Os Segredos para as Impressões 3D Superfortes

Os softwares de fatiamento oferecem uma variedade de padrões de preenchimento, mas nem todos garantem a mesma resistência. Vamos ver mais sobre como realmente fortalecer suas peças!

Desvendando o Infill

Se você tem uma impressora 3D, já deve conhecer o infill, o “enchimento” que define se os modelos impressos serão sólidos, ocos ou algo intermediário. Ao contrário das peças fabricadas tradicionalmente, que são sólidas ou ocas, as impressões 3D podem ter diferentes tipos de preenchimento.

A densidade de preenchimento e o padrão de preenchimento são configurações importantes que afetam a força da peça. A densidade define quanto material será usado, enquanto o padrão determina a estrutura interna do preenchimento. Ambos influenciam a resistência do objeto impresso.

Vamos focar nos padrões de preenchimento, especialmente aqueles que garantem impressões mais robustas. Vamos explorar alguns dos melhores padrões disponíveis em slicers populares, como Cura e PrusaSlicer. Mas, antes de mergulharmos nisso, vamos primeiro entender melhor a densidade de preenchimento e as configurações de padrão.

Explorando o Mundo do Preenchimento

A densidade de preenchimento define quão sólido é o interior de uma impressão 3D. Ela é expressa como uma porcentagem: 100% significa completamente sólido, enquanto 0% é totalmente oco. Já o padrão de preenchimento refere-se à forma da estrutura interna do preenchimento.

Geralmente, quanto maior a densidade, maior a resistência da peça, mas também maior o consumo de material, peso e tempo de impressão, e menor a flexibilidade. O padrão de preenchimento também impacta a resistência, pois a forma e o layout das linhas internas distribuem as forças de maneiras diferentes. Por isso, a escolha do padrão depende da aplicação da peça e de suas necessidades específicas.

Existem muitos padrões de preenchimento em diferentes plataformas de fatiamento, mas apenas alguns são projetados para alta resistência. Muitos padrões, como linhas, zigue-zague e cruz, são adequados para impressões que não enfrentarão grandes esforços físicos, mas ainda precisam ser duráveis.

Para determinar qual padrão de preenchimento resulta nas peças mais fortes, é importante considerar dois fatores principais: a resistência direcional do padrão e o tipo de resistência avaliado nos testes.

Força Direcional

Os padrões de preenchimento não oferecem a mesma força em todos os três eixos (X, Y e Z). Muitos padrões são mais eficazes em certos planos. Por exemplo, o padrão de grade é muito resistente ao longo do eixo Z (perpendicular às linhas de camada), mas mais fraco ao longo do plano XY (paralelo às linhas de camada). Para aproveitar ao máximo a força de um padrão, alinhe seu modelo de modo que as áreas que precisam de mais resistência estejam alinhadas com o eixo onde o padrão é mais forte.

Alguns padrões 3D, como o gyroid, oferecem uma força mais equilibrada nos três eixos, mas a força em cada eixo individual é menor em comparação com padrões especializados. Por exemplo, o gyroid é bem equilibrado em todas as direções, mas não é o mais forte ao longo do eixo Z.

Tipo de Força

A segunda consideração crucial é o tipo de resistência que um padrão de preenchimento pode oferecer, que é medido por dois testes principais: alongamento e compressão.

• Alongamento: Neste teste, força é aplicada nas extremidades de uma amostra para separá-la. Este teste avalia a capacidade do padrão de preenchimento em suportar forças que tentam esticá-lo ou rasgá-lo.
• Compressão: Aqui, a força é aplicada para dentro da amostra, simulando uma compressão até que ela quebre. Esse teste mede a capacidade do padrão de resistir a forças que tentam esmagá-lo.

Ambos os testes são importantes para entender a resistência de um padrão de preenchimento, mas cada um avalia aspectos diferentes da durabilidade. No mundo real, peças frequentemente enfrentam uma combinação de tensões de alongamento e compressão.

Imagine segurar uma haste pelas extremidades e dobrá-la. A face externa da haste estará sob tensão, o que pode causar rachaduras, enquanto a metade interna é comprimida, forçando o material para fora da área dobrada. Esses testes ajudam a determinar a resistência dos padrões de preenchimento para diferentes tipos de estresse.

Tração

O teste de alongamento avalia a resistência à tração, que indica como uma peça suporta tensões que tentam esticá-la. Essa resistência é crucial para aplicações como fivelas e clipes.

O teste padrão de resistência à tração utiliza amostras em formato de “osso de cachorro” e aplica estresse em um único eixo. Como as impressões 3D são anisotrópicas, sua resistência varia conforme a direção. Por exemplo, puxar na direção Z pode causar delaminação das camadas, que é uma força menor do que a necessária para quebrar o filamento na direção XY. Portanto, esses testes de tração são realizados na direção XY.

Compressão

O teste de compressão avalia a capacidade de uma peça de resistir a forças internas, sendo essencial para aplicações que envolvem suporte de carga, como suportes de prateleira.

