又愛又恨,！3D打印中不可或缺的支撐結(jié)構(gòu)和無支撐技術(shù)

南極熊導(dǎo)讀：支撐結(jié)構(gòu)是成功生產(chǎn) 3D 打印部件的重要部分之一,。雖然 3D 打印的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是它能夠創(chuàng)建自由形式和復(fù)雜的幾何形狀,，但如果不使用支撐結(jié)構(gòu)，3D打印提供的大部分設(shè)計(jì)自由度是難以實(shí)現(xiàn)的,。

支撐對(duì)于防止零件變形和塌陷以及其他用途至關(guān)重要,，所以，學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)和設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)是成為增材制造工程師必須要掌握的技能,。在本期文章中,，南極熊探討了支撐結(jié)構(gòu)在不同打印技術(shù)的添加要求、優(yōu)缺點(diǎn),、去除以及如何最大限度地減少支撐的使用,。

支撐結(jié)構(gòu)在3D 打印中的重要性

與幾乎所有 3D 打印技術(shù)一起使用，支撐結(jié)構(gòu)有助于確保零件在 3D 打印過程中的可打印性,。支撐可以幫助防止零件變形,，將零件固定到打印床上，并確保零件連接到打印零件的主體,。就像腳手架一樣,，在打印過程中使用支撐，然后將其移除,。



具有復(fù)雜設(shè)計(jì)特征（如懸垂,、孔和橋）的零件打印起來更具挑戰(zhàn)性。以金屬3D 打印為例,，當(dāng)打印件有懸空或橋接結(jié)構(gòu)時(shí),，如果不使用支撐結(jié)構(gòu)，會(huì)在打印過程中造成零件變形,，甚至導(dǎo)致零件坍塌,，而支撐結(jié)構(gòu)可以幫助防止打印過程中已成形部分的倒塌，大大提升了打印成功率,。然而,，并不是所有的懸掛結(jié)構(gòu)都需要額外的支撐。因?yàn)�,，�?dāng)懸掛結(jié)構(gòu)的垂直角度小于45度時(shí),，懸掛結(jié)構(gòu)不需要支撐。當(dāng)這種結(jié)構(gòu)的垂直角度小于45度時(shí),，3D打印機(jī)在相鄰層上的水平偏移很小,，使得上層疊加在一個(gè)偏移很小的層上,，那么每一層都可以提供支撐下一個(gè)級(jí)別。因此,，45度角是一個(gè)臨界角,。任何小于 45 度的角度都不需要支撐。當(dāng)然,，這也需要根據(jù)打印機(jī)的性能和材料的性質(zhì)來確定,。如果打印機(jī)的性能不好，也可能需要小于 45 度角的支撐,。

此外,，由于像金屬3D打印這樣的技術(shù)一般都會(huì)涉及高溫過程，這時(shí)的支撐也可以充當(dāng)散熱器作用,。這是因?yàn)榻饘僭霾闹圃爝^程中所添加的支撐結(jié)構(gòu)有助于將熱量從零件上帶走，從而防止在打印過程中因高溫而產(chǎn)生殘余應(yīng)力,，避免變形,、翹曲和開裂等缺陷的形成。

當(dāng)然,，并非只有金屬3D打印才會(huì)添加支撐,，幾乎所有 3D 打印技術(shù)都需要在某種程度上考慮添加支撐結(jié)構(gòu)。如下表所示,，展示了不同3D 打印方法在使用支撐方面的差異：

技術(shù)原理	材料	是否需要支撐
選擇性激光熔化 (SLM) 直接金屬激光燒結(jié) (DMLS) 直接能量沉積 (DED) 電子束熔化 (EBM)	金屬材料	是
立體光刻 (SLA)	光聚合物	是
選擇性激光燒結(jié) (SLS)	粉末材料	否
材料噴射	粉末材料	是
熔融沉積成型 (FDM)	熱塑性塑料	是
粘合劑噴射	粉末材料	否

粉末床融合（SLM,、DMLS、EBM）

支撐結(jié)構(gòu)在金屬3D打印中不可或缺,。盡管基于粉末床熔融技術(shù)所成形部件會(huì)被松散的粉末包圍,，也起到了一定的支撐效果。然而,，這些技術(shù)始終需要支撐以確保它們固定在基板上并減輕殘余應(yīng)力造成的影響,。如果沒有支撐結(jié)構(gòu)，懸掛或傾斜的部件以及金屬的內(nèi)應(yīng)力會(huì)損壞打印件本身,，導(dǎo)致打印失敗,。通常來講，基于粉末床原理的打印技術(shù)中的支撐結(jié)構(gòu)主要分為兩個(gè)類型：

