69. Пластмассы и 3D-печать: PLA, PETG, ABS, смолы #
Пластмассы и 3D-печать: PLA, PETG, ABS, смолы
Категория 6: Материалы конструкции БПЛАПечатные детали закрывают в БПЛА то, что не печатается из композита на месте: кронштейны, крышки, распределители, дроссели, декоративные элементы. Но печатная деталь — не «кусок пластика»: её свойства зависят от ориентации относительно слоёв (анизотропия), заполненности (infill) и температуры. Здесь — таблицы PLA, PETG, ABS и смол, правила проектирования под печать и пять расчётных задач.
Содержание
1. Цели статьи
Справочник по пластикам для 3D-печати деталей БПЛА: PLA, PETG, ABS (FDM) и фотополимерные смолы (SLA). Материал рассчитан на инженера, который проектирует печатную деталь и должен до старта печати ответить на три вопроса: какой материал, в какой ориентации и с каким запасом прочности печатать.
- Выбрать материал по трём фильтрам: температура эксплуатации, ударная нагрузка, допуск (статья 71 — посадочные размеры).
- Понять анизотропию FDM: деталь в 1,5–2 раза прочнее вдоль слоёв, чем поперёк (направление Z).
- Учесть infill: 30 % заполненности — минус 30 % к прочному сечению.
- Знать режимы отказа: межслойное расслоение, хрупкость PLA, ползучесть ABS, старение от УФ (статья 72).
- Считать: напряжение, запас, прогиб печатной детали — с поправками на ориентацию и infill.
Граница применимости. Печатные детали — для нагруженных элементов до ~30–50 Н (крепёж, крышки, распределители). Силовые элементы рамы — композит/металл (статьи 66, 68): печатная деталь не выдержит удар винта даже при идеальном расчёте.
2. Глоссарий величин
Полный перечень величин с единицами измерения.
| Величина | Обозначение | Единицы | Типичные значения (печатные детали) |
|---|---|---|---|
| Модуль упругости | E | ГПа | PLA 2–3,5; PETG 1,5–2,1; ABS 1,5–2,3; смола SLA 2,5–3,5 |
| Плотность | ρ | г/см³ | PLA 1,24; PETG 1,27; ABS 1,05; смола 1,05–1,2 |
| Предел прочности (вдоль слоёв) | σ_пр | МПа | PLA 35–50; PETG 40–55; ABS 30–40; смола 50–80 |
| Температура деформации под нагрузкой (HDT) | — | °C | PLA ~55; PETG ~78; ABS ~100; смола 60–90 |
| Ударная вязкость (Charpy) | — | кДж/м² | PLA 1–2; PETG 5–10; ABS 15–30; смола 2–5 |
| Заполненность (infill) | — | % | 20–50 % (силовые 50–100 %) |
| Количество внешних стенок | — | шт | 2–3 (силовые 3–4) |
| Допуск размера | — | мм | FDM ±0,2–0,3; SLA ±0,05–0,1 |
3. Материалы: PLA, PETG, ABS, смола
Четыре рабочих материала для БПЛА. Все значения — для печатных деталей; сплошные образцы (литьё, прокат) прочнее в 1,5–3 раза.
