Meester 3D-printen met Gyroid Infill: een uitgebreide gids

De meeste makers in de 3D-printcommunity zijn zich bewust van het belang van het kiezen van een correct infill-patroon en percentage wanneer het gaat om het maken van werkende onderdelen voor zowel prototypes als productiedoeleinden.

In de afgelopen jaren zijn veel nieuwe patronen ontstaan om specifieke technische problemen aan te pakken. Sommige patronen vonden hun plaats in de toolbox van de maker, terwijl anderen weggegooid werden en onthouden als een interessant experiment.

U bent misschien op de hoogte van het bestaan van de Gyroid Infill, wat interessant is vanwege meerdere factoren. Laten we ontdekken wat het gyroid-patroon is en hoe het nuttig is.

De Gyroid Infill is een patroon wiens belangrijkste kenmerk zijn cubische symmetrie, wat in contrast met alle andere patronen een bijna isotrope structuur is, wat betekent dat het even weerstand biedt aan krachten uit alle richtingen. Het hoofddoel is de pure weerstand en algehele sterkte, zelfs bij lagere infill-percentages.

Wat is een Gyroid Infill?

De meeste 3D-geprinte objecten hebben een interne structuur nodig die perimeters en boven-/onderlagen verbindt. Daarom stellen we een infill-patroon en percentage in tijdens het slicen. Elk type structuur kan dit aan, maar elk heeft zijn eigen voor- en nadelen. Bijvoorbeeld, de Lines Infill is sneller maar relatief zwakker dan de andere patronen, tenzij de krachten die erop toegepast worden, de infill-lijnen volgen.

Als de maker-community speciale ontwerpen uitprobeerde, werden nieuwe manieren om 3D-geprinte delen te vullen geïntegreerd. In 2017 onthulden studies uitgevoerd op gyroid-type grafeenstructuren dat deze vorm de stukken een uitzonderlijke weerstand gaf. Toegepast op 3D-printen, resulteert dit in een structuur die zowel stijfheid als printsnelheid combineert.

De Gyroid Infill wordt gemaakt met continue curvilinaire bewegingen van de extruder. Dit resulteert in een soepelbeweging en een zeer constante filamentdepositie.

De weerstand wordt vaak vergeleken met honeycomb's, een ander infill-patroon geïnspireerd door de natuur. Het hoofverschil tussen hen is hoe ze gebouwd worden. Honeycomb, zoals de meeste infills, herhaalt zijn vorm in elke laag. Dat dwingt u om een hoger infill-percentage in te stellen als u de compressieweerstand op de Z-as wilt verhogen. Bij gyroid verdeelt u de weerstand van het object gelijkmatig over elke as, dus het infill-percentage is efficiënter. In technische termen is de Gyroid Infill dichtbij isotroop, wat een van de grootste voordelen is.

Een ander patroon dat per laag varieert is de cubische infill. Het vormt kleine kubussen als de extruder tijdens het printen oplooft. Dit maakt het object zeer weerstandskrachtig tegen compressiekrachten uit alle richtingen. Niettemin is de Gyroid Infill ook beter in gevallen waar uw print schuifweerstand vereist.

Wat is een gyroid

Een gyroid is technisch een Triply Periodic Minimal Surface (TPMS). Deze oppervlakken snijden zich niet zelf, en daardoor vormen ze een "doolhof". Ze kunnen onderverdeeld worden tot een eenheidscel in drie dimensies, zodat ze in een 3D-printer gerepliceerd kunnen worden.

Naast het gebruik in grafeenstructuren, heeft dit patroon toepassingen in supercondensatoren, zonnecellen, en nanoporeuze membranen. Vergelijkbare patronen worden gezien op vlindersvleugels, wat hun lichtgewicht en hoge weerstand verklaart.

De belangrijkste eigenschap van de gyroid in relatie tot 3D-printen is de cubische symmetrie. Dit betekent dat, hoewel het niet volledig waar is in de wiskundige zin, we het een isotrope structuur kunnen noemen. Een isotroop object heeft dezelfde weerstand in elke richting. Onder de verschillende infill-patronen is gyroid het meest geschikt voor stukken die schuifsterkte vereisen. De gewicht/sterkte-verhouding is veel lager dan de meeste bekende patronen, dus een stuk met deze infill kan grotere belasting weerstaan met minder materiaal.

Eigenschappen van Gyroid infill

Sinds de Gyroid Infill in gebruik kwam, hebben veel gebruikers deze structuur getest, om te laten zien of het echt superieure eigenschappen heeft ten opzichte van het honeycomb-patroon, een structuur gebaseerd op hexagonen.

