Заполнение 3D-отпечатка: Основные Правила Для Идеального Результата

Заполнение отпечатка играет важную роль в прочности, структуре и весе детали. Продолжайте читатать, чтобы узнать об этом больше.

В отличие от большинства других технологий производства, 3D-печать позволяет тщательно контролировать два взаимоисключающих, но исчерпывающих аспекта детали: внешние стенки (или периметр) и заполнение. Стенки, какой бы толщины они ни были, образуют внешние области детали, а заполнение — это все, что находится внутри.

Хотя вы можете в некоторой степени контролировать стенки, заполнение гораздо более динамично и играет огромную роль в прочности, весе, структуре и многом другом. При 3D-печати у вас есть возможность определить ряд параметров, которые определяют тип заполнения, используемого для детали. Эти параметры задаются в слайсере, когда 3D-модель переводится в инструкции G-кода.

Наиболее важные из этих параметров делятся на два фундаментальных аспекта: плотность заполнения и шаблон заполнения. В этой статье мы рассмотрим основы этих аспектов, а также некоторые из наиболее распространенных плотностей и шаблонов. Но сначала давайте рассмотрим «заполнение» в нескольких различных методах производства, чтобы лучше понять, как он работает в 3D-печати.

3D-печать против традиционного производства

Заполнение в 3D-печати отличается от других, более традиционных методов производства. Приведем в качестве примера литье под давлением и субтрактивное производство.

Литье под давлением предполагает введение материала в форму для формирования детали. Как вы можете себе представить, в силу природы этого метода контролировать внутреннюю структуру просто невозможно. В результате литьевые детали получаются либо сплошными, либо полыми (при литье под давлением газа), без промежуточных вариантов.

Субтрактивное производство, как и фрезеровка на ЧПУ, предполагает вырезание материала от большего куска заготовки. Как и при литье под давлением, наполнитель не может быть скорректирован, поэтому внутренняя часть является абсолютно сплошной.

В то же время 3D-печать предполагает выборочную экструзию материала практически по любой схеме. Давайте подробнее рассмотрим различные варианты плотности и шаблона заполнения.

Плотность

Плотность заполнения — это «наполненность» внутренней части детали. В слайсерах она обычно определяется в процентах от 0 до 100, при этом 0% делает деталь полой, а 100% — полностью заполненой. Как вы можете себе представить, это значительно влияет на вес детали: Чем полнее внутренняя часть детали, тем она тяжелее.

Кроме веса, на плотность заполнения также влияют время печати, расход материала. Прочность тоже влияет, хотя и в сочетании со многими другими элементами, такими как филамент и высота слоя.

Некоторые слайсеры также позволяют варьировать плотность заполнения в пределах одной детали. Это называется переменной плотностью заполнения и специальные настройки в слайсере позволяют задавать любые изменения плотности для различных областей печати. Мы вернемся к этой теме немного позже.

Какой процент плотности заполнения использовать?

Для большинства «стандартных» отпечатков, которым не требуется сверхпрочность, мы рекомендуем использовать плотность заполнения 15-50%. Такой процент плотности позволяет сократить время печати, сэкономить филамент и обеспечить нормальную прочность.

Функциональные отпечатки должны быть прочными. Поэтому мы рекомендуем использовать более высокую плотность заполнения, чем 50% (не бойтесь доходить до 100%). Это очень высокая величина, поэтому будьте готовы к тому, что печать придется ждать дольше и расходовать больше филамента. В результате вы получите более прочную и тяжелую деталь.

Для небольших фигурок, предназначенных только для демонстрации, следует использовать плотность заполнения 0-15%. Это значение приведет к довольно быстрой печати и не потребует большого количества филамента. Модели, напечатанные с таким диапазоном плотности, будут легкими и относительно слабыми.

Наконец для деталей, напечатанных из гибких материалов, таких как TPU, подойдет любая плотность заполнения. Однако следует помнить, что чем выше плотность заполнения, тем менее гибкой будет деталь.

РЕКОМЕНДУЕМЫЕ НАСТРОЙКИ

• Стандартные отпечатки: 15-50%
• Функциональные отпечатки: 50-100%
• Отпечатки фигурок и моделей: 0-15%
• Гибкие отпечатки: 1-100%

Шаблон

Шаблон заполнения — это структура и форма материала внутри детали. От простых линий до более сложных геометрических форм, шаблоны заполнения могут влиять на прочность, вес, время печати и даже гибкость детали.

