Современные слайсеры дают широкий выбор заполнений при FDM 3D-печати, что может быть несколько проблематично без информации о прочности тех или иных видов. Делимся результатами сравнительных испытаний.
Содержание:
- Решетчатое заполнение (Grid)
- Зигзаг (Zig-Zag)
- Треугольное заполнение (Triangles)
- Линейное заполнение (Lines)
- Гироидное заполнение (Gyroid)
- Концентрическое заполнение (Concentric)
- Кубическое заполнение (Cubic)
- Сотовое заполнение (Honeycomb)
1. Плотность и рисунок заполнения
При нарезке 3D-моделей в слайсерах предлагается выбор плотности заполнения и вида заполнения. Оба параметра напрямую влияют на прочность получаемых изделий.
Плотность выражается в процентах: 100% — почти монолитная деталь, а 0% — оболочка без заполнения. Частичное заполнение может принимать разные формы.
Как правило, чем выше плотность заполнения, тем выше прочность и ниже гибкость. Повышение плотности также неминуемо влечет увеличение расхода материала, времени построения и массы конечного изделия. Рисунок заполнения также может влиять на прочность в зависимости от расположения линий в структуре. Соответственно, разные виды заполнения оптимальны для разных задач.
Все современные программы для подготовки моделей к 3D-печати — слайсеры — предлагают широкий выбор видов заполнения, но лишь некоторые из них подходят для изготовления высокопрочных изделий. Это не означает, что остальные рисунки бесполезны: они могут быть более экономичны или лучше подходить для специфических задач.
2. Ключевые моменты
При выборе максимально прочного заполнения необходимо учитывать два момента — направление нагрузок и тип прочности.
Направление нагрузки
Не все виды заполнения обеспечивают одинаковую прочность по всем трем осям — X, Y и Z. Некоторые из них оптимизированы под нагрузки в конкретной плоскости. Например, решетчатое заполнение (Grid) дает максимальное сопротивление нагрузкам на сжатие в вертикальной плоскости, но слабее в горизонтальной. Это необходимо учитывать при пространственной ориентации цифровых 3D-модели на виртуальном столике в слайсере: модель можно развернуть так, чтобы заполнение давало максимальную прочность в требуемом направлении.
Некоторые виды заполнений наоборот дают сбалансированную прочность по всем осям, но нередко максимальные показатели прочности в любом конкретном направлении при этом оказываются несколько ниже. Пример сбалансированного заполнения — гироидное.
Типы прочности
Показатели прочности бывают разными, например на растяжение, на сжатие, на изгиб или кручение. Чтобы немного упростить задачу, мы рассмотрим первые два, тем более что именно прочность на растяжение и сжатие учитываются чаще всего при 3D-печати функциональных изделий.
Прочность на разрыв определяется растяжением тестовых образцов в виде лопаток. Здесь нужно помнить о присущей 3D-печатным деталям анизотропности, то есть разнице в прочности в зависимости от направления укладки нитей: если растягивать изделие вдоль слоев, прочность будет выше, чем если растягивать поперек, то есть пытаться оторвать слои друг от друга. Соответственно, прочность на разрыв зачастую измеряют в разных направлениях, чтобы получить максимально полную картинку, но ради упрощения в примерах ниже будет приведена только прочность вдоль слоев.
Прочность на сжатие определяется с помощью образцов в виде кубиков или цилиндров, сжимаемых специальным прессом. Здесь тоже играет роль анизотропность, так как при сжатии изделия начинают утолщаться в середине, то есть одновременно испытывать нагрузки на сжатие по вертикали и на разрыв по горизонтали. Таким образом, условно монолитные 3D-печатные изделия будут показывать максимальную прочность при сжатии с горизонтальной ориентацией слоев, а при испытаниях частично заполненных моделей показатели во многом будут зависеть не только от ориентации слоев, но и от формы и ориентации заполнения.
3. Испытания
Приведенные ниже данные скомпилированы из результатов испытаний и исследований, проведенных авторами разных тематических Youtube-каналов и двумя научными командами. Три теста проверяют прочность на растяжение, еще три — прочность на сжатие:
- испытания на растяжение в горизонтальной плоскости образцов в виде крюков в 30-процентным заполнением (CNC Kitchen);
- испытания на сжатие в горизонтальной и вертикальной плоскостях кубических моделей с длиной сторон 20 мм и 10-процентным заполнением (CNC Kitchen);
- испытания на сжатие в горизонтальной плоскости кубических моделей с 20-процентным заполнением (Slant 3D);
- испытания на растяжение вдоль слоев на стандартных лопатках с 30-42-процентным заполнением (The Machine Bros Solutions);
- испытания на сжатие в вертикальной плоскости на стандартных цилиндрических образцах с заполнением в 20, 40, 60, 80 и 100% (Pernet et al.);
- испытания на растяжение вдоль слоев на стандартных лопатках с 10-50-процентным заполнением (Lalegani et al.).
Этот набор испытаний дает возможность более-менее объективного сравнения разных видов заполнения, но все же неидеален, так как некоторые из авторов используют нестандартные образцы, плюс имеются некоторые расхождения в методиках. Также испытания не охватывают абсолютно все виды заполнений. Кроме того, самые распространенные варианты — решетчатое, треугольное, сотовое — присутствуют во всех тестах, а, например, кубическое, гироидное и линейное рассматриваются только в трех исследованиях.
Все это потребует некоторого обобщения при сравнении эффективности разных рисунков. Тем не менее, результаты дают достаточно подробную картинку, особенно в отсутствие всеобъемлющего исследования.
Ниже представлены результаты испытаний восьми наиболее популярных вариантов заполнения в слайсере Cura.
