3D-Druck mit Gyroid-Füllungen:alles, was Sie wissen müssen!

Die meisten Hersteller in der 3D-Druck-Community sind sich der Bedeutung der Auswahl eines korrekten Füllmusters und Prozentsatzes bewusst, wenn es darum geht, Arbeitsteile sowohl für Prototypen als auch für Produktionszwecke zu erstellen.

In den letzten Jahren sind viele neue Muster entstanden, um spezifische technische Probleme anzugehen. Einige Muster fanden ihren Platz in der Werkzeugkiste des Herstellers, während andere weggeworfen wurden und als interessante Experimente in Erinnerung bleiben.

Möglicherweise ist Ihnen die Existenz der Gyroid-Füllung bekannt , was aufgrund mehrerer Faktoren interessant ist. Lassen Sie uns herausfinden, was das Gyroid-Muster ist und wie es nützlich ist.

Die Gyroid-Füllung ist ein Muster, dessen wichtigstes Merkmal seine kubische Symmetrie ist, die im Gegensatz zu allen anderen Mustern eine nahezu isotrope Struktur aufweist, was bedeutet, dass es Kräften aus allen Richtungen gleichermaßen standhält. Sein Hauptvorteil ist seine Scherfestigkeit und Gesamtfestigkeit, selbst bei geringeren Füllungsprozentsätzen.

Was ist ein Gyroid-Infill?

Die meisten 3D-gedruckten Objekte benötigen eine interne Struktur, die Umfänge und obere/untere Schichten verbindet. Aus diesem Grund legen wir beim Slicen ein Füllmuster und einen Prozentsatz fest. Jede Art von Struktur kann damit umgehen, aber jede hat ihre eigenen Vor- und Nachteile. Zum Beispiel die Linienfüllung ist schneller, aber relativ schwächer als die anderen Muster, es sei denn, die darauf ausgeübten Kräfte folgen den Fülllinien.

Als die Maker-Community spezielle Designs ausprobierte, wurden neue Möglichkeiten zum Füllen von 3D-gedruckten Teilen integriert. Im Jahr 2017 ergaben Studien, die an Graphenstrukturen vom Gyroid-Typ durchgeführt wurden, dass diese Form den Stücken eine außergewöhnliche Widerstandsfähigkeit verlieh. Bei der Anwendung auf den 3D-Druck führt dies zu einer Struktur, die sowohl Steifigkeit als auch Druckgeschwindigkeit kombiniert.

Die Gyroid-Füllung wird mit kontinuierlichen krummlinigen Bewegungen des Extruders hergestellt. Das führt zu einer reibungslosen Bewegung und einer sehr konstanten Filamentablage.

Seine Widerstandsfähigkeit wird oft mit der von Waben verglichen, einem weiteren von der Natur inspirierten Füllmuster. Der Hauptunterschied zwischen ihnen besteht darin, wie sie gebaut sind. Honeycomb wiederholt, wie die meisten Füllungen, seine Form in jeder Schicht. Das zwingt Sie dazu, einen höheren Füllungsprozentsatz einzustellen, wenn Sie den Kompressionswiderstand auf der Z-Achse erhöhen müssen. Wenn Sie Gyroid verwenden, verteilen Sie den Widerstand des Objekts gleichmäßig auf jede Achse, sodass der Füllungsprozentsatz effizienter ist. Technisch gesehen ist das Gyroid Infill nahezu isotrop, was einer seiner größten Vorteile ist.

Ein weiteres Muster, das auf jeder Schicht variiert, ist die kubische Füllung. Es bildet kleine Würfel, wenn der Extruder während des Druckens aufsteigt. Dies macht das Objekt sehr widerstandsfähig gegen Druckkräfte aus allen Richtungen. Egal, die Gyroid Infill ist auch besser in Fällen, in denen Ihr Druck Scherfestigkeit erfordert.

