Правила проектирования FDM для начинающих пользователей 3D-печати
Вы аккуратно нарисовали деталь в CAD, печать длится несколько часов – и при первом использовании крепление ломается в самом тонком месте. Или разъем не подходит к гнезду, хотя размеры «должны» совпадать. Такие отзывы мы слышим в мастерской 33d.ch почти каждую неделю – и да, сначала у нас происходило то же самое.
Причина редко кроется только в принтере, а чаще всего – в конструкции: слишком тонкие стенки, слишком крутые свесы, неудачная ориентация в пространстве сборки или нереалистичные допуски. Хорошая новость: с помощью нескольких четких правил проектирования FDM можно устранить многие неудачные печати и поломки еще на этапе CAD.
Quelle: Собственная разработка
Здесь мы сосредоточимся на типичных настольных FDM-принтерах с соплом 0,4 мм и таких материалах, как PLA или PETG – то есть именно на той конфигурации, которую используют многие любители, школы и малые/средние предприятия в Швейцарии. Указанные значения сознательно носят консервативный характер и предназначены для безопасных начальных значений, которые вы можете поэтапно проверить на своем собственном принтере.
Как работает 3D-печать FDM
В процессе FDM/FFF ваша деталь строится слой за слоем из расплавленной нити пластика. Это звучит просто, но имеет прямые последствия для конструкции:
- Свесы должны опираться на уже напечатанный материал – рано или поздно потребуется поддержка.
- Мосты могут печататься «в воздухе» только на ограниченное расстояние, прежде чем они провиснут.
- Детали анизотропны: вдоль путей обычно прочнее, чем между слоями.
По умолчанию многие FDM-принтеры работают с соплом 0,4 мм. Грубое правило: минимальная толщина стенки должна соответствовать ширине сопла, а лучше – в два-три раза больше (≈0,8–1,2 мм). Свесы часто можно печатать без поддержки примерно до 45° к вертикали; выше этого риска значительно возрастает риск образования свисающих кромок и неровных поверхностей.
Самые важные правила проектирования FDM для начинающих
На практике доказало свою эффективность последовательное применение нескольких простых правил. Ваши первые детали могут быть еще не оптимальными, но они будут работать надежно и не ломаться при первом использовании.
Толщина стенок: думайте в ширине линии
Самая частая конструктивная ошибка – слишком тонкие стенки. В слайсере деталь выглядит ярко и «сплошной», но на самом деле печатается только одна линия – и она ломается при первом ударе или уже при снятии с печатного стола.
Для сопла 0,4 мм следующие практические правила хорошо подходят для начинающих:
- чисто декоративные и крышки: минимум 0,8 мм (≈2 линии)
- функциональные детали с небольшой нагрузкой: 1,2–1,6 мм (3–4 линии)
- сильно нагруженные области, например, держатель винта или кронштейн: лучше 2,0 мм и более в направлении нагрузки
Quelle: Собственная разработка
Графика обобщает типичные правила проектирования FDM для толщины стенок, свесов и мостов – идеально в качестве шпаргалки рядом с CAD-программой.
| Сопло | Рекомендуемая минимальная прочная стенка |
|---|---|
| 0,4 mm | 0,8–1,2 mm |
| 0,6 mm | 1,2–1,8 mm |
| 0,8 mm | 1,6–2,4 mm |
Практические ориентиры – всегда проверяйте на простом тестовом образце на своем принтере.
Критически важны для прочности в первую очередь внешние стенки (периметры). Когда нам нужны прочные детали в 33d.ch, мы сначала увеличиваем количество периметров, а затем – заполнение (infill). Это также соответствует рекомендациям многих производителей слайсеров и тестам сообщества.
Планируйте свесы, мосты и опорные материалы с умом
Опорные материалы практичны, но стоят времени, материалов и часто нервов при удалении. Лучше, когда деталь спроектирована так, чтобы требовалось как можно меньше поддержки.
