Dominando a Impressão 3D com Infill Gyroid: Guia Completo

A maioria dos makers na comunidade de impressão 3D conhece a importância de escolher padrão e porcentagem de infill corretos para criar peças funcionais para protótipos e produção.

Nos últimos anos, muitos novos padrões surgiram para resolver questões técnicas específicas. Alguns entraram na caixa de ferramentas do maker; outros foram descartados como experimentos interessantes.

Você pode conhecer o Infill Gyroid, interessante por vários fatores. Vamos descobrir o que é o padrão gyroid e como é útil.

O Infill Gyroid é um padrão cuja característica mais importante é sua simetria cúbica, que, em contraste com todos os outros padrões, é uma estrutura quase isotrópica — ou seja, igualmente resistente a forças vindas de todas as direções. Sua principal vantagem é a resistência pura e força geral, mesmo em porcentagens de infill baixas.

O que é Infill Gyroid?

A maioria dos objetos 3D precisa de estrutura interna ligando perímetros e camadas superior/inferior. Por isso definimos padrão e porcentagem de infill no fatiamento. Qualquer estrutura aguenta, mas cada uma tem vantagens e desvantagens. Ex: infill Lines é mais rápido mas relativamente mais fraco que outros, a menos que as forças aplicadas sigam as linhas do infill.

Conforme a comunidade testava designs especiais, novas formas de preencher peças foram incorporadas. Em 2017, estudos em estruturas de grafeno tipo gyroid revelaram resistência excepcional. Aplicado à impressão 3D, resulta em estrutura que combina rigidez e velocidade de impressão.

O Infill Gyroid é feito com movimentos curvilíneos contínuos do extrusor. Isso resulta em movimento suave e deposição de filamento altamente constante.

Sua resistência é comparada à de favo de mel (honeycomb), outro padrão inspirado na natureza. A principal diferença é como são construídos. Honeycomb, como a maioria dos infills, repete sua forma em cada camada. Isso força você a aumentar a porcentagem de infill se precisar de mais resistência à compressão no eixo Z. Com gyroid, distribui-se igualmente a resistência do objeto para cada eixo; a porcentagem de infill é mais eficiente. Em termos técnicos, o Infill Gyroid é próximo de isotrópico — uma de suas maiores vantagens.

Outro padrão que varia a cada camada é o infill cúbico. Forma pequenos cubos conforme o extrusor sobe. Torna o objeto muito resistente a compressão de todas as direções. Mesmo assim, o Infill Gyroid é melhor em casos que exigem resistência ao cisalhamento (shear).

O que é um gyroid

Gyroid é tecnicamente uma Superfície Mínima Triplamente Periódica (TPMS). Essas superfícies não se auto-intersectam, formando um "labirinto". Podem ser subdivididas até uma célula unitária em três dimensões, permitindo replicação em impressora 3D.

Além do uso em estruturas de grafeno, este padrão tem aplicações em supercapacitores, células solares e membranas nanoporosas. Padrões similares aparecem nas asas de borboletas, explicando sua leveza e alta resistência.

A propriedade mais importante do gyroid para impressão 3D é sua simetria cúbica. Isso significa que, embora não seja totalmente verdade no sentido matemático puro, podemos considerá-lo estrutura isotrópica. Objeto isotrópico tem mesma resistência em qualquer direção. Entre os padrões de infill, gyroid é o mais adequado para peças que exigem resistência ao cisalhamento. Sua relação peso/resistência é muito menor que a maioria dos padrões conhecidos; peça com este infill aguenta cargas maiores usando menos material.

Propriedades do Infill Gyroid

Desde que o Gyroid Infill passou a ser usado, muitos usuários testaram esta estrutura para ver se realmente tem propriedades superiores ao honeycomb, estrutura baseada em hexágonos.

Encontrei um experimento¹ testando resistência de diferentes infills aplicando força de cisalhamento a barras impressas. Três barras idênticas com infills diferentes: lines, honeycomb, gyroid. Registrou-se o peso máximo suportado por cada.

Conclusões:

• Gyroid foi a estrutura mais forte no geral com mesma porcentagem de infill.
• Peso da barra gyroid foi quase 10% menor que a honeycomb.
• Tempo de impressão da barra gyroid foi o menor das três.

O padrão gyroid é comprovadamente mais forte, mais rápido e usa menos material. Se não considerarmos perímetros, o peso do gyroid é quase 30% menor que honeycomb. Economiza dinheiro e tempo sem grandes inconvenientes.

Vantagens do Infill Gyroid

Quase isotrópico:

Material isotrópico mantém propriedades em qualquer direção. Embora tecnicamente não seja verdade na definição matemática pura, a simetria do Gyroid Infill nos três eixos ajuda a equalizar sua resistência em qualquer direção.

Alguns padrões, como lines, só têm boa resistência se forças vêm na mesma direção do infill. Outros são bons na compressão, mas fracos a cisalhamento. Gyroid tem excelente resistência a qualquer combinação e direção de forças.