| Свойство | PLA | PETG | ABS | Смола SLA |
|---|---|---|---|---|
| E (вдоль слоёв), ГПа | 2–3,5 | 1,5–2,1 | 1,5–2,3 | 2,5–3,5 |
| ρ, г/см³ | 1,24 | 1,27 | 1,05 | 1,05–1,2 |
| σ_пр (растяжение), МПа | 35–50 | 40–55 | 30–40 | 50–80 |
| σ_сжатие, МПа | 40–60 | 50–65 | 35–45 | 50–90 |
| HDT, °C | ~55 | ~78 | ~100 | 60–90 |
| Удар (Charpy), кДж/м² | 1–2 | 5–10 | 15–30 | 2–5 |
| Характер разрушения | хрупкий | вязкий | вязкий | хрупкий (стандартная) |
| Особенности | точный, дешёвый, низкая рабочая температура | вязкий, «нить», труднее печать | жаропрочный, стирол, усадка | точность 0,05 мм, светочувствительна |
Коротко о каждом:
- PLA (полилактид) — биоразлагаемый пластик на основе молочной кислоты. Самый точный и дешёвый, но хрупкий и термочувствительный (деформируется выше 55 °C). [PLA — Polylactic_acid (рисунок — Wikipedia) / Полилактид]
- PETG — PET с добавкой гликоля: вязче PLA, держит 70–80 °C, даёт нити при печати (stringing). [PETG — PETG / Полиэтилентерефталат]
- ABS — классический термопластик: жаропрочный (100 °C), вязкий, но при печати выделяет стирол (нужна вентиляция) и даёт усадку (искривление детали). [ABS — ABS / АБС-пластик]
- Смола SLA — фотополимер, застывает УФ-светом. Точность 0,05 мм, гладкая поверхность; стандартная смола хрупкая (есть «impact»-смолы с удвоённым ударом). [Стереолитография — Stereolithography / Лазерная стереолитография]
4. Технологии: FDM и SLA
FDM (fused deposition modeling) — наплавка расплавленным филаментом слоем 0,1–0,3 мм. [FDM — Fused_deposition_modeling / Моделирование методом наплавления] Структура детали: внешние стенки (2–3) + внутренний infill (сотовый/линейный 20–50 %). Свойства:
- Анизотропия. Слой к слою — слабое место: прочность в направлении Z (поперёк слоёв) на 40–50 % ниже, чем в X/Y (вдоль слоёв); E_z примерно в 1,5–2 раза ниже E_x. Механизм — неидеальная адгезия между слоями.
- Infill. 100 % заполнение — «сплошная» деталь. 30 % — минус ~30 % к прочности на растяжение/изгиб (при нагрузке вдоль слоёв); на сжатие и сдвиг infill влияет сильнее (до −50 %).
- Стенки. Каждая внешняя стенка (~0,4–0,8 мм) несёт ~25–30 % от прочности; 3 стенки — стандарт для нагруженной детали.
- Точность. ±0,2–0,3 мм; слой 0,2 мм; «ступеньки» на наклонных поверхностях.
SLA — послойное отверждение смолы УФ-светом. Точность ±0,05 мм, поверхность гладкая, но: хрупкость стандартной смолы, светочувствительность (хранение в тёмном), послепечаточная сушка (изопропанол + УФ-отжиг 2–4 ч), шрамы от поддержек.
Правило выбора технологии. Посадочные размеры с зазором меньше 0,2 мм, тонкостенные элементы (меньше 1,5 мм), декоративная поверхность — SLA. Нагруженные элементы, детали больше 100 мм, работа при температуре — FDM.
5. Проектирование под печать
- Ориентация. Главная нагрузка — вдоль слоёв (X/Y), никогда по Z. Консольную деталь печатают «на бок» (нагрузка в плоскости слоёв), а не «сверху вниз».
- Стенки и infill. Нагруженная деталь: 3 стенки + infill 50–100 %; несущая крышка: 2 стенки + 30–50 %.
- Скругления. R больше 1 мм: острые углы — концентраторы (статья 67), а при печати «ступеньки» на углах дополнительно ослабляют деталь.
- Минимальная толщина стенки. FDM: 1,2–1,5 мм (2 стенки); SLA: 0,8 мм. Тоньше — микротрещины при изгибе.
- Поддержки. Перемычки длиннее 4 мм «в воздухе» — поддержка обязательна; после удаления остаются шрамы — их место не должно быть силовым.
- Температура. Рабочая температура — HDT минус 10–15 °C. Для PLA — до 40–45 °C в корпусе БПЛА (летом под капотом электроники бывает 60 °C), для PETG — до 65 °C, для ABS — до 85 °C.
- Посадки. FDM: зазор 0,2–0,3 мм на ось 3–5 мм (меньше — ось не входит, посадка разбивается); SLA: зазор 0,05–0,1 мм. [Допуски — см. статью 71, крепёж.]
