3D打印填充：誰才是最強填充圖案

魔猴君  知識堂   259天前

如果您有3D打印機，您可能熟悉填充，即允許打印模型為實心、空心或介于兩者之間的任何形狀的“填充”。填充是3D打印的獨特之處，因為傳統(tǒng)制造的零件通常是完全實心或空心的。

填充密度和填充圖案是兩個切片器設(shè)置，決定3D打印機如何打印填充。這兩種設(shè)置都會強烈影響打印對象的機械性能，因此如果您想要打印堅固的零件，則需要注意這些設(shè)置。然而，同樣重要的是要記住，除了填充之外，還有許多其他因素也會影響印刷品的強度（例如材料和外殼）。

在本文中，我們將重點關(guān)注填充圖案，特別是那些可能產(chǎn)生強力印刷品的圖案。我們將使用Cura和PrusaSlicer等流行切片器中可用的一些最佳模式。此外，開始之前，讓我們首先更詳細(xì)地討論填充密度和圖案設(shè)置。

一、關(guān)于填充的一切

有許多不同的填充模式，但它們的強度并不相同（來源：Audifreak117 via Thingiverse）

從本質(zhì)上講，填充密度是指3D打印內(nèi)部的堅固程度。這通常以百分比表示：100%表示完全實心，而0%表示空心。那么，填充圖案就是印刷品內(nèi)部填充結(jié)構(gòu)的形式或形狀。

通常，填充密度百分比越高，強度（以及材料消耗、重量和打印時間）越高，但靈活性越低。但填充圖案也會影響強度，具體取決于線條的結(jié)構(gòu)和布局如何在內(nèi)部分散力。這樣，就像其他設(shè)置（例如層高）一樣，不同的圖案適用于不同的應(yīng)用。

不同的切片平臺有許多填充圖案可用，但只有一些圖案是為了生產(chǎn)高強度部件。其中大多數(shù)圖案（例如線條、之字形和十字圖案）適用于不會承受太大物理壓力但仍需要一定程度耐用的常規(guī)打印品。

二、注意事項

通常，打印在所有軸上的強度并不相同（來源：Sculpteo）

為了評估哪種填充圖案能產(chǎn)生最堅固的零件，我們應(yīng)該討論幾個重要的考慮因素。第一個是填充圖案的方向強度，第二個是測試中測量的強度類型。

定向強度

并非所有圖案都在所有三個軸（X、Y、Z）上提供相同的強度，并且許多圖案更適合某些平面。例如，網(wǎng)格圖案沿Z軸（垂直于層線）提供強大的強度，但在整個XY平面（平行于層線）上較弱。要充分利用沿某些軸最強的圖案，請考慮調(diào)整模型方向，以便打印中需要更強的部分與填充圖案最強的軸對齊。

還有3D圖案可以在三個軸上提供更平衡的強度。作為權(quán)衡，單個軸的強度會降低。例如，陀螺儀填充圖案在所有三個方向上提供了基本平衡的強度，但它并不是沿Z軸最強的圖案。

力量類型

功能性還是美觀性？（來源：JessicaMauerhan，來自Printables）

第二個重要的考慮因素是在測試填充圖案時測量的強度類型。在本文中，我們將介紹最常見的填充圖案及其在兩種強度測試中的性能：伸長率和壓縮率。前者是在樣品的兩端施加力，將其拉開，而后者是向內(nèi)對樣品施加力，實質(zhì)上是擠壓樣品直至其破裂。

這兩種測試都是確定填充圖案強度的有效方法，并且根據(jù)樣品在失效之前可以承受的力進行量化，但它們告訴我們不同的用例。在現(xiàn)實世界中，零件通常同時承受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的組合。

考慮在兩端握住一根桿并將其彎曲以將其折成兩半。當(dāng)兩端相互拉開時，外表面會受到拉力，從而在表面上形成裂縫。與此同時，內(nèi)半部分被壓縮，迫使材料從新形成的折痕中擠出。

拉伸

伸長率測試為我們提供了拉伸強度的估計值，這可以讓我們了解零件對試圖拉伸它的應(yīng)力的抵抗力。對于帶扣和夾子等應(yīng)用來說，了解這種強度至關(guān)重要。

標(biāo)準(zhǔn)拉伸強度測試是使用狗骨形樣品進行的，并且僅將應(yīng)力施加在一根軸上。正如我們所確定的，3D打印樣品是各向異性的，這意味著它們的強度在所有方向上都不相同。拉動Z方向需要足夠的力來導(dǎo)致層分層，這比拉動XY方向時破壞每個細(xì)絲層所需的力小得多。在這些測試中，拉動是在XY方向進行的。