Muito forte no geral

O infill gyroid é tão forte que pode ser impresso sem perímetros. Alguns objetos são projetados com perímetros só onde absolutamente necessário. Outros infills precisam "encostar" nos perímetros, senão sua estrutura colapsa.

Tempos de impressão menores

Com mesma porcentagem de infill, gyroid imprime 2% a 5% mais rápido que padrão retilíneo. Em produção em massa, esses valores são significativos.

Menor consumo de material

Outro fator econômico: com menos filamento faz-se peça mais resistente. Como pode ser impresso sem paredes sendo funcional, pode reduzir peso ainda mais.

Infill bonito

Embora seja gosto pessoal, gyroid pode ser considerado o mais atraente de todos os padrões atuais. Designers modelaram vasos, copos, potes sem perímetros, expondo o preenchimento. Resultados são incríveis.

Não se sobrepõe na mesma camada

A estrutura não tem pontos fracos pois suas linhas são contínuas por toda a camada. Também reduz problemas de extrusão ou entupimento de bico.

Independente de orientação

Às vezes precisa imprimir com orientação específica que não coincide com a de melhor resistência. Com gyroid, resolve isso, pois tem mesma resistência em qualquer direção. Isso pode reduzir consumo de filamento, pois precisa de menos suportes com orientação adequada.

Permite considerar materiais mais fracos

Quando precisamos de objeto forte, pensamos em ABS ou Nylon como escolhas óbvias. Mas podemos melhorar resistência do PLA usando infill gyroid, tornando objeto mais barato e fácil de imprimir.

Não precisa de suportes

Todo TPMS é auto-sustentável por natureza, perfeito para fabricação FDM.

Permite passagem de fluidos

Pode usar este padrão para aplicações que exigem fluxo de ar ou água, como dissipadores de calor ou embalagens eletrônicas.

Desvantagens do Infill Gyroid

Tempos de fatiamento (slicing) maiores

Embora subestimado, tempo de fatiamento pode ser excessivo em computadores de baixo desempenho. G-codes gerados costumam ser maiores com gyroid. Pode causar falhas de impressão se impressora conectada via USB ao computador.

Vibração da impressora pode ser alta em porcentagens de infill elevadas

Como gyroid é formado por curvas, o extrusor move-se muito em todas direções. Produz vibrações indesejadas transmitidas ao objeto, especialmente em alta velocidade. Solução: reduzir porcentagem de infill para movimentos mais amplos do extrusor e diminuir velocidade do infill. Lembre-se: este padrão não precisa de muito infill para funcionar bem.

Configurações de Slicer para Infill Gyroid

A principal vantagem do padrão gyroid é que não precisa de muita porcentagem de infill para ser resistente: peça pequena com 2 perímetros e 10% infill suporta quase 10 kg. Aumentando a porcentagem, a resistência cresce de forma não-linear. Pode começar com 5% infill e aumentar onde mais resistência for necessária.

Velocidade de impressão pode ser ligeiramente maior. Recomendo manter a velocidade que já usa. Fique tranquilo: baixando infill e mantendo velocidade, o tempo de impressão ainda reduz substancialmente.

Se não encontra Gyroid no seu slicer, baixe a versão mais recente do Cura. Vale também para PrusaSlicer, Simplify3D e outros slicers populares.

Usos Criativos com Infill Gyroid

Devido à forma interessante do gyroid, este padrão atraiu atenção de artistas e makers. Vejamos como suas propriedades criam peças complexas e interessantes:

Gyroid Imprimível 3D por Dan O'Connell

Design simples: cubo sem paredes externas. Permite testar resistência colocando objetos pesados em qualquer face. Também mostra como seu "labirinto" permite água (ou fluido) entrar e sair completamente, sem estagnar em cantos internos. Peça ideal para mostrar estrutura gyroid a quem nunca viu.

Lâmpada Gyroid Imprimível 3D por Greg

Lâmpada esférica com padrão gyroid. Como gyroid é uma superfície (tecnicamente não um corpo), permite luz passar. Além disso, sua resistência estrutural protege de impactos diretos. Fica ótimo impresso com materiais translúcidos, como PETG.

Marcador de Livro Gyroid Imprimível 3D por PlasticPasta 3D

Este design (marcador) combina alta resistência do gyroid com beleza estrutural. Mostra que este padrão de infill pode realçar estética de objetos familiares. Livros e coisas nerds combinam bem…

Suporte de Prateleira Gyroid Imprimível 3D por Alexander

Este suporte foi projetado para aguentar mais de 20 kg usando apenas 67 g de material! São mais de 20 livros. Demonstra que a impressão 3D ainda tem muito a dizer.

Além disso, sua aparência de "esponja óssea" fica ótima impressa em branco…

Uma vez que testar o gyroid, não há volta. Alta resistência, baixo peso, tempos de impressão menores — tudo que um maker quer!

Conclusão

Após detalhes técnicos e aplicações artísticas do Gyroid Infill, espero ter transmitido ao menos um pouco do fascínio que tenho por este padrão. Embora já o use como infill padrão, ainda me impressiono com sua aparência e propriedades. Definitivamente considere começar a usá-lo ou ao menos testar!

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