3D打印填充：谁才是最强填充图案
3D打印填充：谁才是最强填充图案
3D打印技术中，填充图案的选择对打印件的机械性能有着重要影响。本文通过多个实验数据和研究结果，详细评估了不同填充图案在拉伸强度和压缩强度方面的表现，为3D打印爱好者和专业人士提供了实用的参考指南。
如果您有3D打印机，您可能熟悉填充，即允许打印模型为实心、空心或介于两者之间的任何形状的“填充”。填充是3D打印的独特之处，因为传统制造的零件通常是完全实心或空心的。
填充密度和填充图案是两个切片器设置，决定3D打印机如何打印填充。这两种设置都会强烈影响打印对象的机械性能，因此如果您想要打印坚固的零件，则需要注意这些设置。然而，同样重要的是要记住，除了填充之外，还有许多其他因素也会影响印刷品的强度（例如材料和外壳）。
在本文中，我们将重点关注填充图案，特别是那些可能产生强力印刷品的图案。我们将使用Cura和PrusaSlicer等流行切片器中可用的一些最佳模式。此外，开始之前，让我们首先更详细地讨论填充密度和图案设置。
关于填充的一切
有许多不同的填充模式，但它们的强度并不相同（来源：Audifreak117 via Thingiverse）
从本质上讲，填充密度是指3D打印内部的坚固程度。这通常以百分比表示：100%表示完全实心，而0%表示空心。那么，填充图案就是印刷品内部填充结构的形式或形状。
通常，填充密度百分比越高，强度（以及材料消耗、重量和打印时间）越高，但灵活性越低。但填充图案也会影响强度，具体取决于线条的结构和布局如何在内部分散力。这样，就像其他设置（例如层高）一样，不同的图案适用于不同的应用。
不同的切片平台有许多填充图案可用，但只有一些图案是为了生产高强度部件。其中大多数图案（例如线条、之字形和十字图案）适用于不会承受太大物理压力但仍需要一定程度耐用的常规打印品。
注意事项
通常，打印在所有轴上的强度并不相同（来源：Sculpteo）
为了评估哪种填充图案能产生最坚固的零件，我们应该讨论几个重要的考虑因素。第一个是填充图案的方向强度，第二个是测试中测量的强度类型。
定向强度
并非所有图案都在所有三个轴（X、Y、Z）上提供相同的强度，并且许多图案更适合某些平面。例如，网格图案沿Z轴（垂直于层线）提供强大的强度，但在整个XY平面（平行于层线）上较弱。要充分利用沿某些轴最强的图案，请考虑调整模型方向，以便打印中需要更强的部分与填充图案最强的轴对齐。
还有3D图案可以在三个轴上提供更平衡的强度。作为权衡，单个轴的强度会降低。例如，陀螺仪填充图案在所有三个方向上提供了基本平衡的强度，但它并不是沿Z轴最强的图案。
力量类型
功能性还是美观性？（来源：JessicaMauerhan，来自Printables）
第二个重要的考虑因素是在测试填充图案时测量的强度类型。在本文中，我们将介绍最常见的填充图案及其在两种强度测试中的性能：伸长率和压缩率。前者是在样品的两端施加力，将其拉开，而后者是向内对样品施加力，实质上是挤压样品直至其破裂。
这两种测试都是确定填充图案强度的有效方法，并且根据样品在失效之前可以承受的力进行量化，但它们告诉我们不同的用例。在现实世界中，零件通常同时承受拉应力和压应力的组合。
考虑在两端握住一根杆并将其弯曲以将其折成两半。当两端相互拉开时，外表面会受到拉力，从而在表面上形成裂缝。与此同时，内半部分被压缩，迫使材料从新形成的折痕中挤出。
拉伸
伸长率测试为我们提供了拉伸强度的估计值，这可以让我们了解零件对试图拉伸它的应力的抵抗力。对于带扣和夹子等应用来说，了解这种强度至关重要。
标准拉伸强度测试是使用狗骨形样品进行的，并且仅将应力施加在一根轴上。正如我们所确定的，3D打印样品是各向异性的，这意味着它们的强度在所有方向上都不相同。拉动Z方向需要足够的力来导致层分层，这比拉动XY方向时破坏每个细丝层所需的力小得多。在这些测试中，拉动是在XY方向进行的。
压缩
压缩测试表明零件抵抗向内力的能力如何，应考虑用于承重应用，例如货架支架。
标准压缩强度测试使用条形样品，将其垂直固定在两个平行板之间并压扁。就像拉伸测试一样，3D打印部件的压缩强度是各向异性的，但其程度更受填充图案及其内部应力分布效果的影响。应在XY和Z方向上进行测试，以全面了解图案的性能。
测试
评估具有各种填充图案的零件的压缩强度（来源：Slant 3D via YouTube）
在我们回顾这些模式之前，回顾一下我们的来源很重要。我们汇总了以下六组测试的数据，以公正、客观地看待最佳填充模式：
- 填充物和外壳厚度强度测试（CNC Kitchen）：在具有30%填充物的钩形印刷品上进行XY方向的拉伸强度测试。
