Пружины на 3D-принтере: какие работают, как печатать, 13 моделей

Коротко: напечатать работающую пружину можно, но пластик — не сталь: он устаёт и «садится» (ползучесть) под постоянной нагрузкой. Лучше всего в 3D-печати работают плоские пружины и изгибные механизмы (compliant mechanisms) — детали, где пружина является частью конструкции и изгибается вдоль слоёв. Винтовые пружины сжатия возможны, но слабые и недолговечные; пружины растяжения рвутся по слоям. Материал — PETG, PCTG или нейлон; PLA хрупкий и «садится» в тепле. Печатайте так, чтобы изгиб шёл вдоль слоёв, и не нагружайте пружину до предела. Ниже — формы, материалы и советы.

Почему пластик — сложный материал для пружин

Стальная пружина миллионы раз возвращается в исходную форму. Пластик ведёт себя иначе: при постоянной нагрузке он медленно деформируется (ползучесть), а при многократных изгибах в нём накапливаются микротрещины (усталость). У печатной детали добавляется слабость межслойных границ. Поэтому печатная пружина должна работать с запасом: прогиб меньше максимального, нагрузка не постоянная, материал — упругий и вязкий. Самый прочный пластик.

Какие формы работают

Плоские пружины

Тонкая балка, которая изгибается, — самая надёжная форма. Печатается плашмя, все слои идут вдоль балки, и изгиб не разрывает их. Применение: защёлки, фиксаторы, прижимы, кнопки, клипсы. Защёлки на 3D-принтере.

Изгибные механизмы

Целый механизм из одной детали: шарниры заменены тонкими гибкими перемычками, пружины — изогнутыми балками. Примеры: зажимы, пинцеты, бистабильные переключатели, захваты. Преимущества — нет трения и сборки, деталь печатается целиком. Это одна из сильных сторон 3D-печати. Print-in-place.

Спиральные плоские пружины

Спираль в плоскости (как часовая заводная пружина) — для возвратных механизмов, рулеток, игрушек. Печатается плашмя, работает хорошо при умеренной закрутке.

Винтовые пружины

Классическая цилиндрическая пружина печатается, но сжимается всего на 20–40 % своей длины и быстро теряет упругость. Годится для лёгких задач и демонстраций; для механизмов, которые будут работать постоянно, надёжнее купить стальную пружину и спроектировать деталь под неё.

Проверенные модели

Изгибные механизмы

• Бистабильный переключатель (BYU CMR, 18 печатей) — две устойчивые позиции без единой оси и металлической пружины.
• Изгибный захват-зажим (BYU CMR, 17 печатей) — пример точного захвата из одной детали.
• Тонкий захват-пинцет (FabianVeile, 36 печатей).
• Бистабильный захват-брелок (FabianVeile, 62 печати) — защёлкивается в открытом и закрытом положении.
• Ручка с бистабильным механизмом (FabianVeile, 63 печати) — кнопка без пружины.
• Тумблер print-in-place (KNfLrPn, 95 печатей) — лицензия CC BY.
• Сферические изгибные шарниры «Tetra 1» (REMLURELMI, 16 печатей) — без поддержек, лицензия CC BY-SA.

Зажимы и прищепки

• Маленький зажим для пакетов (Mikolas Zuza, 1314 печатей) — одна из самых печатаемых моделей Printables; пружина — изогнутая часть самой детали. Общественное достояние.
• Зажим для пакетов print-in-place (neoyarus, 551 печать) — лицензия CC BY-SA.
• Прищепка (ArgiCZ, 214 печатей) — без металлической пружины.
• Пружинный зажим с плоскими и тонкими губками (Oryhara, 7 печатей) — лицензия CC BY.

Пружины

• Печатная спиральная пружина (HD_Creator, 12 печатей) — без поддержек.
• Резак для филамента с печатной пружиной (the_ress, 14 печатей) — пример возвратной пружины в инструменте, общественное достояние.

