Английский
Технология FDM, известная как моделирование методом наплавления, представляет собой один из наиболее распространенных методов аддитивного производства, используемых для создания трехмерных объектов путем последовательного наложения расплавленного материала слой за слоем. Этот процесс, впервые разработанный Скоттом Крампом в конце 1980-х годов и коммерциализированный компанией Stratasys, основывается на экструзии термопластичных полимеров через нагретое сопло, которое перемещается в соответствии с заданной траекторией, формируя конечный объект. Одним из ключевых аспектов, влияющих на качество, прочность, вес и время печати объектов, изготовленных с использованием FDM, является выбор варианта заполнения (infill). Заполнение в контексте FDM относится к внутренней структуре объекта, которая формируется между внешними стенками (оболочкой) и определяет, насколько плотным или полым будет изделие. Существует множество вариантов заполнения, каждый из которых обладает уникальными характеристиками, преимуществами и недостатками, что делает сравнение этих вариантов важной темой для исследования в области аддитивного производства.
Основы заполнения в FDM
В процессе FDM заполнение выполняет несколько функций. Во-первых, оно обеспечивает структурную поддержку внешним стенкам объекта, предотвращая их деформацию или разрушение под нагрузкой. Во-вторых, заполнение влияет на общую массу изделия, что имеет значение для приложений, где требуется минимизация веса, например, в аэрокосмической промышленности. В-третьих, оно определяет механические свойства объекта, такие как прочность на сжатие, растяжение и изгиб. Наконец, выбор заполнения напрямую влияет на время печати и расход материала, что важно с точки зрения экономической эффективности.
Заполнение обычно выражается в процентах плотности, где 0% означает полностью полый объект (без внутреннего заполнения, только оболочка), а 100% — полностью сплошной объект. Однако даже при плотности менее 100% структура заполнения может существенно варьироваться благодаря различным узорам (patterns), которые определяют геометрию внутренней решетки. Эти узоры генерируются с помощью программного обеспечения для нарезки (slicer), такого как Cura, PrusaSlicer или Simplify3D, и включают такие варианты, как прямоугольная сетка, соты (hexagonal), треугольники, концентрические окружности и более сложные трехмерные структуры, такие как кубическая или гироидная.
Прямоугольное заполнение
Одним из самых простых и распространенных вариантов заполнения является прямоугольная или ортогональная сетка. Этот узор состоит из пересекающихся линий, образующих квадраты или прямоугольники, расположенные перпендикулярно друг к другу. Прямоугольное заполнение характеризуется высокой скоростью печати благодаря простоте траектории движения сопла, что делает его популярным выбором для прототипирования, где время является критическим фактором. Кроме того, данный узор обеспечивает равномерную прочность в двух измерениях (по осям X и Y), что делает его подходящим для объектов, подвергающихся нагрузкам в этих направлениях.
Однако прямоугольное заполнение имеет свои ограничения. Его прочность в направлении оси Z (вертикальном) часто оказывается ниже, поскольку слои заполнения слабо связаны между собой в вертикальной плоскости. Это может приводить к расслоению при значительных нагрузках. Кроме того, при низкой плотности (например, 10–20%) прямоугольная сетка может быть недостаточно устойчивой для поддержки верхних слоев, что иногда вызывает провисание или дефекты поверхности. В сравнении с более сложными узорами, такими как соты или гироид, прямоугольное заполнение менее эффективно распределяет нагрузки, что ограничивает его использование в функциональных деталях, требующих высокой механической прочности.
Сотовое заполнение
Сотовое заполнение (hexagonal infill) представляет собой структуру, вдохновленную природными сотами пчел, и считается одним из самых популярных вариантов в FDM благодаря сочетанию прочности, легкости и экономии материала. Этот узор состоит из шестиугольных ячеек, которые равномерно распределяют нагрузки во всех направлениях в горизонтальной плоскости. Сотовое заполнение часто используется в промышленности, где требуется баланс между весом и прочностью, например, при изготовлении легких конструкций для дронов или автомобильных компонентов.
Преимущества сотового заполнения включают его высокую устойчивость к сжатию и изгибу в горизонтальной плоскости, а также способность эффективно поддерживать верхние слои объекта даже при относительно низкой плотности (15–25%). Шестиугольная геометрия обеспечивает более равномерное распределение материала по сравнению с прямоугольной сеткой, что снижает вероятность появления слабых зон. Кроме того, сотовое заполнение обладает эстетической привлекательностью, что делает его популярным выбором для объектов с прозрачной или полупрозрачной оболочкой, где внутренняя структура видна.