線性支撐：這種類型的支撐由連接到整個(gè)懸掛結(jié)構(gòu)的垂直立柱組成,。但這種類型的支持更難移除,。

樹狀支撐：這種結(jié)構(gòu)的支撐類似于樹枝的形狀。它用于支撐零件的懸掛部分,。它只連接到懸掛位置,。它的優(yōu)點(diǎn)是更容易拆卸并且不會(huì)對(duì)零件本身造成任何傷害。但需要注意的是,，樹狀支撐結(jié)構(gòu)只適用于非平面懸掛,。對(duì)于平面懸掛,，它不能提供足夠的支撐。

可以在打印部件底部和打印床之間的接觸區(qū)域添加支撐,，這是殘余應(yīng)力最集中的地方,。這有助于將熱量從部件中帶走，從而最大限度地減少可能導(dǎo)致開裂,、翹曲,、下垂、分層和收縮的熱變形,。

直接能量沉積 (DED)

直接能量沉積是通過直接熔化材料,、逐層堆積來制造零件。不同于粉末床熔融所成形部件周邊粉床可起到一定的支撐作用,，使用 DED 打印的部件完全獨(dú)立在三維空間內(nèi),，所以同樣需要支撐結(jié)構(gòu)以確保部件穩(wěn)定性、復(fù)雜特征的可打印性和散熱性,。

1,、支撐設(shè)計(jì)

在為采用粉末床熔合技術(shù)生產(chǎn)的零件設(shè)計(jì)支撐時(shí)，重要的是要確保它們易于脫離本體,，否則它們無法在后處理階段移除,。金屬部件的支撐通常打印為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。通過這種方式,，它們充當(dāng)散熱器,，將熱量從零件轉(zhuǎn)移走，使其以更可控的方式冷卻并避免變形,，同時(shí)節(jié)省材料成本和建造時(shí)間,。

添加更多支撐通常會(huì)產(chǎn)生更精確的零件，但這也會(huì)增加更多的成本和后處理時(shí)間,。有趣的是,，荷蘭公司 MX3D通過將多軸機(jī)械臂與焊接機(jī)相結(jié)合，創(chuàng)造了一種金屬 3D 打印工具,，可以在沒有支撐的情況下打印金屬零件,。



△MX3D的無支撐金屬3D打印工具

2、支撐去除

金屬部件的支撐去除通常比基于聚合物的工藝更困難,，并且通常需要切割工具,。此外，如果成品零件的外觀很重要,，則金屬零件還需要進(jìn)行后處理（例如打磨）以獲得光滑的表面光潔度,。

拆卸模型時(shí)，只要方法正確,，大部分支撐都非常容易拆卸,。首先,，你可以在可以用手操作的部分用手指輕輕掰開支架。對(duì)于特殊位置的地方,，我們可以選擇使用工具來拆除支架,，包括尖嘴鉗、刮刀,、雕刻刀等,。

立體光刻 (SLA)



△具有支撐結(jié)構(gòu)的立體光刻 SLA 3D 部件。[圖片來源：Formlabs]

立體光刻的工作原理是使用光源來固化液態(tài)樹脂,。對(duì)于這項(xiàng)技術(shù),，需要支撐結(jié)構(gòu)以將零件牢固地連接到打印床上并防止翹曲。

SLA 中使用的支撐非常薄,，為了節(jié)省材料,，只需輕輕接觸零件即可。這意味著它們很容易手動(dòng)移除,，無論是用手還是使用鉗子,。但是，由于移除支撐會(huì)在最終零件上留下痕跡,，因此需要打磨以確保光滑的表面光潔度。

1,、支撐設(shè)計(jì)

SLA 經(jīng)常用于需要外觀或光滑表面光潔度的應(yīng)用,，例如視覺原型、模具和助聽器,。如果是這種情況,，重要的是設(shè)計(jì)零件以確保打印件的前向區(qū)域不與支撐結(jié)構(gòu)接觸，這就是零件定位設(shè)計(jì)的作用,。

零件定位是設(shè)計(jì)階段的一個(gè)重要考慮因素,，因?yàn)橹匦露ㄎ涣慵�可以幫助減少所需的支撐量。例如,，管狀零件如果水平放置將占用更多空間,，因此需要更多支撐。相比之下,，同一部件如果垂直放置將確保部件以最少的支撐連接到構(gòu)建板上,。

熔融沉積成型 (FDM)



△熔融沉積FDM建模的支撐結(jié)構(gòu)

熔融沉積成型 （FDM，F(xiàn)usedDeposition Modeling）技術(shù)是通過逐層擠出加熱的細(xì)絲來創(chuàng)建零件,，每一層冷卻凝固后與前一層粘結(jié)到一起,。

1、支撐設(shè)計(jì)

