مستحکم‌ترین الگوهای اینفیل در چاپ سه‌بعدی

در سال‌های اخیر، چاپ سه‌بعدی به‌عنوان یکی از مهم‌ترین فناوری‌های ساخت افزایشی در صنایع مختلف از جمله مهندسی مکانیک، پزشکی و تولید صنعتی مطرح شده است. در این میان، پارامترهای فرآیندی نظیر ضخامت لایه، نوع متریال و به‌ویژه الگوی اینفیل (Infill Pattern) نقش تعیین‌کننده‌ای در خواص مکانیکی قطعات چاپ‌شده دارند.

در چاپ سه‌بعدی، الگوی اینفیل (Infill Pattern) به ساختار داخلی قطعه گفته می‌شود که فضای بین دیواره‌های خارجی و لایه‌های بالایی و پایینی قطعه را پر می‌کند. این ساختار داخلی وظیفه دارد بارهای مکانیکی را توزیع کند، شکل هندسی قطعه را حفظ کند و مقاومت کششی، فشاری و خمشی آن را افزایش دهد. الگوهای اینفیل می‌توانند دو بعدی باشند مانند Grid و Triangle یا سه‌بعدی پیوسته باشند مانند Gyroid و Cubic. الگوی اینفیل علاوه بر استحکام، بر وزن نهایی قطعه، مصرف مواد و زمان چاپ نیز تأثیر مستقیم دارند. انتخاب درست الگوی اینفیل بسته به کاربرد و شرایط بارگذاری، امکان افزایش عملکرد مکانیکی قطعه بدون مصرف مواد اضافی را فراهم می‌کند و یکی از مهم‌ترین تصمیمات در طراحی و پرینت سه‌بعدی محسوب می‌شود.

همان‌طور که گفته شد، الگوی اینفیل نقش کلیدی در استحکام قطعه دارد و همچنین درصد اینفیل نیز عامل مکمل مهمی محسوب می‌شود. در مقالات علمی معتبر نشان داده شده است که افزایش درصد اینفیل از 20٪ به 50٪ باعث افزایش قابل توجه استحکام کششی می‌شود، اما افزایش بیشتر از این مقدار باعث کاهش بازده مکانیکی می‌شود زیرا نقاط تماس بین خطوط افزایش می‌یابد که این نقاط محلی برای تمرکز تنش هستند و می‌توانند باعث شکست زودهنگام شوند. علاوه بر این، مصرف زیاد مواد باعث افزایش وزن قطعه می‌شود، در نتیجه نسبت استحکام به وزن کاهش پیدا می‌کند و قطعه دیگر بهینه نیست.

نکته مهم آن است که در الگوهای سه‌بعدی پیوسته مانند Gyroid، حتی در درصدهای پایین‌تر نیز استحکام قابل قبولی حاصل می‌شود که دلیل آن در ادامه بررسی می‌شود و این موضوع آن‌ها را از نظر نسبت استحکام به وزن به گزینه‌ای بهینه تبدیل می‌کند. مطالعات متعدد نشان می‌دهند که صرف افزایش درصد اینفیل الزاماً منجر به افزایش بهینه استحکام نمی‌شود، بلکه انتخاب مناسب نوع آن، عامل اصلی در بهبود عملکرد مکانیکی قطعه است. ازاین‌رو، شناخت علمی الگوهای اینفیل و عملکرد مکانیکی آن‌ها اهمیت ویژه‌ای دارد.

اهمیت الگوی اینفیل در استحکام مکانیکی قطعات چاپ سه‌بعدی

هندسه اینفیل می‌تواند الگوی تمرکز تنش و مکانیزم شکست قطعه را به‌طور قابل توجهی تغییر دهد.

عوامل اصلی مؤثر بر عملکرد مکانیکی اینفیل عبارت‌اند از:

• هندسه الگوی اینفیل
• پیوستگی ساختار داخلی
• رفتار الگو در بارگذاری چندمحوره
• نسبت استحکام به وزن

معیارهای علمی ارزیابی مستحکم‌ترین اینفیل

در مطالعات آکادمیک، قوی‌ترین الگوهای اینفیل بر اساس شاخص‌های زیر ارزیابی می‌شوند:

• استحکام کششی (Tensile Strength)
• استحکام فشاری (Compressive Strength)
• مقاومت خمشی (Flexural Strength)
• توزیع تنش و جلوگیری از تمرکز تنش
• نسبت استحکام به وزن

بررسی قوی‌ترین الگوهای اینفیل

1. الگوی Gyroid (قوی‌ترین الگوی اینفیل)

الگوی Gyroid یک ساختار سه‌بعدی پیوسته از نوع Triply Periodic Minimal Surface (TPMS) است که فاقد گوشه‌های تیز و نقاط تمرکز تنش می‌باشد. ساختارهایی از این نوع، تنش را به‌صورت یکنواخت در کل حجم قطعه توزیع می‌کنند و از ایجاد نقاط شکست بحرانی جلوگیری می‌کنند.

نتایج پژوهش‌ها نشان می‌دهد که Gyroid:

• تا ۳۰٪ استحکام مکانیکی بالاتر نسبت به Grid و Honeycomb دارد.
• عملکرد بسیار مناسبی در بارگذاری چند جهته از خود نشان می‌دهد.
• توزیع تنش یکنواخت‌تری ایجاد می‌کند.

این ویژگی‌ها، Gyroid را به گزینه اول در لیست مستحکم‌ترین الگوی اینفیل تبدیل کرده است.