Ik vond een experiment¹ dat de weerstand van verschillende infills testte door een schuifkracht toe te passen op 3D-geprinte staven. Hiervoor werden drie identieke staven geprint, met verschillende infill-patronen: lijnen, honeycomb, en gyroid. Het maximumgewicht dat door elke staaf ondersteund werd, werd dan vastgelegd.

De conclusies van dit experiment waren als volgt:

• De gyroid was de sterkste structuur over het algemeen bij gebruik van hetzelfde infill-percentage.
• Het gewicht van de geprintte gyroid-staaf was bijna 10% lichter dan de honeycomb-staaf.
• De printtijd van de gyroid-staaf was de kortste van de drie.

Het gyroid-patroon is bewijzen sterker en sneller, en het gebruikt minder materiaal dan de anderen. Als we geen rekening houden met perimeters, is het gewicht van de gyroid bijna 30% lichter dan honeycomb's. Dus het bespaart geld en tijd zonder grote ongemakken.

Voordelen van Gyroid Infill

Dichtbij isotroop:

Een isotroop materiaal behoudt zijn eigenschappen in elke richting. Hoewel technisch niet waar in de zuiverste wiskundige definitie, helpt de symmetrie van de Gyroid Infill in alle drie de assen om de weerstand in elke richting te gelijkmatigen.

Sommige patronen, zoals lijnen, hebben alleen goede sterkte als de krachten uit dezelfde richting komen als de infill. Andere zijn goed bij compressie, maar zwak bij schuifspanningen. De gyroid heeft erg goede weerstand tegen elke combinatie en richting van krachten.

Over het algemeen erg sterk

De gyroid infill is zo sterk dat het zelfs geprint kan worden zonder perimeters te gebruiken. Sommige objecten zijn ontworpen door perimeters alleen op absoluut noodzakelijke plekken te plaatsen. De andere infill-patronen moeten "aanleunen" op de perimeters, anders zou hun structuur instorten.

Kortere printtijden

Gegeven hetzelfde infill-percentage, print de gyroid 2% tot 5% sneller dan het rectilinaire patroon. Als we over massa-productie praten, zijn deze waarden significant.

Minder materiaalverbruik

Een ander economisch factor: met minder filament kan een weerstandskrachtiger stuk gemaakt worden. Aangezien het zonder wanden geprint kan worden terwijl het functioneel blijft, kunt u het gewicht nog meer reduceren.

Mooi ogende infill

Hoewel het een kwestie van persoonlijke smaak is, kan de gyroid infill als het mooiste van alle momenteel beschikbare patronen beschouwd worden. Veel ontwerpers hebben vazen, glazen of potten gemodelleerd zonder perimeters, de vulling blootstellend. De resultaten zijn verbazingwekkend zoals we later zullen zien.

Overlapt niet op dezelfde laag

De structuur heeft geen zwakke punten omdat de lijnen continu zijn langs de hele laag. Dit vermindert ook extrusieproblemen of nozzleverstoppingen.

Oriëntatie-onafhankelijk

Soms moet u het object met een specifieke oriëntatie printen. Die oriëntatie is misschien niet dezelfde als vereist om de beste weerstand te krijgen. Met een gyroid infill kunt u dit probleem oplossen, aangezien het dezelfde weerstand in elke richting heeft. Deze eigenschap kan helpen filamentverbruik te reduceren, aangezien u minder supports nodig hebt met een correcte oriëntatie van het object.

Staat toe om zwakkere materialen te overwegen

Wanneer we een sterk 3D-geprint object nodig hebben, denken we vaak aan ABS of Nylon als de voor de hand liggende keuze, omdat ze sterk en weerstandskrachtig zijn. Maar we de PLA-weerstand kunnen verbeteren door een gyroid infill te gebruiken, wat het object goedkoper en makkelijker te printen maakt.

Het heeft geen supports nodig

Elke TPMS is van nature zelfondersteunend, wat ze perfect maakt voor FDM-fabricage.

Staat vloeistoffen door zich heen

U kunt dit patroon gebruiken voor toepassingen die lucht- of waterstroom vereisen, zoals elektronische behuizingen of heatsinks.

Nadelen van Gyroid Infill

Langere slicingtijden

Hoewel deze factor vaak onderschat wordt, kan de slicingtijd excessief zijn als we afhankelijk zijn van een laag-presterende computer. De G-codes die gegenereerd worden, zijn meestal groter bij gebruik van de gyroid. Dit kan ervoor zorgen dat prints mislukken wanneer de printer via USB met de computer verbonden is.

