная деталь слабее.

Из этого получается порядок работы: сначала направление слоёв и стенки, потом материал, и только потом отжиг, волокно и вставки. Отжиг не лечит неудачную ориентацию, а волокно не заменяет стенки.

Ориентация: куда должны идти слои

В свежем тесте CNC Kitchen образцы-«гантели» из PLA печатали под разными углами на Prusa CORE One со слоем 0,2 мм и рвали на разрывной машине. Результаты:

Лежащие образцы выдержали в среднем 63 МПа, стоящие 31 МПа: по замечанию автора, прочность между слоями составляет около половины прочности в плоскости. Кривая прочности от угла имеет S-образную форму, и заметный выигрыш у стоячего образца даёт наклон от 45° (+27% к вертикальному). Практическое правило: линия действия растяжения или изгибающего напряжения должна идти вдоль слоя, а не поперёк. Цилиндр под осевую нагрузку печатают лёжа, а не стоя, и если форма не позволяет, добавляют рёбра, которые разгружают границу слоёв.

Стенки и заполнение

Прочность определяют стенки. В тесте CNC Kitchen с разными соплами образец со стенкой 0,84 мм (две стенки при сопле 0,4 мм или одна при 0,8 мм) выдержал 139–140 Н, а образцы со стенкой 1,68 мм (четыре стенки, либо две при 0,8 мм) 347–380 Н. Удвоение толщины стенки дало рост в 2,5–2,7 раза. Нагрузка на единицу массы для 1,68 мм составила 42–47 Н/г во всех вариантах, и вывод автора: большое сопло не склеивает слои лучше, а прочность растёт вместе с объёмом пластика. Сопло 0,8 мм при двойной ширине линии и двойной высоте слоя выдавливает в 4 раза больше материала за то же время, и в этом его реальное преимущество.

Для изгиба самые нагруженные волокна лежат снаружи, поэтому стенки работают сильнее, чем заполнение. Заполнение 20% оставляют для распределения нагрузки между стенками и под верхние слои. Повышать его до 60–80% имеет смысл на небольших деталях вроде крюков и проушин, где всё сечение работает на растяжение; на изгибе деталь лучше утолстить или добавить рёбра. Градиентное заполнение (плотнее у поверхности и реже в центре) в тестах CNC Kitchen для изгиба при том же весе дало почти на 30% большую жёсткость, но для небольшого крюка отличий от простого увеличения процента заполнения не оказалось.

Отжиг PLA: что даёт и что отнимает

Отжиг нагревает деталь выше температуры стеклования (у PLA она 60–65 °C) и выдерживает при ней, чтобы аморфный полимер частично кристаллизовался. Выдержка режимы у источников разные: в обзорах называют диапазоны 60–110 °C и 15–60 минут. Единственный первичный тест с цифрами, который мы нашли, у CNC Kitchen: Formfutura Premium PLA, 100 °C 45 минут, затем медленное остывание вместе с духовкой.

Цена за это: размеры меняются. В том же тесте образцы сжимались по X и Y (например, 50 мм превращались в 45 мм) и вытягивались по Z (50 мм в 55 мм), и автор оценил разброс до 10%, слишком большой, чтобы компенсировать масштабом. Обзоры говорят о 1–5% в плоскости, но это вторичные источники, а не измерения. Отжиг не сплавляет слои: границы остаются такими, какими были.

Про теплостойкость. В отдельном опыте CNC Kitchen деталь из PLA в гипсовой форме отжигали при 200 °C три часа, после чего образец, который раньше сдавался при около 60 °C, остался прочным при 170 °C. В тот же опыт попали стоящие крюки из PLA, у которых нагрузка упала более чем на 30% против исходной (с 69 кг), то есть прочность между слоями этот режим не улучшил. Набивка гипсом, солью или песком держит форму, но не гарантирует размеры: это способ сохранить геометрию, а не убрать усадку.

Для деталей, где важны посадки, отжиг лучше заменить пластиком, который не требует его: PETG, ASA или PC Blend подбирают по паспорту с запасом по HDT, а не пытаются поднять теплостойкость PLA.

PETG и нейлон

PETG при обычных температурах отжига почти не кристаллизуется, поэтому в тесте CNC Kitchen его гнали выше: три часа при 200 °C в гипсе. Стоячие крюки из PETG выросли с 36 до 100 кг (лежащие эталонные 106 кг), прочность на растяжение с 30 до 41 МПа (эталон 53 МПа), и образец уже «шейковал». По сути это повторное расплавление под давлением формы с риском потерять геометрию, поэтому метод годится для экспериментов, а не для серии.

Для нейлона данных об отжиге, которые мы смогли бы подтвердить двумя независимыми источниками, нет, и цифр в тексте нет. Что известно из паспорта Prusa на PA11: влаги за 7 суток он набирает 0,46%, против 0,10% у PETG, а температура HDT при 0,45 МПа у PA11 составляет 59 °C и вырастает до 192 °C у версии с углеволокном. Поэтому у нейлона перед печатью надёжнее всего работает сушка катушки, а не отжиг детали.

