3D打印填充：誰才是最強(qiáng)填充圖案

魔猴君  知識堂   229天前

如果您有3D打印機(jī)，您可能熟悉填充，即允許打印模型為實(shí)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(dú)特之處，因?yàn)閭鹘y(tǒng)制造的零件通常是完全實(shí)心或空心的。

填充密度和填充圖案是兩個(gè)切片器設(shè)置，決定3D打印機(jī)如何打印填充。這兩種設(shè)置都會(huì)強(qiáng)烈影響打印對象的機(jī)械性能，因此如果您想要打印堅(jiān)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(huì)影響印刷品的強(qiáng)度（例如材料和外殼）。

在本文中，我們將重點(diǎn)關(guān)注填充圖案，特別是那些可能產(chǎn)生強(qiáng)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(qiáng)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(jiān)固程度。這通常以百分比表示：100%表示完全實(shí)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(qiáng)度（以及材料消耗、重量和打印時(shí)間）越高，但靈活性越低。但填充圖案也會(huì)影響強(qiáng)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(qiáng)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(huì)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(xiàng)

通常，打印在所有軸上的強(qiáng)度并不相同（來源：Sculpteo）

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

定向強(qiáng)度

并非所有圖案都在所有三個(gè)軸（X、Y、Z）上提供相同的強(qiáng)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(qiáng)大的強(qiáng)度，但在整個(gè)XY平面（平行于層線）上較弱。要充分利用沿某些軸最強(qiáng)的圖案，請考慮調(diào)整模型方向，以便打印中需要更強(qiáng)的部分與填充圖案最強(qiáng)的軸對齊。

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

力量類型

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

第二個(gè)重要的考慮因素是在測試填充圖案時(shí)測量的強(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(qiáng)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(jìn)行量化，但它們告訴我們不同的用例。在現(xiàn)實(shí)世界中，零件通常同時(shí)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(shí)，外表面會(huì)受到拉力，從而在表面上形成裂縫。與此同時(shí)，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(qiáng)度的估計(jì)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(qiáng)度至關(guān)重要。

標(biāo)準(zhǔn)拉伸強(qiáng)度測試是使用狗骨形樣品進(jìn)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(qiáng)度在所有方向上都不相同。拉動(dòng)Z方向需要足夠的力來導(dǎo)致層分層，這比拉動(dòng)XY方向時(shí)破壞每個(gè)細(xì)絲層所需的力小得多。在這些測試中，拉動(dòng)是在XY方向進(jìn)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(qiáng)度測試使用條形樣品，將其垂直固定在兩個(gè)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(qiáng)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)度測試（CNC Kitchen）：在具有30%填充物的鉤形印刷品上進(jìn)行XY方向的拉伸強(qiáng)度測試。

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

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

填充圖案強(qiáng)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(jìn)行XY方向的拉伸強(qiáng)度測試，按重量標(biāo)準(zhǔn)化。

3D打印填充圖案的壓縮強(qiáng)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(jìn)行Z方向的壓縮強(qiáng)度測試。

填充圖案的拉伸強(qiáng)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(qiáng)度，具體取決于圖案。

其中三個(gè)測試側(cè)重于拉伸強(qiáng)度，而其他三個(gè)測試側(cè)重于壓縮強(qiáng)度。正如你所看到的，我們在這里對物質(zhì)力量有一個(gè)平衡的洞察。雖然還有其他測試，但我們選擇了這六個(gè)，因?yàn)樗鼈兪褂孟嗤臈l件（溫度、打印設(shè)備、耗材品牌、打印設(shè)置、切片機(jī)等）同時(shí)評估多個(gè)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(jìn)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(gè)填充百分比，但僅在Z方向進(jìn)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(gè)壓縮測試中進(jìn)行了測試。最后但并非最不重要的一點(diǎn)是，每種類型的測試僅測試同心圖案一次。

考慮到這一點(diǎn)，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(qiáng)度評級，表現(xiàn)最差的圖案給予“低”強(qiáng)度評級，中間的圖案給予“中”強(qiáng)度評級。

四、填充模型競爭最強(qiáng)

