Топ паттернов заполнения (infill) для 3D-печати: какой дает максимальную прочность?

Паттерны заполнения (infill) задают внутреннюю структуру детали и сильно влияют на время печати, расход филамента, гибкость, прочность, вес и назначение.

Ошибка многих: думают, что эти факторы зависят только от числа периметров (оболочек) и плотности заполнения. Но Cura предлагает 13 паттернов не зря — при выборе для конкретной детали есть что учитывать.

У каждого паттерна плюсы и минусы. Важные факторы: прочность, время печати, гибкость готовой детали. Разные свойства делают один паттерн желательнее другого в зависимости от назначения.

Кратко: комбинация прямоугольного (rectilinear) паттерна с 100% заполнением дает максимальную растяжную прочность — 36.4 МПа. Но только если силы приложены ВДОЛЬ направления линий заполнения. Для большинства печатей общий лидер — honeycomb (соты) при ~50% заполнении.

Источник: исследование 2016 года.

Разные паттерны заполнения и их применение

Выбор зависит от задач детали. 13 паттернов Cura — кратко плюсы, минусы, рациональ.

Низкая прочность (Lines, Zig-Zag)

Типичная плотность: 0–15%

Lines (Линии): 2D паттерн — горизонтальные линии. В одном слое все линии параллельны, угол между слоями 90° (печатаются по X и Y по очереди).

Рекомендуется для тестов, прототипов: меньше расход, быстрее. Детали легкие, могут плавать. Подходит для декора (фигурки, модели).

Умеренно прочны при сжатии сбоку, но НЕТ структурной поддержки по Z — плохо выдерживают вертикальные нагрузки. Не для деталей под механическими нагрузками.

Zig-Zag (Зигзаг): похож на Lines, те же плюсы/минусы/кейсы. Разница: в Lines слой = несколько несвязанных линий, в Zig-Zag — одна непрерывная линия. Разница видна только на краях.

Средняя прочность (Grid, Triangles, Tri-hexagon)

Типичная плотность: 15–50%

Grid (Сетка): как Lines, но в ОДНОМ слое линии и по X, и по Y (угол 90° между ними на одном слое). Выглядит как сетка. Один слой дает прочность в 2D (в отличие от Lines).

Прочнее Lines/Zig-Zag, но больше расход и медленнее.

Triangles (Треугольники): треугольники, сращенные в слои, стаканутые вертикально. Линии в ТРЕХ направлениях на XY-плоскости (не в двух, как раньше). Равномерная прочность во всех направлениях, лучше сопротивляются внешним силам.

Для гладкой поверхности — увеличьте внешние периметры/шеллы.

Tri-hexagon (Три-гексагон): сильный 2D паттерн, похож на Triangles. Линии тоже в 3 направлениях на XY, но образуют гексагоны из 6 треугольников, соединенные в слой.

Высокая прочность (Cubic, Cubic subdivision, Octet, Quarter Cubic, Gyroid)

Типичная плотность: >50%

Cubic (Кубический): сильный 3D паттерн — наклоненные на 45° кубы по X и Y. Выглядят как треугольники.

Выдерживает давление со всех сторон, но больше расход и медленнее. Для функциональных механических деталей.

Cubic Subdivision: похож на Cubic, та же прочность/кейсы, но МЕНЬШЕ расход. В центре печати кубы больше — экономия материала там, где внешнего давления нет. Минус — дольше слайсится.

Octet: как Cubic, но ячейки квадратные, а не треугольные. Очень прочный, выдерживает давление со всех сторон, пригоден для мех. функций.

Quarter Cubic: похож на Cubic/Octet, та же прочность/кейсы. Работает даже при очень тонком периметре.

Gyroid: выглядит футуристично, лучшее соотношение прочность/вес. Перфорированная структура = проницаемый твердый телес (проходят жидкости/газы). Время/материал оптимальны. При низкой плотности нужна поддержка — тестируйте.

Гибкие паттерны (Concentric, Cross, Cross 3D)

Типичная плотность: 0–100% (зависит от желаемой мягкости).

Concentric (Концентрические): линии, повторяющие контур объекта. Гибкие, выдерживают скручивание/сгибание без деформации. Малый расход, быстро. Только для гибких объектов, нет горизонтальной прочности.

Cross (Крест): фановые кресты с пустотами — выдерживают сильное скручивание/сгибание. Минус — нет поддержки против горизонтальных сил.

Cross 3D: как Cross, но линии идут под наклоном по мере роста. Проще печатать, идеально для мягких/гибких. Минус — слабый, дольше слайсится.

Какой паттерн заполнения самый прочный?

Многие рекомендуют Honeycomb (Cubic) как самый прочный: хоть и слабее в направлении приложенной силы, он равномерно прочен во ВСЕХ направлениях — каждая сота такая же прочная, как вся структура.

Гексагональная механика сот рассеивает и распределяет силу: вместо концентрации в 1–2 точках — сила размазывается по всей площади. Honeycomb лучше справляется с общими механическими нагрузками.