6. Режимы отказа
| Режим | Причина | Симптом | Профилактика |
|---|---|---|---|
| Межслойное расслоение | нагрузка по Z, плохая адгезия (низкая T стола) | слои «расходятся» гармошкой | нагрузка вдоль слоёв; T стола +5–10 °C |
| Хрупкий срыв (PLA, смола) | удар, резкий изгиб | скол без деформации | PETG/ABS для ударных узлов; скругления |
| Ползучесть | постоянная нагрузка + температура | деталь «поплыла» за недели | ABS/PETG; запас по напряжению 3–4 |
| Термодеформация | температура выше HDT | искривление, потеря посадки | материал под температуру (задача 2) |
| УФ-старение | солнце (PLA белеет и крошится) | крошение через 1–2 сезона | покрытие, хранение; статья 72 |
| Влагопоглощение | ABS/PLA набухают | расслоение, потеря свойств | хранение в сухом; сушка филамента |
Усталость печатных деталей. Межслойные границы — готовые концентраторы: усталостный предел печатной детали на 30–50 % ниже, чем статический расчётный (статья 67). Для виброузлов (крепёж мотора, кронштейны) печатные детали не рекомендуются вовсе — металл/композит.
7. Практика: типовые задачи
Задача 1. Ориентация нагрузки (X против Z)
Задача. Крепёжный кронштейн из PLA: сечение 4 × 10 мм, консоль L = 40 мм, на конце P = 30 Н. Проверить запас (n_треб = 2,5, σ_пр PLA вдоль слоёв 45 МПа, в направлении Z коэффициент 0,55) в двух ориентациях: (а) нагрузка вдоль слоёв, (б) нагрузка поперёк (Z).
Заданные параметры:
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Сечение | 4 × 10 мм (b × h), W = 4·100/6 = 66,7 мм³ |
| Длина консоли | L = 40 мм |
| Сила на конце | P = 30 Н |
| σ_пр (вдоль слоёв) | 45 МПа |
| Коэффициент по Z | 0,55 |
| n_треб | 2,5 |
Искомые параметры: σ (МПа); n для (а) и (б); ориентация.
Решение.
- M = P·L = 30·40 = 1200 Н·мм; σ = M/W = 1200/66,7 = 18 МПа.
- (а) Вдоль слоёв: n = 45/18 = 2,5 — проходит (на границе).
- (б) По Z: σ_пр,Z = 45·0,55 = 24,75 МПа; n = 24,75/18 = 1,37 — не проходит.
Вывод. Одна и та же деталь в одной ориентации годна, в другой — нет. Ориентация — первый параметр проектирования печатной детали, ещё до выбора материала.
Задача 2. Выбор по температуре
Задача. Крышка распределителя печатается и работает в корпусе БПЛА; летом под электроникой температура 70 °C. Выбрать материал (правило: T_работы плюс 10–15 °C запас должно быть меньше HDT).
Заданные параметры:
| Материал | HDT, °C |
|---|---|
| PLA | ~55 |
| PETG | ~78 |
| ABS | ~100 |
| Температура эксплуатации | 70 °C |
Искомые параметры: требуемый HDT; подходящий материал.
Решение.
- Требуемый HDT: 70 + 15 = 85 °C.
- PLA: 55 меньше 85 — нет (деформируется).
- PETG: 78 меньше 85 — нет (на границе, без запаса).
- ABS: 100 больше 85 — годен (запас 25 °C).
Вывод. «Крышка отпечатана из PLA, но в полёте поплыла» — типичная причина отказов крышек в жару. Фильтр по температуре отсёкает 50 % ошибок проектирования печатных деталей.
Задача 3. Infill и сечение
Задача. Печатная стойка из PLA несёт осевое сжатие P = 100 Н. Подобрать квадратное сечение при n_треб = 2,5 (σ_пр = 45 МПа) для двух случаев: (а) сплошная (100 %), (б) infill 30 % (коэффициент прочности 0,7).
Заданные параметры:
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Сила сжатия | P = 100 Н |
| σ_пр PLA | 45 МПа |
| n_треб | 2,5 |
| Коэффициент infill 30 % | 0,7 |
Искомые параметры: A_min (мм²) и сторона квадрата для (а) и (б).
Решение.
- σ_доп = 45/2,5 = 18 МПа.
- (а) Сплошная: A = P/σ_доп = 100/18 = 5,6 мм²; сторона = √5,6 = 2,4 мм → берём 2,5 мм (6,25 мм²).
- (б) Infill 30 %: A = 100/(18·0,7) = 7,9 мм²; сторона = √7,9 = 2,8 мм → берём 3 мм (9 мм²).
Вывод. «Сэкономить филамент на infill» — это цена в массе и прочности: при 30 % заполненности деталь тяжелее и габаритнее при том же запасе. Для нагруженных стоек — 50–100 %.
