Исследователи увеличили прочность FFF-печатных деталей более чем в 6 раз

Разработанная технология, позволяющая улучшить прочность FFF-печатных деталей, работает путем выравнивания филамента по направлению, в котором детали испытывают наибольшее напряжение, устраняя "слабые места" и увеличивая их общую прочность. К настоящему моменту работа дала очень многообещающие результаты - сообщается, что было достигнуто увеличение прочность деталей до 6,35 раз по сравнению с обычной плоскостной FFF-печатью.

Визуализация криволинейных слоев, генерируемых фреймворком. Изображение Wayne State University

Механические свойства 3D-печатных деталей зависят от направления или оси, на которую прилагается усилие. Этот эффект особенно заметен на деталях, напечатанных методом FFF, из-за печально известного слабого межслойного сцепления по оси Z. В результате, этот процесс часто считается недостаточно эффективным для промышленного или производственного применения.

В настоящее время существует ряд методов, которые могут быть использованы для улучшения механических свойств полимерных отпечатков. К ним относятся термическая и химическая обработка, изменение процента заполнения и структуры и даже изменение геометрии детали. Группа исследователей же использовала само явление анизотропии для повышения прочности деталей, изготовленных с помощью FFF.

В основе фреймворка лежит разбиение 3D модели на последовательность "влияющих на прочность" и "нейтральных" изогнутых рабочих поверхностей. Эти криволинейные рабочие поверхности выступают в качестве альтернативы обычным слоям при плоскостной 3D-печати и на их основе оптимизируются траектории печати.

Вычислительный процесс для извлечения отдельных рабочих поверхностей, по словам исследователей, был "естественным образом унаследован от анализа методом конечных элементов", который используется инженерами для моделирования распределения напряжений в деталях, находящихся под нагрузкой. С его помощью было получено поле управления - сеть из набора тетраэдров.

Фреймворк разбивает модели на криволинейные слои, которые затем могут быть распечатаны на 5-ти осевом FDM принтере. Изображение Wayne State University

На основе поля управления (учитывающего распределение напряжений) были экстраполированы опорные конструкции, а также сформированы отдельные криволинейные слои и оптимизированы траектории печатной головки для выравнивания их с самой слабой осью на каждой из криволинейных поверхностей для максимизации прочности отпечатка во всех возможных направлениях.

Для тестирования разработанного фреймворка исследователи напечатали набор прототипов с помощью FFF-печати и провели лабораторные испытания на растяжение и сжатие. Свои результаты авторы описывают как "обнадеживающие", с типичным повышением прочности в диапазоне 1,42х - 6,35х по сравнению с обычной плоскостной-3D печатью.

Процесс, в результате которого модель разбивается на криволинейные слои и реконструируется для увеличения прочности деталей.. Изображение Wayne State University

Более подробная информация об исследовании приведена в статье "Reinforced FDM: Multi-Axis Filament Alignment with Controlled Anisotropic Strength".