壓縮

壓縮測試表明零件抵抗向內(nèi)力的能力如何，應(yīng)考慮用于承重應(yīng)用，例如貨架支架。

標(biāo)準(zhǔn)壓縮強度測試使用條形樣品，將其垂直固定在兩個平行板之間并壓扁。就像拉伸測試一樣，3D打印部件的壓縮強度是各向異性的，但其程度更受填充圖案及其內(nèi)部應(yīng)力分布效果的影響。應(yīng)在XY和Z方向上進行測試，以全面了解圖案的性能。

三、測試

評估具有各種填充圖案的零件的壓縮強度（來源：Slant 3D via YouTube）

在我們回顧這些模式之前，回顧一下我們的來源很重要。我們匯總了以下六組測試的數(shù)據(jù)，以公正、客觀地看待最佳填充模式：

填充物和外殼厚度強度測試（CNC Kitchen）：在具有30%填充物的鉤形印刷品上進行XY方向的拉伸強度測試。

填充圖案強度測試（CNC Kitchen）：在立方體打印件上進行XY和Z方向的壓縮強度測試，每邊長20毫米，填充率為10%。

填充圖案強度測試（傾斜3D）：對填充量為20%的立方體打印件進行XY方向的壓縮強度測試。

填充圖案強度測試（The Machine Bros Solutions）：對填充率為30-42%的標(biāo)準(zhǔn)狗骨頭形印刷品進行XY方向的拉伸強度測試，按重量標(biāo)準(zhǔn)化。

3D打印填充圖案的壓縮強度評估（Pernet等人）：對具有20%、40%、60%、80%和100%填充的標(biāo)準(zhǔn)(ASTM D695)圓柱形打印件進行Z方向的壓縮強度測試。

填充圖案的拉伸強度評估（Lalegani等人）：填充10-50%的標(biāo)準(zhǔn)(ASTM D638)狗骨形印刷品在XY方向上的拉伸強度，具體取決于圖案。

其中三個測試側(cè)重于拉伸強度，而其他三個測試側(cè)重于壓縮強度。正如你所看到的，我們在這里對物質(zhì)力量有一個平衡的洞察。雖然還有其他測試，但我們選擇了這六個，因為它們使用相同的條件（溫度、打印設(shè)備、耗材品牌、打印設(shè)置、切片機等）同時評估多個填充圖案，使我們能夠比較填充的性能模式之間的相對關(guān)系。

然而，所有這些研究的問題在于，它們各自采用自己的測試方法，無論是CNC Kitchen使用的非標(biāo)準(zhǔn)樣本幾何形狀（包括剪切力）還是所有研究中使用的各種填充百分比。Machine Bros Solutions是唯一對重量進行標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，但這意味著填充百分比在30%-42%之間變化。佩內(nèi)特等人。測試了多個填充百分比，但僅在Z方向進行了測試。顯然，單一的、全面的評估尚未形成，因此全面審視所有數(shù)據(jù)非常重要。

同樣重要的是要注意，并非所有的研究都測試了所有的填充圖案。最常見的（網(wǎng)格、直線、三角形和蜂窩狀）發(fā)現(xiàn)它們出現(xiàn)在大多數(shù)測試中，即使不是全部測試中。另一方面，立方體、螺旋體和線條等圖案僅在三個壓縮測試中進行了測試。最后但并非最不重要的一點是，每種類型的測試僅測試同心圖案一次。

考慮到這一點，我們匯總了這些研究的所有數(shù)據(jù)，并研究了每種填充圖案在各種測試中的性能。為了總結(jié)我們的發(fā)現(xiàn)，我們對整體表現(xiàn)最好的填充圖案給予“高”強度評級，表現(xiàn)最差的圖案給予“低”強度評級，中間的圖案給予“中”強度評級。

四、填充模型競爭最強

1、網(wǎng)格

最簡單的填充圖案（來源：jvolk via Printables）

網(wǎng)格圖案本質(zhì)上很簡單，由兩組在每層中同一點相互交叉的線組成。網(wǎng)格圖案的力量來自于該圖案中的重疊線條，這為印刷結(jié)構(gòu)提供了很多支撐。