FDM 工藝中的每一層都略微突出,，以便它可以擴(kuò)展到其先前層的寬度之外,。這意味著可以在沒有支撐的情況下創(chuàng)建角度最大為 45° 的特征,。但是，當(dāng) FDM 零件的懸垂超過 45° 或包含大于 5 毫米的橋梁和突出表面等特征時(shí),，將需要支撐,。FDM 的支撐可以采取網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的形式，或者樹狀結(jié)構(gòu),。

2,、支撐去除

用于從 FDM 打印件去除支撐的技術(shù)之一是化學(xué)溶解解決方。通常,，工業(yè) FDM 3D 打印機(jī)（帶有兩個(gè)打印頭）使用可溶解的支撐材料,，例如聚乙烯醇 (PVA) 和高抗沖聚苯乙烯 (HIPS)。這些材料可使用單獨(dú)的擠出機(jī)沉積到模型上,。

雖然 PVA 溶于水,，但它會(huì)受到溫度變化的影響，從而導(dǎo)致打印頭堵塞,。HIPS 溶于檸檬烯而不是水,，并且不易受溫度變化的影響。

使用可溶解的支撐無需手動(dòng)操作,，不需要進(jìn)一步打磨和拋光來去除支撐留下的痕跡,。另一方面，此過程可能很耗時(shí)（需要幾個(gè)小時(shí)）且成本高昂,。

材料噴射

使用材料噴射（Material Jetting）3D 打印機(jī)時(shí),，無論角度如何，懸垂結(jié)構(gòu)始終需要支撐,。然而,，這些支撐物通常由不同的材料制成，這些材料要么是水溶性的,，要么可以在事后使用加壓水或浸入超聲波浴中輕松去除,。

選擇性激光燒結(jié)和粘合劑噴射

選擇性激光燒結(jié)和粘合劑噴射都是基于粉末的技術(shù)，通常不需要任何支撐結(jié)構(gòu),。這是因?yàn)樵谶@兩種技術(shù)中,，打印部件都被封裝在起到支撐結(jié)構(gòu)作用的松散粉末中。

支撐的缺點(diǎn)

盡管需要支撐結(jié)構(gòu),，但它們會(huì)給整個(gè)生產(chǎn)過程增加額外的打印時(shí)間和材料成本,。

材料成本：支撐生成將在打印過程中需要額外的材料，從而增加時(shí)間和材料成本,。同樣重要的是要注意,，支架不可重復(fù)使用并且通常會(huì)被丟棄，從而導(dǎo)致材料浪費(fèi)。

有限的幾何自由度：手動(dòng)移除支撐時(shí),，在設(shè)計(jì)支撐時(shí)需要考慮手或工具的使用,。但是，這可能會(huì)限制您設(shè)計(jì)某些需要支撐結(jié)構(gòu)但無法用手或工具夠到的幾何形狀,。

額外的時(shí)間：設(shè)計(jì)一個(gè)零件來適應(yīng)支撐結(jié)構(gòu),，然后自己設(shè)計(jì)支撐需要額外的時(shí)間。盡管有提供自動(dòng)支撐生成的軟件,，但為工業(yè)應(yīng)用創(chuàng)建支撐結(jié)構(gòu)仍需要一些手動(dòng)修飾和一定水平的設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí),。

額外的后處理：零件完成后，必須移除支撐,，有時(shí)需要手動(dòng)移除,，從而增加后處理所需的時(shí)間。

損壞風(fēng)險(xiǎn)：在后處理過程中,，還需要去除支撐并拋光零件表面,。拆卸支架過程中的任何不當(dāng)操作，都會(huì)導(dǎo)致零件表面出現(xiàn)缺陷影響其尺寸精度和美觀,。此外,，當(dāng)支撐放置不正確時(shí)，例如在精細(xì)特征上,，更嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)斷裂,，。它們可能會(huì)與支撐結(jié)構(gòu)一起折斷,，導(dǎo)致本次打印徹底失敗,。

因此，采用支撐結(jié)構(gòu)也有一定的弊端,，應(yīng)只在必要時(shí)才添加,。此外,，我們還可以避免使用倒角支撐,。倒角可以將懸掛位置變成角度小于45度的安全懸掛，避免了支撐的使用,，也保證了材料的高效利用,。

減少支撐的 4 種方法

盡可能減少所需支持的數(shù)量通常是一種很好的做法。這將有助于節(jié)省材料成本和生產(chǎn)時(shí)間,。這里有4 個(gè)關(guān)于如何最大限度地減少它們的使用,、節(jié)省打印時(shí)間和材料的重要建議：

1. 選擇最佳的零件方向

迄今為止，試驗(yàn)零件方向是減少所需支撐結(jié)構(gòu)數(shù)量的最佳方法之一,。選擇正確的零件方向會(huì)對(duì)打印時(shí)間,、成本和零件的表面粗糙度產(chǎn)生重大影響。