Задача 4. Ударная вязкость
Задача. Деталь шасси (приём ударной энергии при посадке) должна выдерживать удар 10 кДж/м² (тест: падение 0,5 м). Подобрать материал по ударной вязкости (Charpy, печатные детали): PLA 2, PETG 8, ABS 25 кДж/м².
Заданные параметры:
| Материал | Charpy, кДж/м² |
|---|---|
| PLA | 2 |
| PETG | 8 |
| ABS | 25 |
| Требуемый удар | 10 кДж/м² |
Искомые параметры: подходящий материал.
Решение.
- PLA: 2 меньше 10 — хрупкий срыв.
- PETG: 8 меньше 10 — не проходит (запас меньше 1).
- ABS: 25 больше 10 — проходит (запас 2,5).
Вывод. PLA «ломается, как стекло», PETG «ломается, как пластик», ABS «гнётся». Для ударных узлов — только вязкие материалы; для шасси БПЛА с посадками лучше металл (статья 67).
Задача 5. Анизотропия: прогиб X против Z
Задача. Печатная балка PLA 10 × 10 × 100 мм (b × h × L) на двух опорах, в центре P = 20 Н. Сравнить прогиб при ориентации (а) нагрузка в плоскости слоёв (E_x = 3 ГПа) и (б) нагрузка поперёк слоёв (E_z = 1,5 ГПа).
Заданные параметры:
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Сечение | 10 × 10 мм, I = 10·1000/12 = 833 мм⁴ |
| Пролёт | L = 100 мм |
| Сила в центре | P = 20 Н |
| E_x (вдоль слоёв) | 3 ГПа = 3000 МПа |
| E_z (поперёк) | 1,5 ГПа = 1500 МПа |
Искомые параметры: δ (мм) для (а) и (б); отношение.
Решение.
- δ = P·L³/(48EI).
- (а) δ_x = 20·1 000 000/(48·3000·833) = 20 000 000/120 000 000 = 0,17 мм.
- (б) δ_z = 0,17 · (3000/1500) = 0,33 мм.
- Отношение: 0,33/0,17 = 1,94 ≈ 2.
Вывод. Анизотропия FDM — это не «потеря прочности», а потеря жёсткости в 1,5–2 раза и прочности в 1,5–1,8 раза. При расчёте печатной детали E и σ всегда берутся по направлению нагрузки относительно слоёв.
8. Чек-лист самопроверки знаний
- PLA: точный, дешёвый, хрупкий, до 55 °C; PETG: вязкий, до 78 °C; ABS: до 100 °C, стирол; смола SLA: точность 0,05 мм, хрупкая.
- FDM-анизотропия: по Z — минус 40–50 % прочности и в 1,5–2 раза ниже E; нагрузка — вдоль слоёв.
- Infill 30 % — минус ~30 % прочности; силовые детали: 3 стенки + 50–100 %.
- Температура: HDT минус 10–15 °C; удар: Charpy больше требуемого с запасом 1,5–2.
- Печатные детали — не для силовых элементов рамы (удар винта) и не для виброузлов (усталость).
9. Источники
- Wikipedia, «Polylactic Acid» — PLA. en.wikipedia.org/wiki/Polylactic_acid / ru.wikipedia.org/wiki/Полилактид (Полилактид)
- Wikipedia, «Polyethylene Terephthalate Glycol» — PETG. en.wikipedia.org/wiki/Polyethylene_terephthalate_glycol / ru.wikipedia.org/wiki/Полиэтилентерефталат (Полиэтилентерефталат)
- Wikipedia, «Acrylonitrile Butadiene Styrene» — ABS. en.wikipedia.org/wiki/Acrylonitrile_butadiene_styrene / ru.wikipedia.org/wiki/АБС-пластик (АБС-пластик)
- Wikipedia, «Stereolithography» — SLA-печать. en.wikipedia.org/wiki/Stereolithography / ru.wikipedia.org/wiki/Лазерная_стереолитография (Лазерная стереолитография)
- Wikipedia, «Fused Deposition Modeling» — FDM-печать. en.wikipedia.org/wiki/Fused_deposition_modeling / ru.wikipedia.org/wiki/Моделирование_методом_наплавления (Моделирование методом наплавления)