Printertrillingen kunnen vrij hoog zijn bij hogere infillpercentages

Aangezien de gyroid gevormd wordt door curven, moet de extruder heel veel in elke richting bewegen. Dit produceert ongewenste trillingen die naar het object overgedragen worden, met name bij hoge snelheid. De oplossing is om het infill-percentage te verlagen om bredere extruderbewegingen te bereiken en de infillsnelheid te verlagen. Onthoud dat dit patroon niet veel infill nodig heeft om goed te werken.

Gyroid infill slicer instellingen

Het hoofddoel van het gyroid-patroon is dat het niet veel infill-percentage nodig heeft om weerstandskrachtig te zijn: een klein stuk met 2 perimeters en 10% infill ondersteunt bijna 10 kg. Als u het percentage verhoogt, neemt de weerstand op een niet-lineaire manier toe. U kunt beginnen met 5% infill en verhogen in gevallen waar meer weerstand nodig is.

Printsnelheid mag iets hoger zijn. Toch raad ik u aan om dezelfde snelheid te blijven gebruiken die u al gebruikt. Rust gerust dat door het infill-percentage te verlagen en de bewegingssnelheid te behouden, de printtijd nog steeds aanzienlijk zal worden verminderd.

Als u Gyroid niet in uw slicer-instellingen vindt, download dan de nieuwste versie van Cura. Dit geldt ook voor PrusaSlicer, Simplify3D, en andere populaire slicers.

Creatieve toepassingen met Gyroid Infills

Vanwege de interessante vorm van een gyroid, heeft dit patroon de aandacht getrokken van zowel artiesten als makers. Laten we zien hoe de eigenschappen van gyroid gebruikt kunnen worden om complexe en interessante delen te maken:

3D Printable Gyroid door Dan O'Connell

Dit ontwerp is simpelweg een kubus zonder buitenwanden. Met dit stuk kunnen we de weerstand van het object testen, door zware objecten op elk van zijn vlakken te plaatsen. Het laat ook zien hoe het "doolhof" het water (of elke vloeistof) volledig laat binnenkomen en verlaten, zonder in een interne hoek te stagneren. Het is een ideaal stuk om de gyroid-structuur te tonen aan wie deze nog nooit gezien heeft.

3D Printable Gyroid Lamp door Greg

Een spherische lamp met een gyroid-patroon. Omdat de gyroid een oppervlak is (technisch is het geen lichaam) laat het het licht van de lamp door. Daarnaast beschermt de structurele weerstand de lamp tegen directe aanvallen. Het ziet er geweldig uit wanneer geprint met transparante materialen, zoals PETG.

3D Printable Gyroid Boekentas door PlasticPasta 3D

Dit ontwerp (een boekentas) combineert de hoge sterkte van de gyroid met zijn structurele schoonheid. Het toont aan dat dit infill-patroon gebruikt kan worden om de esthetiek van vertrouwde objecten te verbeteren. Aan de andere kant, boeken en nerdy dingen gaan heel goed samen...

3D Printable Gyroid Plankbeugel door Alexander

Deze plankbeugel was ontworpen om gewichten groter dan 20 kg te ondersteunen, met slechts 67 g materiaal! Dat is meer dan 20 boeken. Het toont aan dat 3D-printen nog dingen te zeggen heeft.

Daarnaast ziet de "bot spons" look er geweldig uit wanneer geprint in wit...

Zodra u de gyroid probeert, is er geen terugkeer meer. Hoge sterkte, laag gewicht, en kortere printtijden, alles wat een maker wil!

Conclusie

Na de technische details en de artistieke toepassingen van de Gyroid Infill doorlopen te hebben, hoop ik dat ik tenminste een beetje van de verbazing die ik voor dit patroon heb, kon overbrengen. Hoewel ik dit patroon al als mijn standaard infill gebruik, ben ik nog steeds onder de indruk van hoe het eruitziet en de eigenschappen die het heeft. U zou zeker moeten overwegen om het te gaan gebruiken of tenminste het een keer te proberen!

Bekijk onze aanbevolen producten

We hebben een aanbevolen productensectie samengesteld die de gisswerk uit het zoeken naar de juiste printer, filament of upgrades haalt. We weten dat dit een overweldigende taak kan zijn die vaak tot verwarring leidt.

We hebben een selectie 3D-printers geselecteerd die geschikt zijn voor beginners, gevorderden en experts, en de filaments en upgrades zijn door ons getest en met zorg gekozen, zodat u weet dat wat u ook kiest, verwacht werkt.