Материалы

PETG и PCTG — лучший простой выбор: печатаются легко, хорошо пружинят и не ломаются резко. Нейлон — лучший вариант для многих циклов: защёлки из нейлона выдерживают тысячи срабатываний. Учтите, что нейлон надо сушить. PCTG, нейлон.

Как длина и толщина меняют жёсткость

Для плоской пружины-балки работает простое правило: жёсткость растёт пропорционально кубу толщины и обратно пропорционально кубу длины. На практике это значит: если сделать балку вдвое толще, она станет примерно в 8 раз жёстче; если вдвое длиннее — в 8 раз мягче. Поэтому жёсткость удобнее регулировать длиной: удлинить балку на 20 % — и пружина станет заметно мягче, при этом напряжение в материале снизится, и она прослужит дольше. Ширина балки (размер вдоль оси изгиба) влияет линейно: вдвое шире — вдвое жёстче. Подбирать нужную жёсткость удобно серией пробных печатей с разной длиной — параметрическая модель позволяет сделать это за час.

Бистабильные механизмы

Бистабильный механизм имеет два устойчивых положения и «перещёлкивается» между ними с характерным щелчком: так работают некоторые выключатели, защёлки крышек, заколки для волос. Внутри — изогнутые балки, которые в среднем положении сжаты сильнее всего, поэтому механизм стремится в одно из крайних. В 3D-печати их делают целиком из одной детали: печатный выключатель, ручка с кнопкой, захват-брелок из подборки. Главное — балки толщиной в 2–3 линии экструзии и ориентация вдоль слоёв: бистабильный механизм многократно проходит через максимальный изгиб. Print-in-place.

Пластики для пружин

Полипропилен — материал заводских «живых петель» на крышках флаконов: он выдерживает сотни тысяч изгибов. Печатать им сложнее (плохо липнет к столу), но для петель и защёлок результат того стоит. Полипропилен.

Как проектировать

• Длина важнее толщины — длинная тонкая балка прогибается на ту же величину с меньшим напряжением, чем короткая толстая.
• Плавные радиусы в местах крепления — острый угол концентрирует напряжение, там начинается трещина.
• Толщина — кратно ширине линии — балка из 2–3 сплошных линий надёжнее, чем с заполнением внутри. Ширина линии.
• Ограничитель хода — упор, который не даёт перегнуть пружину.

Проектирование для 3D-печати.

Настройки печати

• Ориентация — изгиб вдоль слоёв, обычно плашмя.
• Стенки — пружинящие элементы печатать целиком стенками, без заполнения.
• Температура — верх диапазона для лучшего сплавления линий.
• Обдув — умеренный для PETG и нейлона.

Настройки для прочности.

Пример: зажим-прищепка без металлической пружины

Прищепка из одной детали: две губки соединены изогнутой петлёй, которая работает как пружина. Петлю печатают плашмя из PETG толщиной 1,2–1,6 мм и длиной развёртки 25–35 мм. Губки сходятся с небольшим натягом, а при нажатии на рычаги петля упруго изгибается. Такая прищепка выдерживает сотни циклов, не ржавеет и печатается без сборки. По этому же принципу делают зажимы для пакетов, держатели кабелей и клипсы. Проверьте её через неделю: если губки перестали сходиться — сделайте петлю толще или смените пластик на нейлон.

Амортизаторы и демпферы из TPU

Там, где нужна не столько пружина, сколько мягкость, лучше всего работает TPU. Ножки для техники гасят вибрацию стиральной машины, компрессора или самого 3D-принтера; демпферы под вентиляторы снижают шум; бамперы на мебель и двери смягчают удар; проставки под камеру гасят дрожание. Жёсткость TPU-детали задаётся не только твёрдостью пластика (85A мягче 95A), но и заполнением: гироид 15–30 % работает как губка, 100 % — как резина. Форма тоже важна: полые «бочонки» и пружинящие решётки продавливаются мягко и равномерно. В отличие от жёстких пластиков, TPU почти не «садится» при постоянной умеренной нагрузке, поэтому для ножек и опор он предпочтительнее PETG. Как печатать TPU.