В качестве простой конструктивной помощи мы используем правило 45°: более пологие свесы обычно требуют поддержки, более крутые участки самонесущие – в зависимости от материала, охлаждения и принтера. На практике стоит попробовать критические геометрии на небольшом тестовом образце, прежде чем большая деталь пойдет в производство.
| Функция | Ориентировочные значения для конфигураций начинающих |
|---|---|
| Свес | до примерно 45° к вертикали обычно печатается без поддержки |
| Мосты | до примерно 5–10 мм часто получаются чисто, выше лучше протестировать или поддержать |
| свободно висящий «язычок» | по возможности избегать – лучше соединять фаской или радиусом |
Ориентировочные значения для PLA/PETG с хорошо настроенным вентилятором; другие материалы могут отличаться.
Советы, проверенные в нашей мастерской:
- Для внутренних углов лучше использовать фаски 45°, а не острые углы 90°, образующие свес.
- Разделяйте большие вырезы так, чтобы мосты стали короче или вовсе исключены.
- Если деталь требует много поддержки, часто стоит разделить ее на две детали, свинченные или вставленные друг в друга.
Отверстия, посадки и защелкивающиеся соединения
Почти каждый, кто заново начинает проектировать для FDM, сталкивается с слишком маленькими отверстиями. Принтер немного «стягивает» материал внутрь при обходе внутренних радиусов; кроме того, играют роль усадка материала и калибровка.
Поэтому мы проектируем отверстия в CAD обычно на 0,1–0,3 мм больше, чем целевой размер, и используем для важных посадок XY-компенсацию в слайсере или сверлим после печати. Для классических винтов M3, M4 и M5 небольшие тестовые планки с отверстиями разного размера оказались непревзойденной шпаргалкой.
- для винтов: предусмотреть в CAD запас размера и, при необходимости, легкое до сверливание
- для валов или стержней: сначала определить идеальный зазор с помощью простой тестовой карты
- защелкивающиеся крючки: лучше делать их немного «толще» и при необходимости подпиливать материал, чем конструировать слишком тонкий крючок, который сразу сломается
Допуски в повседневной практике
Для типичных настольных FDM-принтеров реальные допуски находятся в диапазоне нескольких десятых миллиметра. В нашей мастерской зарекомендовали себя следующие ориентиры:
- вставляемая, но не шатающаяся посадка: зазор 0,2–0,3 мм
- легкая прессовая посадка (например, для магнитов): зазор 0,1–0,2 мм плюс последующая обработка
- защелкивающиеся соединения: лучше разрабатывать на тестовых образцах, чем только рассчитывать
Прочность и ориентация: Думайте как принтер
Quelle: threedom.de
Обзор показывает, что каждая технология 3D-печати имеет свои пределы проектирования. Для FDM особенно критичны толщина стенок, свесы и ориентация в пространстве сборки.
Ориентация в пространстве сборки
Детали FDM прочны в зависимости от направления. Вдоль путей и слоев (в направлении XY) они выдерживают значительно больше, чем поперек (в направлении Z). На практике вы заметите это по тому, что детали часто ломаются именно по линиям слоев, если они были ориентированы неудачно.
Поэтому мы ориентируем кронштейны и зажимы, которые подвержены растяжению или изгибу, по возможности так, чтобы нагрузка шла в направлении путей, а критические поперечные сечения не печатались в виде тонких «ступенек» в направлении Z.
- Угловые скобы L лучше печатать лежа, чтобы изгиб состоял из многих слоев, а не стоя с одним «слабым» швом.
- Защелкивающиеся крючки поворачивать так, чтобы основание крючка шло вдоль линий слоев.
- Пазовые отверстия при растягивающей нагрузке располагать в направлении путей, а не поперек.
Периметр против заполнения: откуда на самом деле берется прочность
Многие начинающие сначала увеличивают заполнение до 80% или 100%, чтобы сделать деталь прочнее. На практике гораздо больше пользы приносит изменение толщины стенок и периметров. Опыты и документация производителей снова и снова показывают, что внешние стенки вносят наибольший вклад в прочность детали.
Для PLA и PETG для функциональных деталей хорошо зарекомендовал себя следующий набор начальных значений:
| Применение | Периметр | Заполнение |
|---|---|---|
| Корпуса, крышки | 2 | 15–20 % |
| легкие функциональные детали | 3 | 20–30 % |
| более нагруженные детали | 3–4 | 30–40 % |
Ориентировочные значения для многих стандартных конфигураций; для деталей, влияющих на безопасность, всегда работайте с реальными тестами нагрузки.