Neste teste, amostras em forma de tira são posicionadas verticalmente entre duas placas paralelas e submetidas a compressão até quebrar. Assim como na tração, a resistência à compressão das peças impressas em 3D é anisotrópica. No entanto, a eficácia de um padrão de preenchimento em distribuir tensões internamente desempenha um papel crucial. Para obter uma visão completa do desempenho do padrão, o teste deve ser realizado nas direções XY e Z.

Os Testes

Para fornecer uma análise detalhada dos padrões de preenchimento, usamos os seguintes conjuntos de testes:

1. Resistência à Tração com Espessura do Preenchimento e da Casca (Cozinha CNC): Avalia a força em amostras de formato de gancho com 30% de preenchimento na direção XY.
2. Resistência do Padrão de Preenchimento (Cozinha CNC): Mede a resistência à compressão nas direções XY e Z em cubos de 20 mm com 10% de preenchimento.
3. Resistência do Padrão de Preenchimento (Inclinação 3D): Testa a compressão na direção XY em cubos com 20% de preenchimento.
4. Resistência de Padrões de Preenchimento (The Machine Bros Solutions): Avalia a tração na direção XY em amostras de “osso de cachorro” com 30-42% de preenchimento, normalizando o peso.
5. Resistência à Compressão de Padrões de Preenchimento de Impressão 3D (Pernet et al.): Mede a compressão na direção Z em cilindros com 20, 40, 60, 80 e 100% de preenchimento.
6. Resistência à Tração de Padrões de Preenchimento (Lalegani et al.): Avalia a tração na direção XY em amostras de “osso de cachorro” com 10-50% de preenchimento, dependendo do padrão.

Esses testes fornecem uma visão equilibrada da resistência dos materiais, abrangendo tanto a tração quanto a compressão. A diversidade dos métodos e as condições consistentes permitem comparações eficazes entre os padrões de preenchimento.

Os 8 padrões mais fortes de infill

Podem ser encontrados em Cura ou PrusaSlicer

1- Grade

O padrão de preenchimento em grade é composto por dois conjuntos de linhas que se cruzam em cada camada, criando uma estrutura de suporte robusta. Esse padrão é conhecido por sua simplicidade, mas também pela força que proporciona devido às linhas sobrepostas, o que confere uma boa sustentação à peça impressa.

Este padrão foi incluído em todos os seis testes realizados. No entanto, quando comparado a outros padrões, o padrão de grade teve um desempenho inferior em todos os três estudos de tração. Os testes conduzidos pelos Machine Bros mostraram que a resistência do padrão de grade foi a mais baixa quando normalizada para o peso.

Em relação aos testes de compressão, o padrão de grade obteve o segundo pior resultado. O teste de compressão realizado pela CNC Kitchen revelou que a resistência do padrão aumentou significativamente (cerca de 70%) ao mudar a orientação da direção XY para a direção Z. No entanto, isso é esperado, já que o padrão de grade é essencialmente 2D, com camadas imprimindo diretamente sobre a camada anterior.

• Resistência à tração: Baixa
• Resistência à compressão: Baixa

2- Retilíneo (Zig-Zag)

O padrão retilíneo, também conhecido como zig-zag, imprime linhas em uma única direção por camada e inverte a orientação para a próxima camada. É um dos padrões de preenchimento mais rápidos e populares devido à sua eficiência.

Este padrão também foi incluído em todos os testes realizados. De forma semelhante ao padrão de grade, o desempenho do retilíneo foi consistentemente baixo em testes de tração e compressão. Nos testes de resistência à tração, o padrão retilíneo frequentemente teve um desempenho inferior ao da grade, exceto no estudo de Lalegani et al., onde o padrão mostrou melhor desempenho em um eixo específico, sugerindo uma vantagem em situações de tração direcionada em vez de cisalhamento.

Quanto à compressão, o padrão retilíneo apresentou resultados consistentes em todos os estudos. A resistência à compressão na direção Z foi cerca de 60% maior do que na direção XY, o que é esperado para um padrão de preenchimento 2D.

• Resistência à tração: Baixa
• Resistência à compressão: Baixa

3- Triângulos

O padrão de preenchimento triangular é caracterizado por linhas que se cruzam a 60 graus, ao contrário dos padrões de grade que cruzam a 90 graus. A geometria triangular é naturalmente resistente, pois cada lado pode distribuir o estresse de maneira eficiente para os outros dois lados.

Entre os três padrões testados em todos os estudos, o padrão triangular variou significativamente em termos de desempenho. A CNC Kitchen encontrou o padrão triangular como o mais resistente em seus testes de tração, enquanto Lalegani et al. e The Machine Bros Solutions registraram uma resistência menor em comparação com outros padrões, como o de grade. Isso sugere que o padrão triangular pode ser eficaz para resistir a forças de cisalhamento.

No que diz respeito à resistência à compressão, o padrão triangular demonstrou um desempenho mais consistente e superior em comparação com os padrões de grade e retilíneo. A resistência foi particularmente forte na direção Z, o que é esperado para padrões 2D que são perpendiculares às linhas de camada. Na direção XY, o padrão triangular superou os padrões de grade e retilíneo, devido à sua capacidade de dissipar tensões de forma eficiente.