這是所有六項測試中都包含的少數(shù)模式之一。與其他填充物相比，網(wǎng)格圖案在所有三項拉伸研究中均處于較低端。機器兄弟發(fā)現(xiàn)，在標(biāo)準(zhǔn)化其強度與重量時，它的表現(xiàn)最差。

雖然它不是壓縮測試中表現(xiàn)最差的，但它是第二差的，所以也好不了多少。在CNC Kitchen進行的壓縮測試中，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)方向從XY方向更改為Z方向時，強度顯著提高（約70%）。作為一種2D圖案，其層直接打印在前一層的頂部，這并不奇怪。

拉伸強度：低

抗壓強度：低

2、直線（之字形）

直線圖案看起來與網(wǎng)格圖案非常相似（來源：_784209 via Printables）

直線（之字形）圖案與網(wǎng)格圖案類似，但僅在給定層上沿一個方向打印線條，將打印方向翻轉(zhuǎn)90°以打印下一層。它是打印最快的填充圖案之一，使其成為流行的選擇。

這是所有測試中都存在的另一個競爭者。與網(wǎng)格填充類似，直線圖案在拉伸和壓縮強度測試中的性能均處于較低水平。在拉伸強度測試中，直線的表現(xiàn)始終比網(wǎng)格差，但Lalegani等人的研究除外，其中使用了標(biāo)準(zhǔn)狗骨形樣品，表明它在某個軸上的表現(xiàn)比在剪切應(yīng)力下表現(xiàn)更好。

在壓縮強度測試中，各項研究的結(jié)果是一致的。他們再次發(fā)現(xiàn)其Z方向的壓縮強度比XY方向的壓縮強度高出約60%。作為二維填充圖案，這個方向得到很好的加固是有意義的。

拉伸強度：低

抗壓強度：低

3、三角形

三角形圖案與網(wǎng)格圖案類似，但在網(wǎng)格框上使用三角形（來源：AnuragD via Printables）

三角形圖案與網(wǎng)格圖案類似，但該圖案不是直角交叉，而是以60度交叉。這種模式的力量來自于這樣一個事實：三角形是自然界中最堅固的幾何形狀之一，因為每一側(cè)都可以有效地將壓力分散到其他兩側(cè)。

三角形圖案是六次測試中出現(xiàn)的三個競爭者中的最后一個。在三項拉伸研究中，三角形圖案的性能存在很大差異。雖然CNC Kitchen發(fā)現(xiàn)這種模式最強，但Lalegani等人進行的測試。與網(wǎng)格等其他填充圖案相比，The Machine Bros Solutions的強度較低。這表明三角形可能是防止剪切力的良好填充物。

抗壓強度結(jié)果顯示各項研究結(jié)果更加一致，在所有條件下均優(yōu)于網(wǎng)格和直線。其最強方向是Z方向，再次表明2D填充圖案在垂直于層線的壓縮下表現(xiàn)良好。在XY方向上，三角形比網(wǎng)格或直線更強，這可能歸因于三角形的應(yīng)力耗散性質(zhì)。

拉伸強度：中

抗壓強度：中

4、線路

線條填充在Z方向上提供了很大的強度（來源：WarriorPoet via MyMiniFactory）

與直線圖案類似，線條填充圖案具有一組線條，這些線條在一層中沿一個方向打印，在下一層中沿相反方向打印。主要區(qū)別在于單層的擠出線不重疊。這使其成為打印速度最快的填充圖案之一。

該模式僅測試了抗壓強度，并且各項研究的結(jié)果相當(dāng)一致。CNC Kitchen和Pernet等人。沿Z方向測試了填充圖案，事實證明它是最強的圖案之一。然而，沿XY方向，Slant 3D和CNC Kitchen都發(fā)現(xiàn)其具有中等強度，優(yōu)于網(wǎng)格和直線，但比3D圖案差。

拉伸強度：未測試

抗壓強度：中

5、陀螺儀

陀螺儀填充圖案看起來超級酷，并且在各個方向上提供相同的強度（來源：Autodesk）

3D陀螺儀填充圖案是迄今為止最酷的外觀。它利用以不尋常的方式堆疊的重復(fù)數(shù)學(xué)計算曲線。這種模式的強度來自于每三層曲線之間的重疊（取決于切片器）以及曲線形狀的數(shù)學(xué)性質(zhì)。

曲線在內(nèi)部分配負(fù)載的有效性可能是它在壓縮測試中始終表現(xiàn)良好的原因。雖然它不是最強的圖案，但它是最均勻的，在各個方向上提供相似的強度。這與其他3D填充圖案（立方體）類似，但稍弱。

