Как определить оптимальную толщину стенок при 3D‑печати

Главное, что нужно знать о толщине стенок | Почему важно оптимизировать этот параметр | Как выбрать оптимальную толщину стенок | Распространенные проблемы | Итоги: кратко

В аддитивном производстве предотвращение ошибок при печати имеет первостепенное значение, независимо от того, какая технология используется. И начинающие, и опытные пользователи могут попасться в различные ловушки, и результат оказывается далек от идеала. Один из таких чрезвычайно важных моментов при работе с 3D‑принтером, часто упускаемый из виду, – толщина стенок модели.

Толщина стенки – это расстояние между внешней и внутренней частями поверхности модели, иначе говоря толщина внешней стенки (оболочки), исключая верхнюю и нижнюю части. Не путайте этот параметр с плотностью заполнения или толщиной слоя. В отличие от внутренних структур, плотность которых может варьироваться, стенки всегда плотные и играют важную роль в обеспечении стабильности и прочности детали.

Однако если толщина стенки не оптимизирована, могут возникнуть такие дефекты, как коробление и деформация. Во избежание подобных ошибок при реализации проектов аддитивного производства следует иметь общее представление о выборе оптимальной толщины стенки создаваемой детали.

© 3Dnatives

Главное, что нужно знать о толщине стенок 

Чтобы получить наилучшую толщину и, в целом, улучшить качество напечатанных моделей, необходимо учитывать следующие важные параметры: минимальную, максимальную и рекомендуемую толщину стенок.

В FDM‑принтерах сопла, как правило, имеют диаметр около 0,4 мм, и многие рекомендуют толщину стенки не менее 0,8 мм или примерно в два раза больше сопла. Если вы хотите получить более прочное изделие, можно увеличить это значение в три‑четыре раза, или примерно от 1,2 мм до 1,6 мм. Но имейте в виду, что не следует выходить за эти пределы, а «магический диапазон» находится в пределах 0,8‑1,6 мм для многих популярных полимерных материалов.

В FDM- и FGF‑печати диаметр сопла помогает определить толщину стенки © Pollen AM

Минимальная толщина

Это наименьшая толщина, которую может иметь деталь без потери функциональности. При ее определении следует учитывать технологию 3D‑печати, силу тяжести и другие силы, область применения напечатанных изделий, а также эстетические требования. И что особенно важно, для каждого материала производитель устанавливает определенную минимальную толщину.

Максимальная толщина

Если при 3D‑печати требуется более толстая стенка из‑за наличия поддержек, существует ограничение на ее толщину, допустимое для такой конструкции. Это особенно важно, если речь идет о металлах.

Если не учитывать максимальную толщину стенки, это может привести к внутренним напряжениям, трещинам или разрыву модели. Хороший пример – печать чехла для телефона. Выбор неоправданно большой толщины стенок для изделий такого типа приведет к снижению их гибкости.

Рекомендуемая толщина

Толщина стенок в основном зависит от типа расходных материалов. К примеру, для TPU, известного своей гибкостью и резиноподобностью, рекомендуется минимальная толщины стенки в 2,0 мм. Для более жестких материалов типа PLA, ABS и нейлона подходящий рекомендуемый минимум – 1,5 мм. Однако некоторые пользователи устанавливают 0,8 мм.

Популярные материалы для 3D‑принтеров и рекомендуемая толщина стенки:

• АBS, PLA – 1,5 мм;

• поликарбонат – 1 мм;

• армированные пластики – 2 мм;

• нейлон, полиэтилен, полиэстер – 0,8 мм;

• фотополимерные смолы – 0,8 мм (без поддержек), 0,5 мм (с поддержками);

• алюминий – 1 мм;

• титан – 0,5 мм.

Почему важно оптимизировать этот параметр

Выбор оптимальной толщины стенок в аддитивном производстве имеет большое значение для функциональности, долговечности и эстетичности изделий. Хотя программное обеспечение 3D‑принтеров и слайсеры обычно позволяют оптимизировать толщину стенок, вам, возможно, придется сделать это вручную.

Чехлы для iPhone, напечатанные из полиамида компанией Pekka Salokannel © Materialise

Итак, что вам даст правильная настройка толщины стенки?

1. Уменьшение внутренних напряжений

Вероятность возникновения внутренних напряжений снижается. Соответственно, минимизируется риск деформации и других дефектов.

2. Экономия материалов

Оптимальная настройка дает возможность более эффективно расходовать материалы, что снижает стоимость печати.

3. Повышение производительности

Оптимизация толщины стенок также обеспечивает высокую производительность, снижая стоимость и время, затрачиваемое на 3D‑печать.

4. Снижение риска повреждений

Уменьшается опасность повреждения уже напечатанных объектов. Например, если стенка слишком тонкая, она может быть повреждена при удалении поддержек или полировке модели.