- 填充图案强度测试（CNC Kitchen）：在立方体打印件上进行XY和Z方向的压缩强度测试，每边长20毫米，填充率为10%。
- 填充图案强度测试（倾斜3D）：对填充量为20%的立方体打印件进行XY方向的压缩强度测试。
- 填充图案强度测试（The Machine Bros Solutions）：对填充率为30-42%的标准狗骨头形印刷品进行XY方向的拉伸强度测试，按重量标准化。
- 3D打印填充图案的压缩强度评估（Pernet等人）：对具有20%、40%、60%、80%和100%填充的标准(ASTM D695)圆柱形打印件进行Z方向的压缩强度测试。
- 填充图案的拉伸强度评估（Lalegani等人）：填充10-50%的标准(ASTM D638)狗骨形印刷品在XY方向上的拉伸强度，具体取决于图案。
其中三个测试侧重于拉伸强度，而其他三个测试侧重于压缩强度。正如你所看到的，我们在这里对物质力量有一个平衡的洞察。虽然还有其他测试，但我们选择了这六个，因为它们使用相同的条件（温度、打印设备、耗材品牌、打印设置、切片机等）同时评估多个填充图案，使我们能够比较填充的性能模式之间的相对关系。
然而，所有这些研究的问题在于，它们各自采用自己的测试方法，无论是CNC Kitchen使用的非标准样本几何形状（包括剪切力）还是所有研究中使用的各种填充百分比。Machine Bros Solutions是唯一对重量进行标准化的解决方案，但这意味着填充百分比在30%-42%之间变化。佩内特等人。测试了多个填充百分比，但仅在Z方向进行了测试。显然，单一的、全面的评估尚未形成，因此全面审视所有数据非常重要。
同样重要的是要注意，并非所有的研究都测试了所有的填充图案。最常见的（网格、直线、三角形和蜂窝状）发现它们出现在大多数测试中，即使不是全部测试中。另一方面，立方体、螺旋体和线条等图案仅在三个压缩测试中进行了测试。最后但并非最不重要的一点是，每种类型的测试仅测试同心图案一次。
考虑到这一点，我们汇总了这些研究的所有数据，并研究了每种填充图案在各种测试中的性能。为了总结我们的发现，我们对整体表现最好的填充图案给予“高”强度评级，表现最差的图案给予“低”强度评级，中间的图案给予“中”强度评级。
填充模型竞争最强
1、网格
最简单的填充图案（来源：jvolk via Printables）
网格图案本质上很简单，由两组在每层中同一点相互交叉的线组成。网格图案的力量来自于该图案中的重叠线条，这为印刷结构提供了很多支撑。
这是所有六项测试中都包含的少数模式之一。与其他填充物相比，网格图案在所有三项拉伸研究中均处于较低端。机器兄弟发现，在标准化其强度与重量时，它的表现最差。
虽然它不是压缩测试中表现最差的，但它是第二差的，所以也好不了多少。在CNC Kitchen进行的压缩测试中，他们发现当方向从XY方向更改为Z方向时，强度显着提高（约70%）。作为一种2D图案，其层直接打印在前一层的顶部，这并不奇怪。
- 拉伸强度：低
- 抗压强度：低
2、直线（之字形）
直线图案看起来与网格图案非常相似（来源：_784209 via Printables）
直线（之字形）图案与网格图案类似，但仅在给定层上沿一个方向打印线条，将打印方向翻转90°以打印下一层。它是打印最快的填充图案之一，使其成为流行的选择。
这是所有测试中都存在的另一个竞争者。与网格填充类似，直线图案在拉伸和压缩强度测试中的性能均处于较低水平。在拉伸强度测试中，直线的表现始终比网格差，但Lalegani等人的研究除外，其中使用了标准狗骨形样品，表明它在某个轴上的表现比在剪切应力下表现更好。
在压缩强度测试中，各项研究的结果是一致的。他们再次发现其Z方向的压缩强度比XY方向的压缩强度高出约60%。作为二维填充图案，这个方向得到很好的加固是有意义的。
- 拉伸强度：低
- 抗压强度：低
3、三角形
三角形图案与网格图案类似，但在网格框上使用三角形（来源：AnuragD via Printables）
三角形图案与网格图案类似，但该图案不是直角交叉，而是以60度交叉。这种模式的力量来自于这样一个事实：三角形是自然界中最坚固的几何形状之一，因为每一侧都可以有效地将压力分散到其他两侧。
三角形图案是六次测试中出现的三个竞争者中的最后一个。在三项拉伸研究中，三角形图案的性能存在很大差异。虽然CNC Kitchen发现这种模式最强，但Lalegani等人进行的测试。与网格等其他填充图案相比，The Machine Bros Solutions的强度较低。这表明三角形可能是防止剪切力的良好填充物。
抗压强度结果显示各项研究结果更加一致，在所有条件下均优于网格和直线。其最强方向是Z方向，再次表明2D填充图案在垂直于层线的压缩下表现良好。在XY方向上，三角形比网格或直线更强，这可能归因于三角形的应力耗散性质。