Was ist ein Gyroid

Ein Gyroid ist technisch gesehen eine Triply Periodic Minimal Surface (TPMS). Diese Oberflächen schneiden sich nicht selbst und bilden deshalb ein „Labyrinth“. Sie können dreidimensional bis zu einer Einheitszelle unterteilt werden, sodass sie in einem 3D-Drucker repliziert werden können.

Neben seiner Verwendung in Graphenstrukturen findet dieses Muster Anwendung in Superkondensatoren, Solarzellen und nanoporösen Membranen. Ähnliche Muster sind auf den Flügeln von Schmetterlingen zu sehen, was ihr geringes Gewicht und ihre hohe Widerstandsfähigkeit erklärt.

Die wichtigste Eigenschaft des Gyroids in Bezug auf den 3D-Druck ist seine kubische Symmetrie. Dies bedeutet, dass wir es, obwohl es im mathematischen Sinne nicht ganz richtig ist, als eine isotrope Struktur betrachten können. Ein isotropes Objekt hat in jeder Richtung den gleichen Widerstand. Unter den verschiedenen Füllungsmustern ist Gyroid am besten für Teile geeignet, die reine Festigkeit erfordern. Das Verhältnis von Gewicht zu Festigkeit ist viel geringer als bei den meisten bekannten Mustern, sodass ein Stück mit dieser Füllung größeren Belastungen mit weniger Material standhalten kann.

Eigenschaften der Gyroid-Füllung

Seit das Gyroid Infill verwendet wird, haben viele Anwender diese Struktur auf die Probe gestellt, um zu zeigen, ob sie dem Wabenmuster, einer Struktur auf Basis von Sechsecken, wirklich überlegene Eigenschaften hat.

Ich habe ein Experiment gefunden ¹ die den Widerstand verschiedener Füllungen testeten, indem sie eine Scherkraft auf 3D-gedruckte Stäbe ausübten. Dafür wurden drei identische Stäbe mit unterschiedlichen Füllmustern gedruckt:Linien, Waben und Kreisel. Das maximale Gewicht, das von jeder Stange getragen wird, wurde dann aufgezeichnet.

Die Schlussfolgerungen dieses Experiments waren wie folgt:

• Der Gyroid war insgesamt die stärkste Struktur, wenn derselbe Füllungsprozentsatz verwendet wurde.
• Das Gewicht des gedruckten Gyroid-Riegels war fast 10 % leichter als der Wabenriegel.
• Die Druckzeit des Gyroid-Balkens war die kürzeste der drei.

Das Kreiselmuster ist nachweislich stärker und schneller und verbraucht weniger Material als die anderen. Wenn wir die Umfänge nicht berücksichtigen, ist das Gewicht des Gyroids fast 30 % leichter als das einer Wabe. Das spart Geld und Zeit ohne größere Unannehmlichkeiten.

Vorteile von Gyroid Infill

Fast isotrop:

Ein isotropes Material behält seine Eigenschaften in jeder Richtung bei. Obwohl es in der reinsten mathematischen Definition technisch nicht wahr ist, hilft die Symmetrie der Gyroid-Füllung in allen drei Achsen, ihren Widerstand in jeder Richtung auszugleichen.

Einige Muster, wie z. B. Linien, haben nur dann eine gute Festigkeit, wenn die Kräfte aus derselben Richtung wie die Füllung kommen. Andere sind gut, wenn sie komprimiert werden, aber schwach gegenüber Scherspannungen. Der Gyroid widersteht jeder Kombination und Richtung von Kräften sehr gut.

Insgesamt sehr stark

Die Gyroid-Füllung ist so stark, dass sie sogar ohne Verwendung von Perimetern gedruckt werden kann. Einige Objekte werden entworfen, indem Umfänge nur in absolut notwendigen Teilen lokalisiert werden. Die anderen Füllungsmuster müssen sich an den Rändern „anlehnen“, sonst würde ihre Struktur zusammenbrechen.