Как выбрать оптимальную толщину стенок

Необходимо учитывать следующие факторы.

Назначение деталей, которые вы печатаете

Исходя из поставленной задачи, можно использовать другие приведенные ниже советы для оптимизации толщины стенок. Например, если деталь предполагается использовать в высокотехнологичной области, лучше увеличить толщину стенок. С другой стороны, тонкие стенки могут быть идеальны для обеспечения гибкости.

Используемые материалы

Материалы, с которыми вы работаете, – еще один важный фактор. Здесь следует обратить внимание на гибкость материалов.

Для гибких и резиноподобных материалов следует использовать бòльшую толщину стенки. Как уже говорилось, для материалов типа TPU минимальная толщина стенки составляет 2,0 мм. Если вы работаете с более жесткими филаментами – PLA, ABS и нейлоном, – минимальная толщина может быть 1,5 мм. Некоторые производители утверждают, что достаточно 0,8 мм, но такое значение годится не для всех деталей.

Подходящий масштаб модели

Еще один момент, на который следует обратить внимание, – это масштаб модели. Убедитесь, что вы установили подходящее значение, так как при очень маленьком масштабе материалы могут не поддаваться печати.

Не забывайте о поддержках

Нависающие элементы в модели должны быть достаточно прочными, чтобы функционировать и не разрушаться в процессе печати. При этом не стоит делать их слишком толстыми, так как это нарушит их назначение.

Многие используют поддерживающие конструкции для улучшения качества нависающих элементов, что позволяет печатать их с минимальной толщиной стенки. Однако это приводит к большему расходу филамента.

Толщина прилегающих стенок

После того как филамент выдавливается из сопла, он остывает и расширяется. Поскольку у детали есть углы, предотвращающие ее деформацию, по причине расширения также может возникнуть тепловое напряжение. Из‑за толстых стенок тепловое напряжение повышается, что может привести к дефекту в любом слабом месте конструкции. Таким образом, важно обеспечить одинаковое значение толщины. Толщина стенки сегмента должна составлять 60% толщины прилегающей к нему стенки.

Используйте кривые внутреннего радиуса

Тепловое напряжение накапливается на углах и краях модели, и углы деформируются. Поэтому лучшим способом распределения такого напряжения будет использование закругленных краев. Если у вашей детали должна быть острая кромка, вы можете уменьшить накопление напряжения, изогнув кромку с внутренней стороны. Это также улучшит эстетический вид изделия.

Сила тяжести

Один из очевидных факторов, который может повлиять на толщину стенок, – сила тяжести. Большинство пользователей заняты выявлением возможных дефектов, связанных с расслаиванием, неустойчивым положением детали и т. д. Однако вы можете контролировать такие дефекты, учитывая силу тяжести. Следует проанализировать геометрию конструкции и определить, где будут возникать возможные напряжения. Затем вы внесете исправления, сделав эти детали толще.

Распространенные проблемы

Деформация – одно из следствий неправильной настройки толщины стенки © Reddit

Существует несколько проблем, с которыми вы можете столкнуться, если выберете неправильную толщину стенки.

1. Потеря детализации при масштабировании

Если результат печати не соответствует исходной модели, это проблема. Модель может быть конструктивно обоснованной, но в реальности окажется неосуществимой. Поэтому могут возникнуть ситуации, когда из‑за уменьшения масштаба стенки окажутся слишком тонкими. Следовательно, в мелкомасштабных моделях стенки должны быть тоньше, а в крупномасштабных – толще. Это поможет вам избежать потери мелкой детализации при печати.

2. Деформация

В аддитивном процессе последовательно накладываемые слои должны хорошо соединяться между собой. Если этого не происходит, в детали могут появиться дефекты. Один из самых распространенных дефектов 3D‑печати – деформация. Она возникает во время или после печати из‑за превышения минимальной толщины детали: деталь сжимается, а углы поднимаются и отделяются от рабочей платформы. Аналогичная проблема имеет место в литье под давлением.

3. Загибание углов

С данным дефектом часто сталкиваются при использовании FDM, SLS и других аддитивных технологий, основанных на расплавлении или спекании материала. После печати может наблюдаться загибание углов детали – это происходит из‑за зависимости процесса охлаждения от формы, контура и толщины стенок конструкции, которые могут быть неравномерными при резком изменении температуры.

Итоги: кратко

Выбор оптимальной толщины стенок конструкции, которую вы хотите напечатать, – один из важнейших моментов при подготовке к аддитивному производству. Любая ошибка в настройках этого и других параметров 3D‑печати может привести к непоправимым дефектам.

Возможно, для получения идеально напечатанной детали вам потребуется не одна попытка, но понимание базовых принципов определения толщины стенок поможет со временем добиться наилучших результатов.

Статья опубликована 29.03.2024 , обновлена 13.09.2024