Тем не менее, сотовое заполнение требует больше времени на печать, чем прямоугольное, из-за сложной траектории движения сопла. Это связано с тем, что шестиугольные ячейки требуют большего количества поворотов и изменений направления, что увеличивает общее время экструзии. Кроме того, подобно прямоугольному заполнению, сотовая структура демонстрирует анизотропию — различие свойств по осям X/Y и Z. Вертикальная прочность остается ограниченной, что может быть недостатком для деталей, подвергающихся нагрузкам вдоль оси печати.
Треугольное заполнение
Треугольное заполнение основано на использовании равносторонних треугольников, образующих сетку с высокой плотностью пересечений. Этот узор часто применяется в приложениях, где требуется повышенная жесткость и устойчивость к деформациям. Треугольники известны своей геометрической стабильностью, что делает этот вариант заполнения особенно подходящим для объектов, испытывающих разнонаправленные нагрузки. В отличие от прямоугольной сетки, треугольное заполнение лучше распределяет напряжения благодаря большему количеству точек соединения, что снижает вероятность локальных разрушений.
Треугольное заполнение особенно эффективно при плотности от 20% до 40%, где оно обеспечивает заметное улучшение прочности по сравнению с прямоугольным или сотовым узором при аналогичном расходе материала. Это делает его популярным выбором для функциональных прототипов и деталей, таких как кронштейны или крепежные элементы. Однако увеличение плотности сверх 40% может привести к избыточному расходу материала без пропорционального роста прочности, что снижает экономическую эффективность.
Среди недостатков треугольного заполнения можно отметить более высокую сложность печати по сравнению с прямоугольной сеткой. Траектория движения сопла включает больше угловых изменений, что увеличивает время печати и нагрузку на оборудование. Кроме того, как и в случае с другими двумерными узорами, треугольное заполнение имеет ограниченную прочность в направлении оси Z, что требует дополнительных мер, таких как увеличение толщины стенок или использование сплошных слоев в критических зонах.
Концентрическое заполнение
Концентрическое заполнение представляет собой узор, состоящий из вложенных окружностей или эллипсов, повторяющих контур внешней оболочки объекта. Этот вариант часто используется для объектов с круглой или органической формой, таких как трубы, кольца или вазы, поскольку он обеспечивает равномерное распределение материала вдоль контура. Концентрическое заполнение особенно эффективно для деталей, подвергающихся радиальным нагрузкам, например, внутреннему давлению, что делает его подходящим для гидравлических или пневматических компонентов.
Одним из ключевых преимуществ концентрического заполнения является его способность минимизировать внутренние напряжения, возникающие в процессе печати. Поскольку линии заполнения следуют естественным контурам объекта, они снижают вероятность деформации или растрескивания, что особенно важно при использовании материалов с высокой усадкой, таких как ABS. Кроме того, этот узор обеспечивает хорошую поддержку верхних слоев, что делает его подходящим для объектов с тонкими или наклонными поверхностями.
Однако концентрическое заполнение имеет ограниченную универсальность. Оно плохо подходит для объектов с прямоугольными или сложными геометрическими формами, где равномерное распределение нагрузок становится менее эффективным. Кроме того, при низкой плотности (менее 20%) концентрическое заполнение может быть недостаточно прочным для поддержки значительных механических нагрузок, что ограничивает его применение в функциональных деталях.
Трехмерные варианты заполнения: Кубическое и гироидное
С развитием программного обеспечения для нарезки стали доступны более сложные трехмерные варианты заполнения, такие как кубическое и гироидное. Кубическое заполнение представляет собой решетку из наклонных линий, образующих трехмерные кубические ячейки. Этот узор обеспечивает равномерное распределение прочности во всех трех направлениях (X, Y и Z), что делает его значительно более изотропным по сравнению с двумерными вариантами. Кубическое заполнение часто используется в приложениях, требующих высокой прочности при минимальном весе, таких как элементы конструкции в аэрокосмической отрасли или биомедицинские имплантаты.
Гироидное заполнение, основанное на математической поверхности гироида, представляет собой непрерывную волнообразную структуру, которая также обладает высокой изотропией. Этот узор характеризуется плавными переходами и отсутствием резких углов, что снижает концентрацию напряжений и улучшает механические свойства объекта. Гироидное заполнение особенно эффективно при плотности 15–30%, где оно обеспечивает оптимальное сочетание прочности, легкости и скорости печати. Кроме того, его пористая структура делает его подходящим для приложений, связанных с фильтрацией или теплообменом.
Трехмерные узоры, такие как кубическое и гироидное заполнение, требуют более высокой вычислительной мощности для генерации траектории печати, что может замедлить процесс подготовки модели. Кроме того, они увеличивают время печати по сравнению с простыми двумерными узорами из-за сложности структуры. Однако их преимущества в плане прочности и универсальности делают их предпочтительными для высокотехнологичных применений.