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(diǎn)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(xiàng)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(xiàng)拉伸研究中均處于較低端。機(jī)器兄弟發(fā)現(xiàn)，在標(biāo)準(zhǔn)化其強(qiáng)度與重量時(shí)，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(jìn)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(shí)，強(qiáng)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(qiáng)度：低

抗壓強(qiáng)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(gè)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(gè)競爭者。與網(wǎng)格填充類似，直線圖案在拉伸和壓縮強(qiáng)度測試中的性能均處于較低水平。在拉伸強(qiáng)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(gè)軸上的表現(xiàn)比在剪切應(yīng)力下表現(xiàn)更好。

在壓縮強(qiáng)度測試中，各項(xiàng)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(qiáng)度比XY方向的壓縮強(qiáng)度高出約60%。作為二維填充圖案，這個(gè)方向得到很好的加固是有意義的。

拉伸強(qiáng)度：低

抗壓強(qiáng)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(gè)事實(shí)：三角形是自然界中最堅(jiān)固的幾何形狀之一，因?yàn)槊恳粋?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(gè)競爭者中的最后一個(gè)。在三項(xiàng)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(qiáng)，但Lalegani等人進(jìn)行的測試。與網(wǎng)格等其他填充圖案相比，The Machine Bros Solutions的強(qiáng)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(qiáng)度結(jié)果顯示各項(xiàng)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(qiáng)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(qiáng)，這可能歸因于三角形的應(yīng)力耗散性質(zhì)。

拉伸強(qiáng)度：中

抗壓強(qiáng)度：中

4、線路

線條填充在Z方向上提供了很大的強(qiáng)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(gè)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(qiáng)度，并且各項(xiàng)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(shí)證明它是最強(qiáng)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(qiáng)度，優(yōu)于網(wǎng)格和直線，但比3D圖案差。

拉伸強(qiáng)度：未測試

抗壓強(qiáng)度：中

5、陀螺儀

陀螺儀填充圖案看起來超級酷，并且在各個(gè)方向上提供相同的強(qiáng)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(jì)算曲線。這種模式的強(qiáng)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(qiáng)的圖案，但它是最均勻的，在各個(gè)方向上提供相似的強(qiáng)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(qiáng)度測試。

拉伸強(qiáng)度：未測試

抗壓強(qiáng)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(huì)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(bǔ)了其各向同性實(shí)用性的不足。它非常適合靈活的設(shè)計(jì)，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(qiáng)度和Pernet等人。用于壓縮強(qiáng)度。然而，這兩項(xiàng)測試遵循官方測試標(biāo)準(zhǔn)：拉伸強(qiáng)度測試的ASTM D638標(biāo)準(zhǔn)和壓縮強(qiáng)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(qiáng)度方面排名第一，在壓縮強(qiáng)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(qiáng)度是不容忽視的。

拉伸強(qiáng)度：高（Z方向）

抗壓強(qiáng)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(shí)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(qiáng)度。

雖然這種填充圖案沒有進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測試，但在壓縮強(qiáng)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(qiáng)度對力方向的依賴性較小。CNC Kitchen在Z和XY方向上進(jìn)行了壓縮測試，結(jié)果顯示后者僅稍強(qiáng)一些，但整體表現(xiàn)最好。

Slant 3D在XY方向進(jìn)行測試，還發(fā)現(xiàn)立方體圖案是所有測試中最強(qiáng)的填充，而Pernet等人。–Z方向測試–報(bào)告中等范圍的壓縮強(qiáng)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(qiáng)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(gè)有趣事實(shí)是，打印時(shí)間明顯更長，標(biāo)準(zhǔn)化打印時(shí)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(qiáng)度：未測試

抗壓強(qiáng)度：高

8、蜂窩

與其他圖案相比，蜂窩圖案的打印時(shí)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(jiǎng)臺，并在拉伸強(qiáng)度（CNC Kitchen和The Machine Bros Solutions）和壓縮強(qiáng)度（CNC Kitchen和Slant 3D）三項(xiàng)測試中的兩項(xiàng)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(qiáng)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(qiáng)度大于沿XY方向的壓縮強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度時(shí)間。這種異常長的打印時(shí)間是由于打印蜂窩圖案時(shí)涉及的方向不斷變化造成的。

拉伸強(qiáng)度：高

抗壓強(qiáng)度：高

編譯整理：ALL3DP