В различных программах слайсеров существует множество различных шаблонов заполнения. Например, в Cura (5.3) имеется выбор из 14 различных шаблонов заполнения, в PrusaSlicer (2.5) — 17, а в Simplify3D — 6.

Как и плотность заполнения, некоторые шаблоны лучше других для определенных функций. Различные шаблоны заполнения имеют различные атрибуты, такие как сложность, эффективность материала и количество плоскостей соединения (2D или 3D). Например, гироидный узор соединяет стены в трех измерениях, обеспечивая большую общую прочность. Как следствие, этот шаблон занимает больше материала по сравнению с такими шаблонами, как линии.

Какой шаблон выбрать?

Убедитесь, что вы выбрали узор, который соответствует потребностям вашей детали. Вот обзор 14 распространенных вариантов:

• Линии: Заполнение линиями содержит линии, нанесенные в одном направлении (по оси X или Y) на каждый второй слой. Этот шаблон заполнения обеспечивает прочность только в двух измерениях и подходит для быстрой печати. При использовании рисунка линий не используется слишком много материала и вес остается довольно небольшим.
• Соты: Как следует из названия, этот узор образует сотовую структуру, что придает ему привлекательный вид. Этот узор хорошо подходит для полубыстрых отпечатков, требующих умеренной прочности и не должен потреблять слишком много материала.
• Сетка: Шаблон сетчатого заполнения похож по виду на линии, но вместо однонаправленных линий в каждом втором слое, он содержит двумерные линии в каждом слое и в двое большим пространством между линиями. Такой рисунок обеспечивает двухмерную прочность, но при этом остается прочным. Сетчатый шаблон потребляет среднее количество филамента и занимает среднее время.

• Треугольник: Шаблон «треугольник» выглядит как перекрывающиеся треугольные линии, причем линии идут в трех направлениях в плоскости XY. Этот узор обеспечивает прочность только в двух измерениях, но все же подходит для отпечатков, которые должны быть прочными.
• Шестигранник из трехугольников: Шаблон заполнения «Шестигранник из трехугольников» содержит набор линий, идущих в трех направлениях в плоскости XY, создавая шестигранные узоры с треугольниками между ними. Этот шаблон обеспечивает прочность в двух измерениях и вполне пригоден для прочных отпечатков.
• Куб: Этот шаблон создает сложенные кубы, но поскольку они наклонены на 45 градусов по осям X и Y, в любой момент времени они больше похожи на треугольники. Шаблон обеспечивает отличную прочность в трех измерениях, но требует немного больше филамента и времени, чем другие.
• Динамический куб: По сути, это «умная» версия кубического шаблона, в этом шаблоне используется меньше филаиента, что позволяет увеличить скорость печати без снижения прочности. Деталь состоит из кубиков разного размера, причем более крупные кубики располагаются в центре детали. Имейте в виду, что кубическое подразделение может иметь более длительное время нарезки.
• Восьмигранник: в этой схеме используются тетраэдры и усеченные тетраэдры, в результате чего получается прочное заполнение, способный хорошо распределять большие нагрузки. Он подходит для тонких функциональных деталей, требующих прочности. Однако на качество поверхности может повлиять расстояние между мостиками.

• Молния: Один из новейших шаблонов молнии Cura, молния — это внутренние опорные структуры, которые поддерживают верхнюю часть конструкции. Она работает путем определения внутренних областей, которые требуют дополнительной прочности для успешной печати. В результате получается древовидный узор, напоминающий молнии. Этот узор позволяет получить быстрые отпечатки, не расходующие материал и лучше всего подходит для прототипов или декоративных отпечатков не требующих прочности.
• Крестовое: Идеально подходит для гибких филаментов, шаблон заполнения создает кресты внутри детали. Поскольку здесь нет длинных прямых линий, он позволяет изгибать и скручивать детали. Однако прочность вдоль оси Z делает его менее гибким в вертикальном направлении.
• Крестовое 3D: Чтобы избавиться от вертикальной силы в крестообразном узоре, выберите Крестовое 3D. Версия 3D отличается мягкостью и гибкостью во всех направлениях. Единственным недостатком является более длительное время нарезки. Как и в случае с крестом, ретракт не требуется.

