3D-принтер:Анизотропия: Как я перестал бояться и полюбил печатать объект по частям

Материал из Онлайн справочника
Версия от 23:30, 2 февраля 2016; Myagkij (обсуждение | вклад) (→‎Тестируем образцы)
(разн.) ← Предыдущая версия | Текущая версия (разн.) | Следующая версия → (разн.)
Перейти к навигацииПерейти к поиску
Версия для печати больше не поддерживается и может содержать ошибки обработки. Обновите закладки браузера и используйте вместо этого функцию печати браузера по умолчанию.

Перевод: Максим Кузьмин
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Анизотропия: Как я перестал бояться и полюбил печатать объект по частям[1]

В этой статье мы узнаем, что такое анизотропия, как она применима к 3D-печати, как создавать объекты, чтобы добиться их максимальной прочности, а также что будет, если игнорировать анизотропные свойства 3D-печатных объектов.

Что такое анизотропные свойства

Несмотря на свою почти волшебную способность облекать бестелесные идеи в материальную форму, 3D-печать все же имеет ряд недостатков (впрочем, как и любой другой производственный процесс). Их корень лежит в ограничениях материалов и специфике процесса печати – вместе оба этих фактора определяют физические свойства уже готовой модели.

Объекты, напечатанные на FFF-принтере, отличаются тем, что их прочность неравномерна: в одних направлениях они прочнее, а в других слабее. Приложите силу поперек объекта, и сломать его будет непросто, приложите вдоль, и объект расколется в два счета. Своими анизотропными свойствами (то есть направленной прочностью) объекты, напечатанные на FFF-принтере, в какой-то степени напоминают древесину. Эта схожесть выражается в одной и той же «слабой» оси, т.е. оси, при нагрузке на которую объект сломать проще, чем при нагрузке на другие оси – особенно при растяжении. Но отличие в том, что у дерева таких осей две, а у 3D-печатных объектов – одна.

В какой-то степени эта схожесть диктуется тем, что оба материала имеют волокнистую структуру. Волокнистость дерева формируется с развитием его клеточной структуры, а волокнистость 3D-печатных объектов – экструзионным процессом, при котором тонкие нити пластика (считай, волокна) выдавливаются из сопла, а затем сцепляются друг с другом.

Большинство образцов древесины прочны при сдавливании, и в особенной степени – вдоль волокон (не колец), сформированных в процессе роста дерева. В том же направлении древесина прочна и при растяжении, причем настолько прочна, что даст фору некоторым современным композитам.

На фото – образцы дерева и 3D-печатного объекта, сломанных вдоль направления волокон
На фото – образцы дерева и 3D-печатного объекта, сломанных вдоль направления волокон

Объекты, напечатанные на FFF-принтерах, имеют схожие свойства, но есть и ряд важных отличий. Если прилагать сдавливающую нагрузку, то FFF-объекты наиболее прочны вдоль оси Z, то есть вдоль «высотной» (вверх-вниз) оси. Правда, в зависимости от формы объекта и его внутренней структуры прочность может отличаться.

Однако, в отличие от дерева, «высотная» Z-ось – самая слабая, когда речь заходит о нагрузке на растяжение. Причина этого заключается в неполном сцеплении между слоями, а также в микроскопических вариациях в толщине и ровности стенок.

Еще одно важное отличие FFF-объектов (это касается, как минимум, простых цельных объектов) – у них всего одна «слабая» ось при нагрузке на растяжение. У дерева этих «аутсайдеров» не один, а два. «Сильная» ось – та, что идет вдоль волокон.

Полезно помнить, что расположение волокон на осях X и Y определяется во многом формой объекта, поэтому вы, будучи дизайнером, можете поменять направление волокон (а, следовательно, и конечную прочность вдоль этих осей), просто меняя дизайн или печатая объект с более удобной стороны.

Таким образом, анизотропные свойства 3D-печатных объектов во многих случаях подталкивают дизайнера к тому, чтобы печатать объект не целиком, а по частям – чтобы тем самым сделать его как можно прочнее.