Kürzere Druckzeiten

Bei gleichem Füllprozentsatz druckt das Gyroid 2 % bis 5 % schneller als das geradlinige Muster. Wenn wir über Massenproduktion sprechen, sind diese Werte von Bedeutung.

Weniger Materialverbrauch

Ein weiterer wirtschaftlicher Faktor:Mit weniger Filament kann ein widerstandsfähigeres Stück hergestellt werden. Da es ohne Wände gedruckt werden kann, während es funktional ist, können Sie sein Gewicht noch weiter reduzieren.

Gut aussehende Füllung

Obwohl es eine Frage des persönlichen Geschmacks ist, könnte die Gyroid-Füllung als das attraktivste aller derzeit erhältlichen Muster angesehen werden. Viele Designer haben Vasen, Gläser oder Töpfe ohne Umrandung modelliert und die Füllung freigelegt. Die Ergebnisse sind erstaunlich, wie wir später sehen werden.

Überschneidet sich nicht auf derselben Ebene

Die Struktur hat keine Schwachstellen, da ihre Linien mit der gesamten Schicht durchgehend sind. Dadurch werden auch Extrusionsprobleme oder Düsenverstopfungen reduziert.

Es ist orientierungsunabhängig

Manchmal müssen Sie das Objekt mit einer bestimmten Ausrichtung drucken. Diese Ausrichtung ist möglicherweise nicht die gleiche wie die, die erforderlich ist, um den besten Widerstand zu erzielen. Mit einer Gyroid-Füllung können Sie dieses Problem lösen, da sie in jede Richtung den gleichen Widerstand hat. Diese Eigenschaft kann dazu beitragen, den Filamentverbrauch zu reduzieren, da Sie weniger Stützen mit einer richtigen Ausrichtung des Objekts benötigen.

Ermöglicht es Ihnen, schwächere Materialien zu verwenden

Wenn wir ein starkes 3D-gedrucktes Objekt benötigen, denken wir oft an ABS oder Nylon als naheliegende Wahl, da sie stark und widerstandsfähig sind. Aber wir könnten die PLA-Beständigkeit verbessern, indem wir eine Gyroid-Füllung verwenden, wodurch das Objekt billiger und einfacher zu drucken wäre.

Es braucht keine Stützen

Jedes TPMS ist von Natur aus selbsttragend, was sie perfekt für die FDM-Fertigung macht.

Es lässt Flüssigkeiten durch sich selbst hindurch

Sie können dieses Muster für Anwendungen verwenden, die einen Luft- oder Wasserfluss erfordern, wie z. B. elektronische Verpackungen oder Kühlkörper.

Nachteile von Gyroid Infill

Höhere Slicing-Zeiten

Obwohl dieser Faktor oft unterschätzt wird, kann die Slicing-Zeit übermäßig sein, wenn wir uns auf einen leistungsschwachen Computer verlassen müssen. Die generierten G-Codes sind normalerweise größer, wenn der Gyroid verwendet wird. Dies kann dazu führen, dass Drucke fehlschlagen, wenn der Drucker über USB mit dem Computer verbunden ist.

Die Druckervibration kann bei höheren Füllungsprozentsätzen ziemlich hoch sein

Da der Kreisel durch Kurven gebildet wird, muss sich der Extruder in alle Richtungen stark bewegen. Dadurch entstehen ungewollte Schwingungen, die sich insbesondere bei hoher Geschwindigkeit auf das Objekt übertragen. Die Lösung besteht darin, den Füllprozentsatz zu reduzieren, um breitere Extruderbewegungen zu erzielen und die Füllgeschwindigkeit zu verlangsamen. Denken Sie daran, dass dieses Muster nicht viel Füllung benötigt, um gut zu funktionieren.