Комбинированные решения

Часто лучший вариант — печатная деталь плюс стальная пружина. Корпус, направляющие и посадочные гнёзда печатают, а пружину покупают стандартную. Так механизм получается и точным, и долговечным. Проектируйте гнездо под пружину с запасом по диаметру 0,3–0,5 мм и с направляющим штырём, чтобы пружина не изгибалась вбок.

Усталость и ползучесть

Если пружина постоянно нагружена (например, прижимает крышку годами), она постепенно «сядет» и ослабнет. Это нормально для пластика. Решения: снимать нагрузку в покое (конструкция, где пружина работает только при нажатии), использовать нейлон или POM, или поставить стальную пружину. В тепле ползучесть быстрее — PLA-пружина в машине летом потеряет форму за день.

Как проверить пружину

Перед тем как ставить печатную пружину в механизм, проведите простое испытание: 100–200 циклов полного хода руками или на простом стенде, затем оставьте под нагрузкой на сутки и измерьте, насколько она «села». Если после циклов появились белёсые полосы у основания — материал перенапряжён: удлините балку или смените пластик. Если пружина заметно потеряла ход за сутки — сократите постоянную нагрузку или перейдите на нейлон.

Видео по теме

• 3D-печать пружины — как напечатать и что получится.
• Testing 5 Unique 3D Printed Springs — испытание пяти видов печатных пружин (англ.).
• Top 4 Springs You Can Design with 3D Printing — какие формы пружин работают (англ.).
• How to create effective compliant mechanisms with 3D printing — проектирование изгибных механизмов (англ.).
• Bistable compliant switch — PLA lifecycle test — сколько циклов выдерживает печатный бистабильный механизм.

Типичные ошибки

• Пружина лопнула при первом нажатии — изгиб поперёк слоёв; переверните деталь, чтобы слои шли вдоль балки.
• Трещина у основания — острый угол в месте крепления; добавьте радиус скругления 1–3 мм.
• Слишком жёсткая — короткая толстая балка; удлините её, а не утоньшайте до предела.
• Ослабла через неделю — постоянная нагрузка и PLA; смените материал или конструкцию.
• Разная жёсткость у одинаковых деталей — заполнение внутри тонкой балки; печатайте её только стенками.

Частые вопросы

Можно ли напечатать пружину?

Да: лучше всего работают плоские пружины и изгибные механизмы, где пружина — часть детали. Винтовые пружины печатаются, но слабые и недолговечные.

Из какого пластика печатать пружины?

PETG или PCTG — просто и надёжно; нейлон — для тысяч циклов. PLA хрупкий и «садится» в тепле.

Почему печатная пружина «села»?

Ползучесть: пластик под постоянной нагрузкой медленно деформируется, особенно в тепле. Снимайте нагрузку в покое или используйте нейлон.

Работают ли винтовые пружины?

Ограниченно: сжимаются на 20–40 % длины, слабые и быстро теряют упругость. Для механизмов надёжнее купить стальную пружину и напечатать гнездо под неё.

Как ориентировать пружину?

Так, чтобы изгиб шёл вдоль слоёв — обычно плашмя. Если пружина изгибается поперёк слоёв, она лопнет по межслойной границе.

Что такое изгибный механизм?

Механизм из одной детали с гибкими перемычками вместо шарниров и пружин: зажимы, захваты, бистабильные выключатели. Он печатается целиком, не требует сборки и не изнашивается от трения в осях.

Как сделать пружину мягче, не утоньшая её?

Удлинить балку: жёсткость падает пропорционально кубу длины, а напряжение в материале снижается, так что пружина прослужит дольше.