• Resistência à tração: Média
• Resistência à compressão: Média

4- Linhas

O padrão de linhas é similar ao retilíneo, com a diferença de que as linhas são impressas em direções opostas em camadas alternadas, sem sobreposição. Isso faz do padrão de linhas uma opção rápida e eficiente para impressão.

Este padrão foi testado exclusivamente para resistência à compressão, e os resultados mostraram consistência entre os estudos. A CNC Kitchen e Pernet et al. encontraram que o padrão de linhas foi um dos mais fortes na direção Z. Em comparação com os padrões 2D como grade e retilíneo, o padrão de linhas apresentou uma resistência média na direção XY, sendo superior a grade e retilíneo, mas inferior aos padrões 3D.

• Resistência à tração: Não testado
• Resistência à compressão: Média

5- Giroide

O padrão de preenchimento 3D giroide é notavelmente distinto, utilizando curvas matematicamente calculadas empilhadas de maneira única. A força deste padrão vem da sobreposição das curvas a cada três camadas (dependendo do fatiador) e da estrutura matemática das curvas.

Os testes de compressão mostram que o padrão giroide oferece uma resistência consistente em todas as direções, o que o torna um dos padrões mais equilibrados. Embora não tenha sido o padrão mais forte, sua capacidade de distribuir cargas de maneira uniforme é um ponto positivo. Sua resistência é comparável, embora ligeiramente inferior, ao padrão cúbico.

Infelizmente, o padrão giroide não foi incluído nos testes de resistência à tração.

• Resistência à tração: Não testado
• Resistência à compressão: Média

6- Concêntrico

O padrão concêntrico é um dos mais distintos e não convencionais, projetado com propriedades flexíveis que compensam sua falta de isotropia estrutural. Ideal para designs que exigem flexibilidade, o padrão se destacou em testes de resistência.

Este padrão foi testado por Lalegani et al. para resistência à tração e por Pernet et al. para resistência à compressão, seguindo os padrões oficiais ASTM D638 e ASTM D695, respectivamente. Embora não tenha sido testado para compressão ao longo da direção XY, onde sua estrutura pode ser mais fraca, os resultados foram notáveis:

• Resistência à tração: Alta (direção Z)
• Resistência à compressão: Alta (direção Z)

7- Cúbico

O padrão de preenchimento cúbico cria uma estrutura de cubos empilhados diagonalmente, semelhante a pirâmides regulares e invertidas. Essa configuração proporciona uma resistência tridimensional robusta devido à integridade estrutural dos triângulos cruzados.

Embora não tenha sido testado para resistência à tração, o padrão cúbico teve um desempenho notavelmente superior em testes de resistência à compressão em comparação com padrões anteriores. Como um padrão 3D, oferece uma resistência menos dependente da direção da força.

• Resultados dos testes:
  • CNC Kitchen: Em testes de compressão nas direções Z e XY, o padrão cúbico se destacou, com a direção XY mostrando um desempenho ligeiramente superior.
  • Slant 3D: Considerou o padrão cúbico o mais forte em resistência à compressão.
  • Pernet et al.: Reportou resistência de médio alcance na direção Z, o que contrasta com o padrão observado em 2D, onde a direção Z geralmente apresenta maior resistência.

Um ponto adicional é que o padrão cúbico levou mais tempo para imprimir, com um tempo de impressão normalizado de 125%, embora seu peso de modelo seja semelhante ou até menor do que a maioria dos outros padrões.

• Resistência à tração: Não testado
• Resistência à compressão: Alta

8- Favo de Mel

O padrão de preenchimento em favo de mel imita a estrutura hexagonal de um favo de mel, repetindo essas pequenas formas geométricas sobre a área do modelo. A força deste padrão vem do entrelaçamento alternado das formas rígidas, refletindo a eficácia das estruturas hexagonais na natureza.

• Desempenho:
  • Resistência à tração: O padrão de favo de mel teve um desempenho notável em resistência à tração, destacando-se em dois dos três testes realizados (CNC Kitchen e The Machine Bros Solutions). Foi o melhor entre todos os padrões testados pela The Machine Bros Solutions e ficou atrás apenas do padrão triangular no estudo da CNC Kitchen.
  • Resistência à compressão: Em termos de compressão, o padrão também se saiu muito bem. A resistência na direção Z foi 60% maior do que na direção XY, comportamento típico observado em padrões de preenchimento 2D.

Um aspecto a ser notado é que o padrão de favo de mel apresentou um tempo de impressão consideravelmente maior devido à constante mudança de direção durante a impressão. Isso resultou em um tempo de impressão normalizado excepcionalmente alto, mas compensou com uma resistência elevada.

• Resistência à tração: Alta
• Resistência à compressão: Alta

CURIOSIDADES

Frequentemente, as impressões não são igualmente fortes em todos os eixos

É a porcentagem de enchimento que fica impressa nas paredes, permitindo aumentar a resistência da peça em detrimento de ter áreas sobreextrudadas.

A redução deste parâmetro permite eliminar marcas de enchimento nas paredes, algo muito útil para a estética e para a qualidade dimensional.