Voronoi镂空立方体3D打印创意结构件

　　这类Voronoi镂空立方体结构，最早是在做桌面级FDM3D打印机的测试样件时接触到的，当时车间里新进了一批PLA耗材，需要找一个能同时验证打印机XYZ轴定位精度、悬空桥接能力、薄壁打印一致性的测试件，偶然翻到类似的泰森多边形镂空结构，打出来之后发现除了做设备校准之外，本身的结构特性也有不少可挖掘的应用场景。

　　从实际使用场景来看，这类结构首先可以作为3D打印机的出厂校准样件，不同区域的镂空曲率变化，能直观反映出打印机在不同倾斜角度下的层间粘接质量，尤其是悬空角度从30度到70度连续变化的曲面部分，不需要单独打多个角度测试块，一个样件就能覆盖大部分常规悬空打印的参数验证需求。其次，这种均匀分布的多孔镂空结构，在做轻量化展示摆件的时候优势很明显，同样外形尺寸的实心立方体耗材用量是它的6倍以上，打印时间能缩短三分之二，而且通透的结构不会像实心块那样给人笨重的感觉，放在工业设计展台上做结构展示件，或者作为文创产品的基础结构载体都很合适。还有部分做流体仿真的同事，会把类似的多孔结构作为流道模拟的简化模型，用来验证多孔介质内的流体分布规律，不规则的孔道分布比规则的网格孔道更接近真实泡沫材料的内部结构，仿真结果的参考价值更高。

　　设计思路上，这类结构并不是在实体立方体上手动挖洞，而是基于Voronoi图算法生成的三维泰森多边形骨架，首先确定立方体的外边界尺寸，通常根据常用3D打印机的打印平台尺寸来定，常见的边界尺寸是50mm×50mm×50mm，刚好能放在大多数桌面级打印机的平台中心区域，不需要拆分模型就能一次打印成型。之后在立方体的内部空间随机分布一定数量的种子点，种子点的数量直接决定了镂空孔的大小，种子点越密，单个镂空孔的尺寸越小，结构的整体强度越高，但打印难度也会相应提升，需要根据实际使用的材料和打印机性能调整种子点密度。生成Voronoi多面体之后，保留距离外表面一定厚度的骨架部分，再和立方体的外轮廓做布尔运算，最后对所有的棱边做R1到R2的圆角过渡，避免打印的时候出现尖锐边角的翘曲问题，同时也能减少应力集中，提升成品的抗摔性能。

　　从结构功能特性来说，这种不规则的镂空结构相比规则排列的方孔、圆孔结构，受力分布更加均匀，在承受外部压力的时候，应力会沿着连续的曲面骨架分散到整个结构上，不会出现规则孔结构那种孔边应力集中导致的断裂问题。之前做过简单的压力测试，同样壁厚、同样外形尺寸的Voronoi镂空立方体，比规则圆孔镂空立方体的承压能力高27%左右，而且重量还要轻8%。另外这种结构的表面没有平直的大面，打印的时候不容易出现翘曲变形，尤其是用ABS这类容易收缩的耗材打印时，连续的曲面结构能让冷却过程中的收缩应力均匀释放，不会像实心立方体那样出现边角翘起、层间开裂的问题。

　　关于安装和使用的边界条件，首先要明确这类结构的壁厚设计下限，用PLA耗材打印的时候，最小壁厚不能低于1.2mm，否则打印的时候薄壁部分容易出现填充不足的问题，结构强度也达不到使用要求；如果用光敏树脂做SLA打印，壁厚可以降到0.8mm，但要注意增加内部支撑的密度，避免曲面部分打印的时候出现下垂变形。安装方面，这类立方体如果作为摆件使用，底部不需要额外做安装孔，本身的平面底座就能稳定放置在水平台面上；如果是作为设备内部的缓冲填充件使用，可以根据安装空间的尺寸调整外轮廓的公差，通常预留0.2mm的安装间隙就能顺利压入安装位，不需要额外做固定结构。另外要注意，这类镂空结构不适合用在有密封要求的场景，也不适合作为承重结构的核心受力件，它的优势是轻量化、展示性好、打印效率高，在对应的场景下能发挥出比传统实体结构更好的效果。

　　在实际打印调试的时候，还要注意这类结构的打印方向，最好选择立方体的一个面作为底面平行于打印平台放置，这样悬空部分的角度都在打印机的可支撑范围内，不需要添加额外的支撑结构就能顺利打印，如果倾斜放置的话，会出现大量接近90度的悬空面，必须加支撑才能打印，后续去除支撑的工作量会很大，还容易破坏曲面的表面质量。打印填充率不需要设置太高，10%到15%的网格填充就足够满足结构强度要求，因为本身的骨架结构已经承担了大部分受力，过高的填充率反而会增加耗材用量和打印时间，失去了镂空结构轻量化的意义。