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 нужно 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»