Оптимизация прочности 3D-печатных изделий с помощью уголков и ребер жесткости

Собственноручный дизайн сложных изделий может приносить как удовлетворение, так и разочарование. Простейшим примером катастрофической конструктивной ошибки, сводящей на нет долгие часы 3D-печати и сборки, может стать недостаток жесткости. Добиться высокой прочности конструкции, сохраняя при этом максимальную компактность дизайна, не так уж и просто, но и не слишком сложно. На помощь приходят усиливающие элементы – ребра и уголки. Профессиональные дизайнеры и инженеры хорошо знакомы с проблемой недостаточной жесткости. Один из них, сотрудник бюро 3D-печати Fictiv Шон Томас, поделился примерами расчета и распределения усиливающих элементов на 3D-печатных моделях. Кому-то такие меры могут показаться излишними, ведь специфика аддитивного производства позволяет создавать прочные и легкие сотовые структуры, по сути своей наполненные распорками, но такие конструкции не всегда вписываются в дизайн, да и поглощают лишний объем. Кроме того, они практически неприменимы в литье, а не будем забывать, что в задачи 3D-печатников зачастую входит прототипирование изделий для массового изготовления именно методом отливки. Fictiv представляет собой компанию, объединяющую мощности мейкеров в Сан-Франциско и прилегающих районах. Бюро выполняет широкий спектр заказов, а потому Шону зачастую приходится сталкиваться с необходимостью усиления будущих литых деталей. «Ребра жесткости и уголки зачастую используются в литых конструкциях потому, что сами детали весьма чувствительны к неравномерной, а особенно избыточной толщине стенок. Если конкретные части модели имеют слишком большую толщину, это может привести к возникновению всевозможных дефектов в результате закручивания и усадки», – поясняет Томас. Если печатать толстые конструкции невыгодно или неудобно, можно усилить тонкие структурные элементы ребрами жесткости и уголками. Томас иллюстрирует принцип серией опытов, демонстрирующих деформацию и распределение нагрузок в деталях с обычной и усиленной конструкцией. Один из таких примеров приведен на иллюстрации выше: «Очевидно, что конструкция без уголков значительно проигрывает по прочности усиленному варианту. Фактически, для обычной детали был достигнут предел прочности выбранного нами варианта АБС-пластика». Тот же принцип применим и к ребрам жесткости. Как демонстрирует Томас, набор даже достаточно тонких ребер оказывает положительное влияние на жесткость конструкции в целом. Так, в сравнительном тесте нагрузка на усиленную ребрами полочку из АБС достигла 825.1psi – остальную нагрузку на себя взяли ребра. В обычном же варианте нагрузка на поверхность полки составила все 1288psi. Характер деформаций тоже зависит от наличия усиливающих элементов: «Центр модели без ребер провисает, как сумка». Что нужно знать о применении ребер жесткости и уголков в своих дизайнах? Необходимо помнить, что ключевую роль играет ориентация: неправильно расположенные ребра совершенно бесполезны. Если распределять усиливающие элементы наобум, результатом будет лишь лишний расход материала без какой-либо практической пользы. «Деталь необходимо наращивать в направлении нагрузок. Если смотреть на полку спереди, то для увеличения ее прочности необходимо с помощью ребер нарастить высоту. Толщину поверхности при этом можно держать постоянной», – поясняет Томас. А так как модель на иллюстрации более подвержена продольному изгибу, чем поперечному, то и ребра стоит печатать вдоль полки, а не поперек.Интегрируя усиливающие элементы, не стоит забывать о характеристиках используемого филамента. «Убедитесь, что толщина стенок соответствует рекомендациям для используемого вами процесса и оборудования», – настаивает Томас. По опыту автора, оптимальная жесткость обеспечивается ребрами высотой в 60-80% от толщины усиливаемой стенки. Если этого недостаточно, то лучше увеличить количество ребер, чем их высоту. В любом случае, высота ребер не должна превышать трехкратную толщину стенки, иначе будет повышаться вероятность разрыва самих ребер без значительного прироста прочности.

Полную статью Томаса можно найти по этой ссылке.