认识填充结构的作用和设计原则，以实现3D打印的完美平衡

导读：填充结构在 3D 打印中起着至关重要的作用，可以精确控制打印部件的内部结构。与注射成型或减材制造等传统制造方法不同，3D 打印可以创建出复杂的填充图案和可调节的填充密度。填充是指 3D 打印零件的内部结构，提供支撑、强度和刚性，同时影响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，该程序将3D 模型转换为 3D 打印机的指令。

了解填充在 3D 打印中的重要性后，重要的是要认识到学习填充设计给初学者带来了一些挑战。这些挑战包括理解各种图案、选择适当的填充密度、设计悬垂支撑、最大限度地减少缺陷、优化打印设置以及获得实践经验。通过深入研究这些错综复杂的问题，我们可以开发必要的技能来克服这些挑战并通过填充实现最佳的结果。

填充密度是什么？

填充密度是指打印部件内部的“填充程度”，通常指定为 0% 到 100% 之间的百分比。较低的密度会产生更多的中空部件，从而减轻重量和材料消耗，但可能会牺牲强度。另一方面，较高的密度会产生坚固的内部，从而增加零件的重量和强度。填充密度的选择取决于打印件的具体要求。对于不需要特殊强度的标准打印，建议密度为 15-50%。该范围平衡了打印时间、材料消耗和强度。对于需要额外强度的功能性打印件，建议填充密度高于 50%，最高为 100%。然而，较高的密度会增加打印时间和材料使用量。

对于仅用于展示目的的雕像和模型，0-15% 的填充密度就足够了。这样可以加快打印速度并减少材料消耗，同时牺牲一些强度。打印 TPU 等柔性材料时，可以使用任何密度，但较高的密度会导致最终成品的灵活性较差。

△不同密度的填充物（照片来源：Triplaxis）

探索 3D 打印的填充图案和应用

除了填充密度之外，图案的选择也会影响打印部件的特性。不同的切片程序提供各种图案，从简单的线条到复杂的几何形状。每种图案都有自己的特点，影响强度、打印时间、重量负载和灵活性。

条纹填充（Lines）

条纹图案由沿一个方向打印的线条组成，能够提供二维强度。它适合快速打印，消耗材料较少，并且重量相对较轻。

蜂窝填充（Honeycomb）

蜂窝图案创造出类似蜂窝的视觉上吸引人的结构。它具有中等强度，适合半快速打印，同时节省材料。当优先考虑减轻重量时，蜂窝状填充物通常是首选，使其适合航空航天或轻型应用。

网格填充（Grid）

与线条类似，网格图案由每层打印的二维线条组成，提供二维强度。它提供了强度、材料使用和打印时间之间的平衡。网格填充用途广泛，通常在需要中等水平的结构支撑时使用。

三角形填充（Triangles）

三角形图案具有重叠的三角形线，在 XY 平面内的二维上提供强度。适用于对强度有要求的印刷品。

三六边形（Tri-hexagon）

这种图案在XY平面上将三个方向的线条组合在一起，形成六边形图案，中间是三角形。它具有二维强度，适用于强度较高的印刷品。

立方体（Cubic）

立方体图案由围绕X轴和Y轴倾斜45度的立方体堆叠而成，看起来像三角形。它具有出色的三维强度。

八边形（Octet）

八字形图案与立方体图案相似，但以正方形代替三角形。它具有三维强度和视觉吸引力。

螺旋状（Gyroid）

螺旋状花纹具有视觉冲击力，其特点是不规则的凹面弧度相交。它在强度、材料用量和印刷时间之间取得了平衡。在对结构完整性要求较高的情况下，螺旋型填充具有优势，因为它可以增强承载能力，降低分层风险。

△图片来源：B&C 数字制造解决方案

在决定合适的填充图案时，重要的是要考虑每种图案在强度、重量、打印时间、灵活性和浮力方面的独特优势。标准印花通常受益于网格或三角形图案，而功能性印花则可以利用立方体、螺旋体或八位体等图案。螺旋或同心等填充图案非常适合需要高强度或承载能力的物体，提供增强的结构完整性。另一方面，蜂窝状填充物在减轻重量方面表现出色，可提供高效的材料利用和轻质特性。线条图案通常用于雕像和模型打印，以加快打印过程，而同心图案在柔性打印中表现出色，以最少的材料消耗提供强度。

Ultimaker 的闪电填充：直观的方法

闪电填充（Lightning infill）是一种全新的填充选项，它是首个集成到切片机中的智能填充，作为Ultimaker Cura提供的开源选项，它根据模型的几何形状动态生成内部支撑，为3D打印引入了一种独特的方法。与传统模式不同，lightning infill通过保持部分中空结构减少了长丝用量和打印时间，同时主要对模型的顶部进行加固。尽管闪电填充图案并非为强度或承重应用而设计，但它在长丝效率和快速成型装饰性或视觉吸引力打印方面具有显著优势。虽然其他填充模式推荐用于功能性或承重部件，但闪电填充模式在优先考虑减少材料消耗和加快打印速度的情况下非常有价值。

△闪电填充演示（照片来源：Ultimaker）

释放 3D 打印的强度、多功能性和精度

在增材制造方面，填充对于制造结构健全的零件至关重要。它不仅改善了零件的物理特性，而且还提供复杂形状的打印区域之间的支撑和连接。虽然可以在没有填充或减少填充的情况下打印简单形状，但对于标准零件和功能零件来说通常是必需的。它确保打印物体的强度、结构和重量分布。

为了实现均匀的光洁度并避免模型表面因填充而产生可见痕迹，可以进行多项调整。壁厚是一个关键因素，因为薄壁可能会产生痕迹，尤其是在模型的顶部区域。增加壁厚或顶层和底层的数量可以帮助缓解这个问题。重叠百分比决定了模型周边打印的填充物的数量，从而影响墙壁的阻力。调整重叠可以减少标记，最佳值为 10% 左右。打印订单，特别是启用“壁前填充”，可以提高悬垂物的表面质量，但可能会在工件的侧面留下小标记。

了解填充密度、填充图案和其他打印参数之间的关系可以让 3D 打印爱好者和专业人士根据特定要求优化其打印件。通过仔细选择适当的填充设置，您可以在 3D 打印零件中实现所需的强度、重量、结构和其他属性。