От теории к практике

В качестве примера мы попробуем создать фиксатор, позволяющий прицепить к ткани веревку, не делая в ней дырки. Работает это следующим образом. Фиксатор состоит из двух частей – «кольца» и «замка». Нам нужно взять ткань, свернуть ее таким образом, чтобы она представляла собой мешок, затем положить на дно этого мешка «замок». После этого берем края мешка, продеваем их через отверстие в «кольце» и тянем, пока ограничительные края «замка», находящегося на дне мешка, не упрутся в стенки «кольца». И, наконец, выворачиваем наш мешок наизнанку. Все, фиксатор на месте, и теперь к нему можно прицеплять веревку.

Кольцо и две разные версии замка: односоставная и двусоставная
Кольцо и две разные версии замка: односоставная и двусоставная

На рисунке выше можно наблюдать «кольцо» и две версии «замка»: односоставную и состоящую из двух взаимозамыкаемых частей. Ниже мы изучим достоинства обоих этих подходов. Одной из частей «замка» является «глаз» – проушина, к которой привязывается веревка. Эта веревка будет подвергать «глаз» растягивающей нагрузке.

Внутренняя структура обеих версий замка
Внутренняя структура обеих версий замка


Обе версии замка в превью-просмотре слайсера. Обратите внимание, что у двусоставного замка слои лежат вдоль той же оси, по которой будет прилагаться нагрузка.
Обе версии замка в превью-просмотре слайсера. Обратите внимание, что у двусоставного замка слои лежат вдоль той же оси, по которой будет прилагаться нагрузка.


Односоставной замок в превью-просмотре слайсера. Обратите внимание, что слои лежат перпендикулярно оси, по которой будет прилагаться нагрузка
Односоставной замок в превью-просмотре слайсера. Обратите внимание, что слои лежат перпендикулярно оси, по которой будет прилагаться нагрузка


Напечатанные объекты. Принтер – Prusa Mendel. Материал – ABS.
Напечатанные объекты. Принтер – Prusa Mendel. Материал – ABS.


Иллюстрация того, как будет собираться двусоставной замок. Обратите внимание, что односоставной замок немного деформирован – это произошло из-за воздействия тепла
Иллюстрация того, как будет собираться двусоставной замок. Обратите внимание, что односоставной замок немного деформирован – это произошло из-за воздействия тепла


После печати двусоставной замок нужно собрать, просунув «глаз» через отверстие в «базе». В таком виде «замок» получается очень прочным, поскольку волокна двух его частей направлены в разные стороны: у «глаза» – вдоль оси, к которой прилагается нагрузка, а у «базы» – поперек этой оси. При соединении клиновидная структура у основания «глаза» сцепляется c «базой», вследствие чего растягивающая нагрузка на «глаз» будет трансформироваться в сдавливающую нагрузку на «базу». С односоставным «замком» ситуация обратная – он, что очевидно, сборки не требует, поэтому вся нагрузка будет идти на слои, на которые приходится растягивающее усилие. Другими словами, двусоставность объекта должна в итоге положительно повлиять на его прочностные качества. Мы протестируем эту гипотезу, распечатав модели и нагрузив их до такой степени, пока они не сломаются.

При использовании между кольцом и замком будет кусок ткани.
При использовании между кольцом и замком будет кусок ткани.


Разница между направлением волокон у цельного и двусоставного замков (крупным планом).
Разница между направлением волокон у цельного и двусоставного замков (крупным планом).

Тестируем образцы

Итак, пора что-нибудь сломать! Тест будет проходить следующим образом – мы закрепим фиксатор в куске ткани, подвесим к нему нагрузочный объект, а затем будем постепенно увеличивать нагрузку, пока фиксатор не треснет. После этого изучим результаты и попробуем вывести какие-нибудь ценные умозаключения.

Привязанная к замку веревка (крупным планом).
Привязанная к замку веревка (крупным планом).