4. Результаты
Решетчатое заполнение (Grid)
Максимально простой рисунок состоит из двух наборов пересекающихся под прямыми углами линий. Прочность достигается за счет перекрытия одних линий другими, заодно множество общих точек дают хорошую опорную структуру для горизонтальных поверхностей.
В то же время это заполнение показывает одни из худших результатов прочности на растяжение. При испытаниях на сжатие дела обстоят несколько лучше, особенно при вертикальных нагрузках: разница между прочностью в горизонтальной и вертикальной плоскостях достигает 70%, что неудивительно, так как стенки заполнения выстраиваются строго вертикально.
Общая оценка:
Прочность на растяжение: низкая
Прочность на сжатие: низкая
Зигзаг (Zig-Zag)
Заполнение зигзагом внешне очень похоже на решетчатое с той лишь разницей, что в каждом слое линии укладываются зигзагом только в одном направлении, попеременно от слоя к слою. Это снижает время укладки, но в то же время и прочность.
Заполнение зигзагом присутствовало во всех испытаниях и каждый раз показывало довольно низкие результаты и по прочности на растяжение, и по прочности на сжатие — даже хуже, чем решетчатое. В испытаниях на сжатие результаты тоже оказались лучше в вертикальной плоскости, чем в горизонтальной с разницей в 60%.
Общая оценка:
Прочность на растяжение: низкая
Прочность на сжатие: низкая
Треугольное заполнение (Triangles)
Разновидность решетчатого заполнения, но с равносторонними треугольными ячейками вместо квадратных. Треугольники лучше держат нагрузки с разных направлений, так как усилие на одну из сторон перераспределяется на остальные стороны.
Результаты испытаний сильно разнились. В тестах на растяжение от CNC Kitchen этот рисунок оказался самым прочным, тогда как в испытаниях The Machine Bros Solutions показал низкие результаты, уступив решетчатому заполнению.
В тестах на сжатие достигнуты более постоянные результаты: здесь треугольное заполнение обошло решетки с зигзагами. Как и в предыдущих примерах, оптимальные результаты получены при сжатии по оси Z, где каждый слой опирается на предыдущий. В горизонтальной плоскости прочность ниже, но все же значительно лучше, чем у решетчатого заполнения или зигзага.
Общая оценка:
Прочность на растяжение: средняя
Прочность на сжатие: средняя
Линейное заполнение (Lines)
Еще одно заполнение, похожее на решетчатое и зигзаг, но в этом случае в каждом слое укладываются прямые, параллельные линии, пересекающиеся с линиями в предыдущем и следующем слое. Это очень быстрый и экономичный метод.
Линейное заполнение тестировалось только на сжатие и показало себя неплохо: при вертикальных нагрузках эта разновидность оказалась одной из самых прочных, а при горизонтальных дала средние результаты.
Общая оценка:
Прочность на растяжение: данные отсутствуют
Прочность на сжатие: средняя
Гироидное заполнение (Gyroid)
Гироидное заполнение рассчитывается по алгоритмам с пересечением кривых через каждые три слоя или около того, в зависимости от слайсера. Главное в том, что это хитросплетение позволяет довольно равномерно распределять нагрузки, а потому дает стабильно хорошие результаты по прочности на сжатие.
Результаты испытаний на растяжение отсутствуют, но при сжатии гироидное заполнение показало более-менее одинаковую стойкость вне зависимости от векторов нагрузок.
Общая оценка:
Прочность на растяжение: данные отсутствуют
Прочность на сжатие: средняя
Концентрическое заполнение (Concentric)
Один из самых необычных вариантов, хорошо подходящий для изделий, работающих на изгиб. Испытания этого заполнения проводили не энтузиасты, а настоящие ученые в соответствии со стандартами ASTM D638 и ASTM D695.
По результатам концентрическое заполнение вышло на первое место по прочности на растяжение и заняло второе по прочности на сжатие в вертикальной плоскости. К сожалению, испытания на сжатие в горизонтальной плоскости проведены не были, хотя именно в этом направлении структура должна быть наиболее уязвимой.
Общая оценка:
Прочность на растяжение: высокая (по оси Z)
Прочность на сжатие: высокая (по оси Z)
Кубическое заполнение (Cubic)
Кубическое заполнение состоит из наклонных кубиков, обеспечивающих высокую прочность по всем трем осям. На растяжение этот рисунок не проверялся, но в испытаниях на сжатие показал наилучшие результаты. Более того, прочность мало зависит от вектора нагрузок. Что интересно, результаты тестов в горизонтальной плоскости оказались чуть выше, чем в вертикальной, что прямо противоположно результатам предыдущих вариантов. Единственный недостаток — довольно большие временные затраты на построение.
Общая оценка:
Прочность на растяжение : данные отсутствуют
Прочность на сжатие: высокая
Сотовое заполнение (Honeycomb)
Сотовое заполнение состоит из стыкующихся шестиугольников, распределенных в горизонтальной плоскости. Такое переплетение дает хорошее сопротивление нагрузкам, а потому часто встречается в природе. В ходе испытаний сотовое заполнение показало одни из лучших результатов как на растяжение, так и разрыв.
В тестах на растяжение этот вариант уступил только треугольному заполнению. В тестах на сжатие выявлена более высокая прочность в вертикальной плоскости, чем в горизонтальной, так как слои опираются друг на друга. Как результат, показатель прочности по оси Z оказался на 60% выше, чем по XY. Как и с кубическим заполнением, главный недостаток — высокие временные издержки, так как при построении головке приходится постоянно менять направление укладки.
Общая оценка:
Прочность на растяжение: высокая
Прочность на сжатие: высокая
Адаптированный перевод статьи The Strongest Infill Patterns,
Чтобы написать отзыв нужно авторизоватся
Вход через социальные сети