Gyroid-Infill-Slicer-Einstellungen

Der Hauptvorteil des Gyroid-Musters besteht darin, dass es nicht viel Füllung benötigt, um widerstandsfähig zu sein:Ein kleines Stück mit 2 Umfängen und 10 % Füllung trägt fast 10 kg. Wenn Sie den Prozentsatz erhöhen, erhöht sich der Widerstand auf nichtlineare Weise. Sie können mit einer Füllung von 5 % beginnen und diese erhöhen, wenn mehr Widerstand erforderlich ist.

Die Druckgeschwindigkeit kann etwas höher sein. Wie auch immer, ich empfehle Ihnen, weiterhin die gleiche Geschwindigkeit zu verwenden, die Sie verwendet haben. Seien Sie versichert, dass die Druckzeit durch Verringerung des Füllprozentsatzes und Beibehaltung der Bewegungsgeschwindigkeit immer noch erheblich verkürzt wird.

Wenn Sie Gyroid nicht in Ihren Slicer-Einstellungen finden, laden Sie die neueste Version von Cura herunter. Dies gilt auch für PrusaSlicer, Simplify3D und andere beliebte Slicer.

Kreative Anwendungen mit Gyroid Infills

Aufgrund der interessanten Form eines Gyroids hat dieses Muster die Aufmerksamkeit von Künstlern und Machern auf sich gezogen. Sehen wir uns an, wie die Eigenschaften von Gyroid genutzt werden können, um komplexe und interessante Teile herzustellen:

3D-druckbares Gyroid von Dan O’Connell

Dieses Design ist einfach ein Würfel ohne Außenwände. Mit diesem Stück können wir den Widerstand des Objekts testen, indem wir schwere Gegenstände auf eine seiner Seiten legen. Es ermöglicht Ihnen auch zu sehen, wie sein „Labyrinth“ es dem Wasser (oder jeder Flüssigkeit) ermöglicht, vollständig ein- und auszutreten, ohne in einer inneren Ecke zu stagnieren. Es ist ein ideales Stück, um die Gyroidstruktur denen zu zeigen, die noch nie eine gesehen haben.

3D-druckbare Gyroid-Lampe von Greg

Eine kugelförmige Lampe mit Kreiselmuster. Da der Gyroid eine Oberfläche ist (technisch gesehen kein Körper), lässt er das Licht der Lampe durch. Darüber hinaus schützt sein struktureller Widerstand die Lampe vor direkten Schlägen. Es sieht toll aus, wenn es mit durchscheinenden Materialien wie PETG bedruckt wird.

3D-druckbares Gyroid-Lesezeichen von PlasticPasta 3D

Dieses Design (ein Lesezeichen) kombiniert die hohe Festigkeit des Gyroids mit seiner strukturellen Schönheit. Es zeigt, dass dieses Füllmuster verwendet werden kann, um die Ästhetik vertrauter Objekte zu verbessern. Andererseits vertragen sich Bücher und nerdige Sachen sehr gut…

3D-druckbare Gyroid-Regalhalterung von Alexander

Diese Regalhalterung wurde entwickelt, um Gewichte von mehr als 20 kg zu tragen und dabei nur 67 g Material zu verwenden! Das sind mehr als 20 Bücher. Es zeigt, dass der 3D-Druck immer noch etwas zu sagen hat.

Außerdem sieht der „Knochenschwamm“-Look toll aus, wenn er in Weiß gedruckt wird…

Sobald Sie das Gyroid ausprobiert haben, gibt es kein Zurück mehr. Hohe Festigkeit, geringes Gewicht und kürzere Druckzeiten, alles, was ein Hersteller will!

Schlussfolgerung

Nachdem ich die technischen Details und die künstlerischen Anwendungen des Gyroid Infill durchgegangen bin, hoffe ich, dass ich zumindest ein wenig von meiner Verwunderung, die ich für dieses Muster habe, vermitteln konnte. Obwohl ich dieses Muster bereits als Standardfüllung verwende, bin ich immer noch überwältigt von seinem Aussehen und seinen Eigenschaften. Sie sollten auf jeden Fall in Betracht ziehen, es zu verwenden oder es zumindest auszuprobieren!

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