• Гироид: Гироидный шаблон заполнения, возможно, выглядит самым крутым, но это также, вероятно, один из самых прочных узоров заполнения. Он включает в себя вогнутые неровные кривые, которые в конечном итоге пересекаются. Он призван обеспечить оптимальный баланс между прочностью, материалом и временем печати.
• Восьмигранник: Шаблон заполнения «Восьмигранник» похож на кубический узор, но вместо растущих наклонных треугольников он представляет собой квадраты. Этот узор представляет собой трехмерный узор, который не только отлично выглядит, но и полезен для деталей, требующих прочности.
• Концентрическое: Концентрический шаблон заполнения представляет собой внутреннюю структуру, состоящую из концентрических линий, которые соответствуют контуру детали (т.е. ее периметру). Этот узор быстро печатается, хорошо подходит для гибких деталей и потребляет значительно меньше материала, чем большинство узоров.
• Вороной: это геометрическая структура, которая делит пространство на области в зависимости от близости к набору точек, в результате чего получаются органичные формы, напоминающие природные образования, такие как соты или костная структура. Однако, в отличие от других узоров, он недоступен непосредственно в слайсерах, а должен быть реализован в других программах; этот метод предполагает изменение геометрии для включения шаблона перед нарезкой. Например, такие программы, как Voronator или Meshmixer, могут создать шаблон Вороного в модели, а вы можете импортировать файл STL в Orca или PrusaSlicer для нарезки и печати. В качестве альтернативы шаблон можно реализовать на этапе моделирования с помощью программного обеспечения, такого как Blender. Стоит отметить, что, поскольку Вороной не является шаблоном заполнения, а сетка находится в самой сетке модели, невозможно настроить его плотность или процент (как в случае с «традиционными» настройками заполнения) непосредственно в слайсере.

РЕКОМЕНДУЕМЫЕ НАСТРОЙКИ

• Стандартные отпечатки: Сетка, треугольник или соты.
• Функциональные отпечатки: Кубический, гироидный, восьмигранник, шестигранник из трехугольников, динамический куб.
• Отпечатки фигурок и моделей: Линии, молнии
• Гибкие отпечатки: Концентрическое, крестовое или крестовое 3D

Проблемы с заполнением

Хотя шаблоны и плотность заполнения полезны для придания прочности, они могут иногда вызывать проблемы, если не настроены правильно. Давайте рассмотрим некоторые распространенные проблемы и способы их устранения:

• Провисание верхних слоев после заполнения: если плотность заполнения слишком низкая, отпечаток может не поддерживать верхние слои должным образом, что может привести к неровной поверхности, провисанию или образованию бугров. Лучший способ решить эту проблему — настроить плотность заполнения и, если деталь после печати слишком неровная, увеличить процент для новой печати. Также может помочь вставка сплошных слоев через равные промежутки, как, например, в PrusaSlicer в разделе «Solid Infill every X layers» (Сплошная заливка через каждые X слоев).
• Недостаточная экструзия внутри заполнения: это происходит, когда есть слабые, разорванные или неполные линии заливки, что является результатом недостаточной экструзии. Это может произойти из-за того, что слайсеры печатают заливку быстрее и с более тонкими линиями экструзии по сравнению с периметрами. Первое решение — уменьшить скорость печати заполнения до не более 80 мм/с; как правило, уменьшение на 15-20% по сравнению со скоростью периметра должно помочь. В качестве альтернативы, увеличение ширины экструзии заполнения примерно на 120% по сравнению с диаметром сопла может помочь получить лучшее покрытие. Также может быть полезно проверить PTFE-трубки на наличие засорений.
• Зазоры между заполнением и стенками: когда заполнение не соединяется должным образом с периметрами из-за настроек слайсера, которые предотвращают или ограничивают перекрытие, деталь становится более слабой внутри. Решением является увеличение настройки перекрытия стенки/заполнения на слайсере с 15% по умолчанию в случае Bambu Studio до примерно 20%; его также можно измерить примерно до 0,2 мм. Имейте в виду, что слишком большое увеличение может привести к визуальным дефектам. Незначительное снижение скорости заполнения также может помочь для лучшего слияния.
• Неподходящий шаблон заполнения: Использование быстрого, но слабого шаблона, такого как линии или молния, для несущих компонентов может привести к разрушению структуры, даже если качество печати соответствует стандартам. Иногда эти проблемы можно решить, просто выбрав подходящий паттерн заполнения, например кубический или гироидный для деталей, требующих прочности; некоторые слайсеры предлагают специальные настройки, такие как «Infill Density Gradient» (Градиент плотности заполнения) в PrusaSlicer, для более плотного заполнения вблизи внешних стенок, что повышает прочность без ущерба для времени печати.
• Неправильное выравнивание заполнения: Иногда заполнение не выравнивается по слоям или выглядит так, как будто оно смещается по печати. Это может происходить из-за проблем с оборудованием, таких как ослабленные ремни, проблемы с шкивами или даже настройки слайсера, которые превышают предельное значение скорости принтера. Исправить это несложно, поскольку проблема связана с оборудованием и должна быть устранена там же, путем правильной натяжки ремней. Слайсеры, такие как Cura, имеют настройку управления ускорением, которая не должна быть слишком высокой, например, более 1000 мм/с², иначе рывки принтера могут дестабилизировать и сместить заполнение.

