Ориентация печати и механический интерфейс повышают прочность соединения в многоматериальном аддитивном производстве

Более прочные 3D-изделия для повседневных устройств

От мягких захватов для роботов до гибких держателей для телефонов и носимых датчиков — многие будущие гаджеты зависят от 3D‑отпечатков, в которых в одном объекте сочетаются жёсткие и мягкие пластики. Однако такие комбинации часто ломаются по самому слабому месту: шву между двумя очень разными материалами. В этом исследовании показано, что простая смена ориентации детали при печати и формирование микрозоны контакта между материалами позволяют сделать этот шов до двадцати раз более стойким — без специальных клеёв или нового оборудования.

Почему смешивать жёсткие и мягкие пластики сложно

Многоматериальная 3D‑печать позволяет жёсткому пластику нести нагрузку, а резиновому — гнуться или гасить удары, всё в одной сплошной детали. Авторы сосредоточились на распространённой паре: твёрдом растительного происхождения пластике (PLA) и эластичном, гасительном пластике (TPU). PLA прочен, но хрупок; TPU мягок, но очень вязок, и они плохо сцепляются друг с другом по умолчанию. Во многих реальных изделиях — например, в мягких роботах, медицинских приборах или виброизолирующих кронштейнах — интерфейс между такими материалами становится местом, где возникают трещины и детали отслоятся при эксплуатации.

Превращение ориентации в инструмент проектирования

Большинство принтеров выкладывают материал тонкими нитями в слоях. Традиционно конструкторы сосредотачиваются на 2D‑шаблоне в каждом слое, предполагая, что интерфейс — это просто плоская граница между двумя блоками. Исследователи задали вопрос: что произойдёт, если повернуть всю деталь относительно принтера? В обычной «плоской» ориентации жёсткий и мягкий пластики соприкасаются всего по двум слоям, и их связь зависит от относительно слабых связей между слоями. В альтернативной ориентации «на ребро» интерфейс проходит вертикально через множество слоёв. Это даёт принтеру больше возможностей выкладывать нити двух материалов рядом друг с другом, значительно увеличивая площадь контакта и создавая шанс для механического зацепления.

Скрытые структуры в шве, похожие на книги

С помощью тщательно спроектированных шаблонов на интерфейсе и изучения поперечных сечений под микроскопом команда обнаружила неожиданную, но повторяемую структуру в «на ребро» отпечатках: нити PLA и TPU образовали тонкослоистый, чередующийся узор, напоминающий две телефонные книги с переплетёнными страницами. Вместо одной гладкой границы интерфейс превратился в плотный лес крошечных перекрывающихся гребней и впадин. Это драматически увеличило реальную контактную поверхность — почти в четыре раза по сравнению с плоским эталоном — и создало множество мелких анкеров, где материалы зафиксировались друг за друга. Даже небольшие изменения в путях наложения, продиктованные только ориентацией и высотой слоя, перестраивали внутреннюю геометрию так, что этого не было видно снаружи.

Измерение того, насколько сильнее становится шов

Чтобы перевести эту скрытую геометрию в числа, авторы использовали модифицированный тест на отрыв, медленно оттягивая PLA от TPU и записывая силу и продвижение трещины по интерфейсу. Они сравнивали простые плоские интерфейсы с разными образцами с механической сцепкой как в плоской, так и в ориентации «на ребро». Все устроенные узоры превосходили гладкие интерфейсы, но ориентация дала поразительную разницу. Некоторые конструкции «на ребро» требовали почти в четыре раза больше энергии для поддержания роста трещины, чем те же конструкции, напечатанные плоско, и до девятнадцати раз больше, чем простой гладкий интерфейс. Сила, необходимая для инициирования трещины, могла увеличиваться в десять раз и более. В некоторых плоских образцах нити растягивались через зазор, образуя крошечные мостики и также замедляя рост трещины, тогда как в «на ребро» доминировал эффект сильно переплетённого, похожего на телефонную книгу контакта.

Что это значит для будущих 3D‑печатных устройств

Проще говоря, исследование показывает, что можно сделать соединение между жёсткими и мягкими пластиками значительно более устойчивым к отслоению, просто выбирая более умные направления печати и шаблоны шва, вместо того чтобы полагаться на химическое склеивание или дополнительные клеи. Ориентация интерфейса так, чтобы принтер строил его в плоскости с наивысшим разрешением, и формирование его ради поощрения взаимопроникновения превращают хрупкий шов в прочную, поглощающую энергию зону. Поскольку этот метод опирается на геометрию, а не на химию, его можно применять к многим другим парам материалов, которые плохо сцепляются по умолчанию. Результат — более долговечные, компактные и надёжные многоматериальные 3D‑детали для мягких роботов, носимых устройств, микромашин и других передовых применений.

Цитирование: Farràs-Tasias, L., Topart, J., De Baere, I. et al. Printing orientation and interfacial mechanical design enable superior bonding in multimaterial additive manufacturing. npj Adv. Manuf. 3, 14 (2026). https://doi.org/10.1038/s44334-026-00075-y

Ключевые слова: многоматериальная 3D-печать, интерфейс PLA TPU, ориентация печати, механическая сцепка, прочность аддитивного производства