認識填充結構的作用和設計原則,，以實現3D打印的完美平衡

導讀：填充結構在 3D 打印中起著至關重要的作用，可以精確控制打印部件的內部結構。與注射成型或減材制造等傳統制造方法不同,，3D 打印可以創(chuàng)建出復雜的填充圖案和可調節(jié)的填充密度,。填充是指 3D 打印零件的內部結構，提供支撐,、強度和剛性,，同時影響零件的重量和物理特性。填充物的生成是使用切片程序完成的,，該程序將3D 模型轉換為 3D 打印機的指令,。

了解填充在 3D 打印中的重要性后，重要的是要認識到學習填充設計給初學者帶來了一些挑戰(zhàn),。這些挑戰(zhàn)包括理解各種圖案,、選擇適當的填充密度、設計懸垂支撐,、最大限度地減少缺陷,、優(yōu)化打印設置以及獲得實踐經驗。通過深入研究這些錯綜復雜的問題,，我們可以開發(fā)必要的技能來克服這些挑戰(zhàn)并通過填充實現最佳的結果,。

填充密度是什么？

填充密度是指打印部件內部的“填充程度”,，通常指定為 0% 到 100% 之間的百分比,。較低的密度會產生更多的中空部件，從而減輕重量和材料消耗,，但可能會犧牲強度,。另一方面，較高的密度會產生堅固的內部,，從而增加零件的重量和強度,。填充密度的選擇取決于打印件的具體要求。對于不需要特殊強度的標準打印,，建議密度為 15-50%,。該范圍平衡了打印時間、材料消耗和強度,。對于需要額外強度的功能性打印件,，建議填充密度高于 50%，最高為 100%,。然而,，較高的密度會增加打印時間和材料使用量。

對于僅用于展示目的的雕像和模型,，0-15% 的填充密度就足夠了,。這樣可以加快打印速度并減少材料消耗,，同時犧牲一些強度。打印 TPU 等柔性材料時,，可以使用任何密度,，但較高的密度會導致最終成品的靈活性較差。

△不同密度的填充物（照片來源：Triplaxis）

探索 3D 打印的填充圖案和應用

除了填充密度之外,，圖案的選擇也會影響打印部件的特性,。不同的切片程序提供各種圖案，從簡單的線條到復雜的幾何形狀,。每種圖案都有自己的特點,，影響強度、打印時間,、重量負載和靈活性,。

條紋填充（Lines）

條紋圖案由沿一個方向打印的線條組成，能夠提供二維強度,。它適合快速打印,，消耗材料較少，并且重量相對較輕,。

蜂窩填充（Honeycomb）

蜂窩圖案創(chuàng)造出類似蜂窩的視覺上吸引人的結構,。它具有中等強度，適合半快速打印,，同時節(jié)省材料,。當優(yōu)先考慮減輕重量時，蜂窩狀填充物通常是首選,，使其適合航空航天或輕型應用。

網格填充（Grid）

與線條類似,，網格圖案由每層打印的二維線條組成,，提供二維強度。它提供了強度,、材料使用和打印時間之間的平衡,。網格填充用途廣泛，通常在需要中等水平的結構支撐時使用,。

三角形填充（Triangles）

三角形圖案具有重疊的三角形線,，在 XY 平面內的二維上提供強度。適用于對強度有要求的印刷品,。

三六邊形（Tri-hexagon）

這種圖案在XY平面上將三個方向的線條組合在一起,，形成六邊形圖案，中間是三角形,。它具有二維強度,，適用于強度較高的印刷品,。

立方體（Cubic）

立方體圖案由圍繞X軸和Y軸傾斜45度的立方體堆疊而成，看起來像三角形,。它具有出色的三維強度,。

八邊形（Octet）

八字形圖案與立方體圖案相似，但以正方形代替三角形,。它具有三維強度和視覺吸引力,。

螺旋狀（Gyroid）

螺旋狀花紋具有視覺沖擊力，其特點是不規(guī)則的凹面弧度相交,。它在強度,、材料用量和印刷時間之間取得了平衡。在對結構完整性要求較高的情況下,，螺旋型填充具有優(yōu)勢,，因為它可以增強承載能力，降低分層風險,。

△圖片來源：B&C 數字制造解決方案

在決定合適的填充圖案時,，重要的是要考慮每種圖案在強度、重量,、打印時間,、靈活性和浮力方面的獨特優(yōu)勢。標準印花通常受益于網格或三角形圖案,，而功能性印花則可以利用立方體,、螺旋體或八位體等圖案。螺旋或同心等填充圖案非常適合需要高強度或承載能力的物體,，提供增強的結構完整性,。另一方面，蜂窩狀填充物在減輕重量方面表現出色,，可提供高效的材料利用和輕質特性,。線條圖案通常用于雕像和模型打印，以加快打印過程,，而同心圖案在柔性打印中表現出色,，以最少的材料消耗提供強度。

Ultimaker 的閃電填充：直觀的方法

閃電填充（Lightning infill）是一種全新的填充選項,，它是首個集成到切片機中的智能填充,，作為Ultimaker Cura提供的開源選項，它根據模型的幾何形狀動態(tài)生成內部支撐,，為3D打印引入了一種獨特的方法,。與傳統模式不同，lightning infill通過保持部分中空結構減少了長絲用量和打印時間,，同時主要對模型的頂部進行加固,。盡管閃電填充圖案并非為強度或承重應用而設計,，但它在長絲效率和快速成型裝飾性或視覺吸引力打印方面具有顯著優(yōu)勢。雖然其他填充模式推薦用于功能性或承重部件,，但閃電填充模式在優(yōu)先考慮減少材料消耗和加快打印速度的情況下非常有價值,。

△閃電填充演示（照片來源：Ultimaker）

釋放 3D 打印的強度、多功能性和精度

在增材制造方面,，填充對于制造結構健全的零件至關重要,。它不僅改善了零件的物理特性，而且還提供復雜形狀的打印區(qū)域之間的支撐和連接,。雖然可以在沒有填充或減少填充的情況下打印簡單形狀,，但對于標準零件和功能零件來說通常是必需的。它確保打印物體的強度,、結構和重量分布,。

為了實現均勻的光潔度并避免模型表面因填充而產生可見痕跡，可以進行多項調整,。壁厚是一個關鍵因素,，因為薄壁可能會產生痕跡，尤其是在模型的頂部區(qū)域,。增加壁厚或頂層和底層的數量可以幫助緩解這個問題,。重疊百分比決定了模型周邊打印的填充物的數量，從而影響墻壁的阻力,。調整重疊可以減少標記,，最佳值為 10% 左右。打印訂單,，特別是啟用“壁前填充”,，可以提高懸垂物的表面質量，但可能會在工件的側面留下小標記,。

了解填充密度,、填充圖案和其他打印參數之間的關系可以讓 3D 打印愛好者和專業(yè)人士根據特定要求優(yōu)化其打印件。通過仔細選擇適當的填充設置,，您可以在 3D 打印零件中實現所需的強度、重量,、結構和其他屬性,。