Honeycomb (Cubic) делает печати прочными и жесткими даже при крупных габаритах. Повышенная прочность позволяет создавать крупные структуры с выгодными механическими свойствами.

Теоретически rectilinear (прямоугольный) паттерн — абсолютно самый прочный, ЕСЛИ сила приложена ВДОЛЬ линий заполнения. Иначе — относительно слаб, но очень эффективен по пластику: печатает ~30% быстрее honeycomb.

Итог: для большинства ситуаций самый прочный — honeycomb (Cubic), так как распределяет силы из любого направления. Rectilinear — абсолютный лидер, но только при нагрузке строго по линиям заполнения.

Как плотность заполнения влияет на прочность и какой диапазон хорош?

Плотность — второй фактор прочности: чем выше %, тем прочнее деталь. Больше материал внутри → выше сопротивление разрыву.

100% — максимальная прочность. Но долго и дорого (много филамента).

Большинству достаточно 20–50% — лучшие результаты для большинства паттернов. 50% часто дает ту же прочность, что 100% (или очень близко).

Выше 50% — убывающая отдача: прирост прочности минимален, расход и вес растут. Выше 75% не имеет смысла (если не шестеренки).

Про-совет: оптимизируйте ориентацию линий заполнения (дефолт 45°) — правильная ориентация дает значительный прирост прочности при том же % и паттерне.

Как паттерны и плотность влияют на время печати?

Вариация % и паттерна влияет на прочность, расход, время, свойства. Больше прочность = жертвуете стоимостью и временем.

Ключ — «золотая середина» между слишком слабым и слишком дорогим. Только так минимизируете затраты/время и максимизируете прочность.

Настройка infill из множества вариантов непроста, но правильный выбор делает печать легкой.

Какой infill печатается быстрее всего?

Простейший и быстрейший — Lines. Самый популярный именно за скорость (значительно быстрее остальных) при достойной прочности.

Дополнительные факторы, влияющие на прочность печати

Помимо infill, на качество/прочность влияют: тип филамента, качество филамента, ориентация печати, число периметров, высота слоя и др.

Тип филамента

Десятки типов (PLA, ABS, PETG, HIPS, Polycarbonate, Nylon и др.) — у всех плюсы/минусы.

PLA — легко печатать, но не термостойок, не для улицы. Nylon — топ для шестерен (износостойкий). Поликарбонат — самый прочный по растяжению. Выбирайте материал под назначение.

Качество филамента

Большинство филаментов сейчас пригодны, но бренд с репутацией повышает шанс успешной печати и долговечности. Филамент легко портится (влага — враг почти всех) — учитесь хранить и сушить. Статья: как определить испорченный филамент, хранить и сушить.

Ориентация печати

Слабые места 3D-печати — межслойные линии. Вертикальная печать (слои горизонтальны) дает совсем другую прочность, чем горизонтальная (слои вертикальны).

CNC Kitchen сравнивал крючки: вертикальная печать (слои горизонт.) → адгезия слоев слабее при растяжении → ломается легче, чем горизонтальная (в 2 раза меньше сила).

Не значит, что всегда печатать на боку — думайте, КУДА пойдут нагрузки, и ориентируйте так, чтобы силы совпадали с направлением филамента.

Число периметров (шеллов)

Периметры = внешняя оболочка (видим), infill = внутри (держит от коллапса).

Периметры влияют на прочность МНОГО сильнее infill в большинстве случаев: +1 периметр ≈ +10–15% infill по прочности.

Высота слоя

Ниже слой → лучше адгезия. Режете перпендикулярно слоям: толстый слой = видны зазоры между нитями → слабее. Тонкий слой = лучшее сцепление. Но до предела: ниже 0.1 мм прочность ПАДАЕТ.

Оптимальная высота для прочности — 0.1–0.12 мм. Выше или ниже — слабее.

Как увеличить прочность 3D-печати?

Помимо высоты слоя, % infill, ориентации — можно отжечь (annealing): нагрев всей детали до температуры стеклования (чуть выше, но ниже плавления), выдержка, медленное охлаждение.

Меняет молекулярную структуру, улучшает межслойную адгезию. Подробнее — в статье об отжиге.

Шпаргалка: infill для разных типов печатей

Детали, требующие прочности и устойчивости

• Паттерны: Cubic, Cubic Subdivision, Octet, Quarter Cubic, Gyroid
• Плотность: 50–75%

Обычные печати

• Паттерны: Grid, Triangles, Tri-hexagon
• Плотность: 15–50%

Модели, фигурки, миниатюры

• Паттерны: Lines, Zig-Zag
• Плотность: 0–15%

Гибкие печати

• Паттерны: Concentric, Cross, Cross 3D
• Плотность: 0–100% (по вкусу мягкости)

Заключение

Самые прочные паттерны — rectilinear и honeycomb, причем honeycomb проигрывает в растяжении, но выигрывает во всем остальном.

Не забывайте про остальные факторы прочности — держите их в голове!

Полезно было? Удачной печати!

Рекомендуемые товары

Мы подобрали лучшие принтеры, филаменты и апгрейды для любого уровня — всё протестировано, чтобы исключить ошибки выбора.