2. الگوی Cubic

الگوی Cubic یک ساختار سه‌بعدی شبکه‌ای است که مقاومت بالایی در برابر فشار و خمش دارد. طبق مطالعات، این الگو در مقایسه با Grid:

• استحکام فشاری بالاتری ارائه می‌دهد.
• رفتار مکانیکی پایدارتری دارد.

با این حال، تمرکز تنش در محل تقاطع‌ها باعث می‌شود عملکرد آن اندکی ضعیف‌تر از Gyroid باشد و این نقاط به عنوان محل‌هایی برای شروع ترک عمل می‌کنند.

3. الگوی Triangle

الگوی Triangle بر اساس اصول سازه‌های خرپایی طراحی شده و به دلیل استفاده از اشکال مثلثی، مقاومت مناسبی در برابر بارهای فشاری دارد.

مطابق نظریه‌های مطرح‌شده در کتاب Cellular Solids:

• الگوی اینفیل مثلثی برای قطعات تخت و سازه‌ای مناسب است.
• در بارهای چندمحوره عملکرد ضعیف‌تری نسبت به الگوهای سه‌بعدی پیوسته دارد.

4. الگوی Honeycomb

Honeycomb یکی از شناخته‌شده‌ترین الگوهای اینفیل است که به دلیل نسبت استحکام به وزن مناسب، کاربرد گسترده‌ای دارد. با این حال، مطالعات نشان می‌دهد که:

• این الگو در برابر تنش‌های پیچشی و چند جهته ضعیف‌تر عمل می‌کند.
• نسبت به Gyroid استحکام کلی کمتری دارد.

5. الگوی Grid

Grid رایج‌ترین الگوی اینفیل در نرم‌افزارهای اسلایسر است، اما از منظر آکادمیک در دسته Strongest Infill Patterns قرار نمی‌گیرد. دلیل اصلی، تمرکز تنش در نقاط تقاطع است مانند الگوی Cubic که این نقاط محل‌های شروع ترک هستند و همچنین باعث شکست زودهنگام تحت بار خمشی می‌شوند.

مقایسه عملکرد مکانیکی الگوهای اینفیل

تأثیر جنس متریال بر انتخاب الگوی اینفیل

انتخاب مستحکم‌ترین الگوی اینفیل بدون در نظر گرفتن نوع متریال می‌تواند منجر به نتایج گمراه‌کننده شود. به‌عنوان مثال:

• در PLA، بهترین عملکرد را الگوهای Gyroid و Cubic نشان می‌دهند.
• در ABS و Nylon، الگوهای سه‌بعدی پیوسته به دلیل کاهش تمرکز تنش بین‌لایه‌ای مناسب‌تر هستند.
• در کامپوزیت‌های تقویت‌شده با فیبر، Triangle و Cubic عملکرد بهتری در راستای بارگذاری اصلی دارند.

پس باید به این نکته توجه داشت که نوع متریال بر انتخاب الگوی اینفیل مستحکم اثر می‌گذارد.

اثر جهت‌گیری چاپ (Build Orientation) بر عملکرد الگوی اینفیل

یکی از عواملی که کمتر مورد توجه قرار گرفته است، جهت‌گیری قطعه در فرآیند پرینت سه‌بعدی است. رفتار مکانیکی الگوی اینفیل به‌شدت به راستای اعمال بار نسبت به لایه‌ها وابسته است.

در الگوهای دوبعدی مانند Grid و Triangle، ساختار داخلی قطعه بیشتر در یک صفحه شکل می‌گیرد و مسیرهای تحمل بار عمدتاً افقی هستند. به همین دلیل، این الگوها در برابر نیروهایی که به صورت افقی وارد می‌شوند عملکرد خوبی دارند، اما وقتی نیرو در راستای عمودی(Z-loads)  اعمال شود، تنش مستقیماً به محل اتصال بین لایه‌ها منتقل می‌شود. از آنجا که چسبندگی بین لایه‌ها معمولاً ضعیف‌تر از استحکام داخل لایه است، اعمال بار عمود بر جهت خطوط اینفیل می‌تواند باعث جدایش لایه‌ها یا شکست زودهنگام قطعه شود. بنابراین، جهت‌گیری چاپ نسبت به جهت بارگذاری در الگوهای دوبعدی اهمیت زیادی دارد و می‌تواند نقش تعیین‌کننده‌ای در افزایش یا کاهش استحکام نهایی قطعه داشته باشد.

در ساختارهای سه‌بعدی پیوسته نظیر Gyroid، بارها در هر سه راستا و از طریق مسیرهای منحنی و پیوسته منتقل می‌شوند و باعث می‌شود تنش بین چندین مسیر تقسیم می‌شود و هیچ راستای غالبی برای تمرکز تنش وجود ندارد. در نتیجه؛ در الگوهای سه‌بعدی، جهت‌گیری چاپ تاثیر چندانی بر استحکام الگوی اینفیل ندارد.

نتیجه‌گیری

بر اساس بررسی منابع علمی معتبر، می‌توان نتیجه گرفت که:

• مستحکم‌ترین الگوی اینفیل، الگوی Gyroid است.
• الگوهای سه‌بعدی پیوسته عملکرد مکانیکی بهتری نسبت به الگوهای دوبعدی دارند.
• انتخاب الگوی اینفیل باید بر اساس نوع بارگذاری و کاربرد نهایی قطعه انجام شود، نه صرفاً درصد اینفیل.
• جنس متریال و جهت‌گیری چاپ در انتخاب الگوی اینفیل مستحکم اثرگذار است.

منابع

https://www.sciencedirect.com/S2238785422003052

https://www.sciencedirect.com/S2212827122001159