Quelle: biocraftlab.com
Заполнение в виде сот или гироида обеспечивает хороший баланс между прочностью и расходом материала. Часто достаточно умеренного заполнения, если внешние стенки имеют разумные размеры.
Экстремально высокие значения заполнения редко оправдывают себя: печать занимает значительно больше времени, возрастает риск коробления, а расход материала взлетает. Если деталь с 40% заполнением и 3-4 периметрами все еще слишком хрупкая, значит, основной дизайн еще не отработан.
Типичные ошибки начинающих из нашей мастерской
Несколько классических ошибок мы постоянно видим в новых клиентских дизайнах:
- Стенки ровно 0,4 мм при сопле 0,4 мм – слайсер часто делает из них только одну линию.
- Внутренние углы с 90° свесом, нарисованные прямо «в воздух».
- Длинные, самонесущие мосты более 20-30 мм без проверки, выдержит ли профиль.
- Отверстия, спроектированные точно в номинальном размере – винт потом не входит.
- Критические детали поставлены вертикально, потому что так лучше помещаются на платформе.
Когда мы получаем такие детали, мы сначала корректируем толщину стенок, свесы и ориентацию – часто без существенного изменения внешнего вида. Уже это заметно повышает прочность и надежность печати.
Чек-лист: перед экспортом в STL
Прежде чем экспортировать модель в STL или отправить ее поставщику услуг 3D-печати, стоит провести краткую проверку дизайна. В нашей мастерской мы внутренне проходим эти пункты:
- Все несущие стенки имеют разумные кратные ширине экструзии (например, 0,8–1,6 мм при 0,4 мм)?
- Есть ли свесы более примерно 45°, которые можно смягчить, используя фаски, радиусы или другое разделение?
- Мосты длиной более примерно 10 мм, и можно ли их укоротить путем изменения геометрии?
- Предусмотрены ли отверстия для винтов, валов или магнитов с небольшим запасным размером или для последующей обработки?
- Выбрана ли ориентация детали так, чтобы основная нагрузка шла вдоль линий слоев?
- Действительно ли вам нужно 80-100% заполнения – или достаточно большего количества периметров и умеренного заполнения?
Тем, кто только начинает заниматься FDM-дизайном, очень помогут несколько простых тестовых деталей: шкала толщины стенок, планка с отверстиями для стандартных винтов и тестовая пластина для мостов/свесов. В 33d.ch мы документируем наш опыт непосредственно в соответствующем клиентском проекте – так последующие заказы выполняются быстрее и воспроизводимее.
Хорошие видео для углубления
Если вы предпочитаете смотреть, как другие конструируют, эти видео (на английском) помогут вам начать:
- Рекомендуемое видео: Design for Manufacturing: Polymer FDM – очень компактно объясняет свесы, толщину стенок и правила проектирования.
- Рекомендуемое видео: 8 Essential Design Rules for Mass Production 3D Printing – показывает, как конструировать детали так, чтобы они хорошо печатались и позже легко собирались.
Мини-вывод: 5 вещей, которые стоит запомнить
- Думайте в ширине линии: планируйте стенки в кратных ширине экструзии, а не «как-нибудь».
- Учитывайте свесы, мосты и ориентацию уже в CAD – не исправляйте их только в слайсере.
- Прочность в основном исходит из внешних стенок; увеличивайте заполнение только умеренно.
- Отверстия и посадки намеренно выполняйте с запасом или недочетом и проверяйте на тестовых образцах.
- Документируйте собственные ориентиры: после тщательного тестирования намного меньше сюрпризов на принтере.
Хорошо подходит к теме (идеи внутренних статей)
Для дальнейшего развития блога 33d.ch к этой теме подходят, среди прочего, следующие статьи:
- Понимание допусков 3D-печати
- Правильное хранение филамента
- Сравнение FDM-материалов: PLA, PETG, ABS
- Чек-лист для первого заказа 3D-печати
- Распознавание и устранение типичных ошибок FDM-печати