Наша экспериментальная установка с ведром в качестве нагрузочного объекта.
Наша экспериментальная установка с ведром в качестве нагрузочного объекта.


Нагрузка создавалась путем наливания в ведро воды. Испытывая односоставной «замок», я наполнил ведро примерно 17 литрами воды, после чего послышался треск, сигнализирующий о том, что фиксатор скоро сломается. Я перестал наливать воду и начал ждать.

Перейти на youtube

После этого я переоснастил свою экспериментальную установку, прицепив к ней двусоставной «замок». Я наполнил ведро полностью, но «замок» оставался цел и невредим.

Перейти на youtube

После этого я положил поверх ведра доску, а на нее – камень весом в 13,6 кг. Но, к сожалению, когда я готовился к съемке, «кольцо» внутри ткани внезапно сломалось, в результате чего передо мной предстала вот такая сцена:

Сцена после разрушения кольца. Обратите внимание, что замок остался полностью нетронутым.
Сцена после разрушения кольца. Обратите внимание, что замок остался полностью нетронутым.

При подробном осмотре стало ясно, что «замок» фактически разорвал «кольцо», что и привело к досрочному завершению эксперимента. Сам замок при этом остался целым – никакой белизны и других признаков разрушения на нем замечено не было. Учтя свои ранние тесты с 3D-печатными пластиковыми карабинами, я пришел к выводу, что «замок» может выдержать дополнительные 13,6 кг сверх 31,7 кг, которые привели к разрушению «кольца».

Изучив сломанный односоставной замок, я пришел к выводу, что разрушение произошло из-за отделения слоя в том месте, где «глаз» примыкал к «базе». При этом удивительно, что не сломался сам «глаз», поскольку я ожидал именно этого. На мой взгляд, «глаз» не сломался, потому что его слои были лучше сцеплены друг с другом – из-за того, что эта часть объекта подверглась чрезмерному нагреванию (из-за недостаточного охлаждения). Получившуюся деформацию можно наблюдать на снимках крупным планом, и я подозреваю, что именно из-за этой деформации «глаз» и стал более прочным.

Сломанный односоставной замок. Обратите внимание на слабое сцепление между слоями и деформацию от нагрева.
Сломанный односоставной замок. Обратите внимание на слабое сцепление между слоями и деформацию от нагрева.


Сломанное кольцо крупным планом. Обратите внимание, что разрушения произошли в тех местах, где была нагрузка, причем главный фактор – растягивающая нагрузка на межслоевые соединения. Места, которые подвергались нагрузке, можно определить по белым линиям и трещинам.
Сломанное кольцо крупным планом. Обратите внимание, что разрушения произошли в тех местах, где была нагрузка, причем главный фактор – растягивающая нагрузка на межслоевые соединения. Места, которые подвергались нагрузке, можно определить по белым линиям и трещинам.


Двусоставной замок – целый глаз и сломанное кольцо. Обратите внимание, что кольцо сломалось вдоль волокон и между слоями.
Двусоставной замок – целый глаз и сломанное кольцо. Обратите внимание, что кольцо сломалось вдоль волокон и между слоями.

Чему мы научились

Этот эксперимент наглядно демонстрирует, что дизайнеру по силам повлиять на конечную прочность и, следовательно, полезность печатаемого объекта. Мы напечатали две почти идентичных детали, но в итоге образцы показали очень разные прочностные характеристики. Как показала «посмертная экспертиза», главным типом разрушения был разрыв межслоевого соединения. Но дизайнер может сделать это слабое место более прочным – нужно лишь «разобрать» объект на несколько деталей и выбрать наиболее правильное направление печати.

Кроме того, в процессе выяснилось, что при печати односоставного замка могут возникнуть проблемы – вплоть до появления деформаций. По этой причине ему нужен опорный материал, но это, что очевидно, увеличивает время печати и количество используемого материала, а также негативно влияет на надежность объекта.

См.также

Внешние ссылки