不幸的是，它的受歡迎程度似乎還不足以考慮用于拉伸強度測試。

拉伸強度：未測試

抗壓強度：中

6、同心

同心圖案符合模型的周長（來源：Dabal via Printables）

這是您會發(fā)現(xiàn)的最不傳統(tǒng)的模式之一。從結(jié)構(gòu)上來說，其優(yōu)異的柔性特性彌補了其各向同性實用性的不足。它非常適合靈活的設(shè)計，在測試過程中的表現(xiàn)令人驚訝。

這種模式是我們的弱者競爭者。在分享結(jié)果之前，我們必須提到它僅由Lalegani等人測試過。拉伸強度和Pernet等人。用于壓縮強度。然而，這兩項測試遵循官方測試標(biāo)準(zhǔn)：拉伸強度測試的ASTM D638標(biāo)準(zhǔn)和壓縮強度測試的ASTM D695標(biāo)準(zhǔn)。

在這些研究中，同心圖案在Z方向的拉伸強度方面排名第一，在壓縮強度方面排名第二。然而，它沒有測試沿XY方向的壓縮，根據(jù)其結(jié)構(gòu)，這將是其最薄弱的地方。盡管如此，它在Z方向上承受拉伸和壓縮載荷的強度是不容忽視的。

拉伸強度：高（Z方向）

抗壓強度：高（Z方向）

7、立方體

立方體填充物當(dāng)然可以容納任何飲料（來源：pabi via Thingiverse）

立方體填充圖案生成對角堆疊的立方體，在打印時類似于正金字塔和倒金字塔。由于所涉及的交叉三角形的結(jié)構(gòu)完整性，該圖案提供了三維強度。

雖然這種填充圖案沒有進行拉伸強度測試，但在壓縮強度測試中，它的表現(xiàn)明顯優(yōu)于之前的競爭者。作為3D圖案，強度對力方向的依賴性較小。CNC Kitchen在Z和XY方向上進行了壓縮測試，結(jié)果顯示后者僅稍強一些，但整體表現(xiàn)最好。

Slant 3D在XY方向進行測試，還發(fā)現(xiàn)立方體圖案是所有測試中最強的填充，而Pernet等人。–Z方向測試–報告中等范圍的壓縮強度。請注意，這與我們在之前的2D填充圖案中觀察到的行為相反，其中沿Z方向的強度要大得多。這可能是3D結(jié)構(gòu)的結(jié)果，其中各層不是直接打印在彼此的頂部，因此應(yīng)力無法直接向下傳播。

CNC Kitchen關(guān)于此圖案的另一個有趣事實是，打印時間明顯更長，標(biāo)準(zhǔn)化打印時間為125%，并且模型重量與大多數(shù)其他圖案相似（甚至更輕）。

拉伸強度：未測試

抗壓強度：高

8、蜂窩

與其他圖案相比，蜂窩圖案的打印時間較長（來源：jmdbcool via Thingiverse）

蜂窩圖案復(fù)制蜂窩的通用形狀，并在模型區(qū)域上重復(fù)小型六邊形2D結(jié)構(gòu)。這種圖案的力量來自于剛性幾何形狀的交替互鎖。毫不奇怪，為什么這種圖案是大自然最喜歡的結(jié)構(gòu)之一。

這種流行的圖案以其最佳的全能性能之一登上領(lǐng)獎臺，并在拉伸強度（CNC Kitchen和The Machine Bros Solutions）和壓縮強度（CNC Kitchen和Slant 3D）三項測試中的兩項中出現(xiàn)。在各種研究中，它在拉力和壓力條件下均表現(xiàn)良好。

就拉伸強度而言，它在The Machine Bros Solutions測試的所有填充物中表現(xiàn)最好，在CNC Kitchen的研究中僅次于三角形圖案。

沿Z方向的壓縮強度大于沿XY方向的壓縮強度，這是目前在2D填充圖案中觀察到的典型行為。在這種情況下，觀察到Z方向的壓縮強度增加了60%。

還值得一提的是，CNC Kitchen發(fā)現(xiàn)蜂窩狀填充圖案具有極高的標(biāo)準(zhǔn)化打印強度時間。這種異常長的打印時間是由于打印蜂窩圖案時涉及的方向不斷變化造成的。

拉伸強度：高

抗壓強度：高

編譯整理：ALL3DP