Важно точно настроить эти параметры заполнения в слайсере и регулярно проверять аппаратное обеспечение принтера. Это улучшает качество печати и продлевает срок службы детали.

Рекомендации

Помимо шаблона и плотности, есть еще две важные настройки заполнения о которых стоит знать. Хотя они, возможно, не будут первыми, на которые вы обратите внимание в своем путешествии по миру 3D-печати, они могут пригодиться в зависимости от особенностей модели и ее использования.

Переменные настройки

Переменные настройки позволяют регулировать плотность заполнения по мере продвижения детали по слоям. Например, если вы хотите, чтобы основание детали имело 10% заполнение до 30-го слоя, а затем переходило на 50% заполнение, переменные настройки позволяют вам это сделать. Это может быть особенно полезно при оптимизации прочности только там, где это необходимо, например, при усилении точек крепления или зон напряжения, при этом экономя материал для остальной части печати.

Эти настройки легко найти в Simplify3D, в то время как процесс с PrusaSlicer немного сложнее. Вы можете попробовать заполнение «Adaptive Cubic», которое автоматически регулирует плотность в зависимости от близости заполнения к стене. Для более точного ручного управления можно использовать модификаторы, чтобы создать зоны с желаемой плотностью и даже добавить сплошные слои заполнения на определенных высотах для усиления. Cura имеет настройку, с помощью которой можно добавить блокираторы поддержки, что позволяет пользователю попросить слайсер изменить плотность заполнения в определенной зоне или сделать стены толще в этом месте и т. д. Этот слайсер также предлагает постепенное заполнение, которое постепенно увеличивает плотность заполнения ближе к верхним слоям, что позволяет сэкономить время печати и материал, а также обеспечить прочность верхней поверхности.

Распространенный совет пользователей заключается в том, что для деталей, которые требуют прочной верхней части, но легкой внутренней части, следует использовать постепенное заполнение с низкой базовой плотностью, при котором в нижней и средней частях детали может быть очень мало заполнения.

Толщина и угол слоя заполнения

Еще две заслуживающие внимания настройки включают «толщину слоя заполнения» и «настройки угла заполнения». Уменьшение толщины слоя заполнения может значительно увеличить прочность внутренних структур, но это также увеличит время печати.

Регулировка угла заполнения между слоями заполнения означает чередование определенных углов в зависимости от случая использования. Например, для обеспечения максимальной прочности в нескольких направлениях рекомендуемые углы заполнения чередуются между -45 и 45 градусами, что позволяет равномерно распределить силы. Хорошей практикой является печать механических деталей с изменением угла заполнения через каждые несколько слоев, что может значительно повысить прочность деталей.

Художественное заполнение

Художественное заполнение — это способ превратить различные шаблоны заполнения в произведения искусства. Этот процесс отлично смотрится на серьгах, кулонах и других ювелирных изделиях и произведениях искусства. Художественные заполнения, такие как треугольные, гироидные или органические узоры, можно творчески использовать, когда верхний и нижний слои отключены, что обнажает внутреннюю часть напечатанной структуры.

Вы можете реализовать этот процесс, удалив верхний и нижний слои, чтобы обнажить шаблон заполнения — эта техника называется «искусство заполнения». Для достижения наилучших визуальных результатов рекомендуется использовать сопла мелкого размера, 0,2 или 0,3 мм и более светлые цвета филамента, чтобы улучшить видимость шаблона. Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с одним из многочисленных руководств по этому процессу, в котором показано, как создавать модели с учетом эстетического заполнения.