Волокно в филаменте и непрерывное армирование

Рубленое углеволокно или стекловолокно в нити повышает жёсткость и теплостойкость, но делает материал менее вязким. По паспортам Prusa на PA11 модуль упругости горизонтального образца растёт с 1,2 до 2,5 ГПа, HDT с 59 до 192 °C, а удлинение при пределе текучести падает с 5,6 до 3,3%. Прочность между слоями при этом не растёт: у PA11 с углеволокном 20 МПа против 32 МПа у чистого PA11. Для такого филамента нужно сопло из закалённой стали, подробности в статье о материалах.

Непрерывное волокно укладывает в слои специальная печатающая головка, как у принтеров Markforged. По паспорту компании (ASTM D3039):

Углеродное волокно по паспорту примерно в 20 раз прочнее матрицы на растяжение и в 25 раз жёстче. Но цифры относятся к образцам, где волокно проложено вдоль нагрузки по всему сечению. В реальной детали волокно занимает часть слоёв, а остальное несёт нейлон: в зоне изгиба волокно укладывают ближе к внешним слоям (где наибольшие напряжения), а в сердцевину не кладут. Тем не менее выигрыш есть только вдоль волокон: поперёк нагрузку держит та же матрица. Стоимость такой печати зависит от оборудования и тиража, а когда она оправдана, разобрано в статье про прототип и серию.

Вставки и болтовые соединения

Резьба, выдавленная в пластике, держит слабо и срабатывается за несколько циклов. Латунные вставки решают это. По данным CNC Kitchen, при вплавлении в PLA паяльником при 240 °C вставки M3 держали около 1400 Н (примерно 150 кг), а оптимальный диаметр отверстия был 4,2 мм в CAD (печатная модель давала отверстия примерно на 0,25 мм меньше). В другом тесте на PLA вплавленные вставки в среднем держали 205 кг, а резьба, нарезанная метчиком, 163 кг. Размеры зависят от вставки и принтера: пробную деталь делают всегда. Параметры метрической резьбы под болт собраны в справочнике.

Под болтами пластик ползёт, и затяжка слабеет. Стальные шайбы увеличивают площадь контакта, втулки в проушинах уменьшают смятие, а ориентация проушины в плоскости слоёв избавляет от расслоения вокруг отверстия. Нагруженные стыки лучше проектировать так, чтобы болт работал на сдвиг, а пластик на смятие, как в разборе кронштейнов под заказ.

Пример: кронштейн под нагрузкой

Задача: консоль вылетом L = 80 мм, шириной b = 20 мм, на конце груз 50 Н (около 5 кг), нагрузка статическая. Требуется выбрать ориентацию, материал и толщину h у заделки. Момент у заделки M = F · L = 50 × 80 = 4000 Н·мм. Для сплошного прямоугольного сечения момент сопротивления W = b · h² / 6, напряжение σ = M / W.

Допущения, которые решают результат:

• балка прямая, углы и отверстия не учитываются (концентрация напряжений на них добавит коэффициент 2 и выше);
• за предел берём значения образцов Prusa из паспортов (сплошное заполнение, слой 0,2 мм);
• коэффициент запаса 3 закладывает ползучесть, разброс печати и недосчёт стенок, допускаемое напряжение равно пределу, делённому на 3;
• стенки считаем как оболочку, заполнение внутри не учитываем (запас в сторону безопасности).

Толщина 6 мм не годится: 33 МПа выше предела любого пластика с коэффициентом запаса 3. При h = 10 мм и четырёх стенках напряжение 16,3 МПа уже превышает допускаемые для PETG 15,7 МПа, а с шестью стенками 13,4 МПа укладывается.

Теперь допускаемые напряжения (предел по паспорту Prusa, делённый на 3) вдоль слоя и поперёк:

Вывод. Кронштейн из PETG с шестью стенками и толщиной 10 мм держит нагрузку, если его печатают лёжа, так что изгибающее напряжение идёт по слоям. Если поставить деталь вертикально, напряжение у заделки пойдёт поперёк слоёв, и из всех пластиков в таблице допускаемое напряжение не ниже 13,4 МПа остаётся только у PLA, и то с запасом 2%. А PLA греется выше 55–57 °C (HDT по паспорту) и ползёт, так что оставлять его для постоянной нагрузки нельзя. Если рядом тепло, берут ASA или PC Blend, но HDT измерена при 0,45 и 1,8 МПа, а у нас 13 МПа, так что рабочую температуру берут заметно ниже паспортной. Когда лёжа печатать не получается, проще утолстить сечение: при h = 12 мм напряжение 10,0 МПа, и поперёк слоёв проходят PLA и PA11, но не PETG.

Это расчёт для выбора варианта. Перед установкой на ответственное место деталь нагружают на стенде до двойной проектной нагрузки.