- 拉伸强度：中
- 抗压强度：中
4、线路
线条填充在Z方向上提供了很大的强度（来源：WarriorPoet via MyMiniFactory）
与直线图案类似，线条填充图案具有一组线条，这些线条在一层中沿一个方向打印，在下一层中沿相反方向打印。主要区别在于单层的挤出线不重叠。这使其成为打印速度最快的填充图案之一。
该模式仅测试了抗压强度，并且各项研究的结果相当一致。CNC Kitchen和Pernet等人。沿Z方向测试了填充图案，事实证明它是最强的图案之一。然而，沿XY方向，Slant 3D和CNC Kitchen都发现其具有中等强度，优于网格和直线，但比3D图案差。
- 拉伸强度：未测试
- 抗压强度：中
5、陀螺仪
陀螺仪填充图案看起来超级酷，并且在各个方向上提供相同的强度（来源：Autodesk）
3D陀螺仪填充图案是迄今为止最酷的外观。它利用以不寻常的方式堆叠的重复数学计算曲线。这种模式的强度来自于每三层曲线之间的重叠（取决于切片器）以及曲线形状的数学性质。
曲线在内部分配负载的有效性可能是它在压缩测试中始终表现良好的原因。虽然它不是最强的图案，但它是最均匀的，在各个方向上提供相似的强度。这与其他3D填充图案（立方体）类似，但稍弱。
不幸的是，它的受欢迎程度似乎还不足以考虑用于拉伸强度测试。
- 拉伸强度：未测试
- 抗压强度：中
6、同心
同心图案符合模型的周长（来源：Dabal via Printables）
这是您会发现的最不传统的模式之一。从结构上来说，其优异的柔性特性弥补了其各向同性实用性的不足。它非常适合灵活的设计，在测试过程中的表现令人惊讶。
这种模式是我们的弱者竞争者。在分享结果之前，我们必须提到它仅由Lalegani等人测试过。拉伸强度和Pernet等人。用于压缩强度。然而，这两项测试遵循官方测试标准：拉伸强度测试的ASTM D638标准和压缩强度测试的ASTM D695标准。
在这些研究中，同心图案在Z方向的拉伸强度方面排名第一，在压缩强度方面排名第二。然而，它没有测试沿XY方向的压缩，根据其结构，这将是其最薄弱的地方。尽管如此，它在Z方向上承受拉伸和压缩载荷的强度是不容忽视的。
- 拉伸强度：高（Z方向）
- 抗压强度：高（Z方向）
7、立方体
立方体填充物当然可以容纳任何饮料（来源：pabi via Thingiverse）
立方体填充图案生成对角堆叠的立方体，在打印时类似于正金字塔和倒金字塔。由于所涉及的交叉三角形的结构完整性，该图案提供了三维强度。
虽然这种填充图案没有进行拉伸强度测试，但在压缩强度测试中，它的表现明显优于之前的竞争者。作为3D图案，强度对力方向的依赖性较小。CNC Kitchen在Z和XY方向上进行了压缩测试，结果显示后者仅稍强一些，但整体表现最好。
Slant 3D在XY方向进行测试，还发现立方体图案是所有测试中最强的填充，而Pernet等人。–Z方向测试–报告中等范围的压缩强度。请注意，这与我们在之前的2D填充图案中观察到的行为相反，其中沿Z方向的强度要大得多。这可能是3D结构的结果，其中各层不是直接打印在彼此的顶部，因此应力无法直接向下传播。
CNC Kitchen关于此图案的另一个有趣事实是，打印时间明显更长，标准化打印时间为125%，并且模型重量与大多数其他图案相似（甚至更轻）。
- 拉伸强度：未测试
- 抗压强度：高
8、蜂窝
与其他图案相比，蜂窝图案的打印时间较长（来源：jmdbcool via Thingiverse）
蜂窝图案复制蜂窝的通用形状，并在模型区域上重复小型六边形2D结构。这种图案的力量来自于刚性几何形状的交替互锁。毫不奇怪，为什么这种图案是大自然最喜欢的结构之一。
这种流行的图案以其最佳的全能性能之一登上领奖台，并在拉伸强度（CNC Kitchen和The Machine Bros Solutions）和压缩强度（CNC Kitchen和Slant 3D）三项测试中的两项中出现。在各种研究中，它在拉力和压力条件下均表现良好。
就拉伸强度而言，它在The Machine Bros Solutions测试的所有填充物中表现最好，在CNC Kitchen的研究中仅次于三角形图案。
沿Z方向的压缩强度大于沿XY方向的压缩强度，这是目前在2D填充图案中观察到的典型行为。在这种情况下，观察到Z方向的压缩强度增加了60%。
还值得一提的是，CNC Kitchen发现蜂窝状填充图案具有极高的标准化打印强度时间。这种异常长的打印时间是由于打印蜂窝图案时涉及的方向不断变化造成的。
- 拉伸强度：高
- 抗压强度：高
本文原文来自mohou.com