根據(jù)零件的方向（垂直,、水平或傾斜）,，可能需要更少或更多的支撐結(jié)構(gòu),。考慮以字母T的形狀打印的部分,。在以“T”正常方向放置時(shí),，字母的兩個(gè)分支都會(huì)在沒有支撐結(jié)構(gòu)的情況下倒塌。如果倒置一下零件的方向,，即以“⊥”型方向放置,，則不需要支撐。

這個(gè)例子演示了一個(gè)部件可以用不同的方式構(gòu)建,。零件的每一面都可以有不同的表面連接到打印床上,，這意味著對(duì)支撐的需求可能會(huì)有所不同，并且在很大程度上取決于零件的方向,。

另一個(gè)例子：在設(shè)計(jì)具有中空管狀特征的零件時(shí),，水平方向會(huì)占用更多空間，而垂直或成角度的方向會(huì)節(jié)省空間并減少所需的支撐數(shù)量,。

2.優(yōu)化支持結(jié)構(gòu)

當(dāng)無法避免支撐時(shí),，應(yīng)優(yōu)化它們以使用盡可能少的材料，并加快打印過程,。例如,，可以采用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，采用點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)支撐,，減少支撐體積,，節(jié)約材料。

對(duì)于許多 3D 打印工藝,，常用的支撐生成技術(shù)僅限于生產(chǎn)嚴(yán)格垂直的結(jié)構(gòu),。這些不是節(jié)省空間的，特別是當(dāng)打印床上方有許多區(qū)域需要支撐時(shí),。

相反,，創(chuàng)建樹狀支撐結(jié)構(gòu)可能是一種可行的選擇。這種支撐看起來像一棵分枝的樹,，與筆直的垂直結(jié)構(gòu)相比,，可以說消耗的材料減少了 75%。Autodesk Meshmixer 是可用于為 FDM,、SLA 和 DMLS 流程創(chuàng)建此類結(jié)構(gòu)的軟件工具之一,。

3. 使用圓角和倒角

使用圓角和倒角可以作為為大于 45 度的懸垂表面創(chuàng)建支撐結(jié)構(gòu)的替代解決方案。

倒角是傾斜或成角度的角或邊,，圓角是圓角或邊,。本質(zhì)上，這些特征將大于 45 度的角度轉(zhuǎn)換為 45 度或更小的角度，并且可以添加到零件的內(nèi)部或外部,。

4. 拆分打印零件的各個(gè)部分

對(duì)于非常復(fù)雜的 3D 模型,，單獨(dú)打印零件然后將它們組裝在一起通常是有意義的。這不僅可以減少支撐的數(shù)量,，還可以在節(jié)省材料的同時(shí)加快打印過程,。

但是，請(qǐng)記住,，如果需要組裝 3D 打印部件,，則它們必須沿相同方向打印，以便彼此正確貼合,。

3D打印支撐：很必要,，但也很令人苦惱

長期以來，支撐結(jié)構(gòu)一直被認(rèn)為是 3D 打印中必不可少的“缺點(diǎn)”,。然而,，最近硬件和軟件的進(jìn)步正在慢慢改變這種看法。

例如,，金屬 3D 打印機(jī)制造商Desktop Metal 最近為其工作室和生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)了一種名為“可分離支架”的解決方案,，并獲得了專利。這些 3D 打印金屬部件的支撐可以用手移除,。Desktop Metal 的可分離支撐通過使用陶瓷粉末作為零件表面和支撐結(jié)構(gòu)之間的界面層來工作,。在燒結(jié)過程之后，陶瓷層被溶解,，這樣支撐就可以很容易地從部件上移除,。



△DesktopMetal 開發(fā)的 Separable Supports™

PostProcess Technologies是另一家旨在簡化和加快 3D 打印部件的支撐去除步驟的公司。該公司為通過 FDM,、SLA,、PolyJet 和 CLIP 技術(shù)增材制造的零件提供一系列自動(dòng)化、免手動(dòng)操作的支撐移除解決方案,。

然而,，在支撐領(lǐng)域還有一家公司走得更遠(yuǎn)�,；�于粉末床熔�� Sapphire 系統(tǒng)背后的公司 Velo3D為其系統(tǒng)提供了一種稱為智能融合的技術(shù),，該技術(shù)能夠打印出復(fù)雜的金屬部件,，重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了幾乎無支撐打印,。與其他粉末床金屬系統(tǒng)相比，使用 Velo3D 的專有模擬軟件和閉環(huán)監(jiān)控,，生產(chǎn)零件所需的支撐最多可減少五倍,。

2021年，SLM Solutions 公司發(fā)布了“FreeFloat無支撐技術(shù)”，通過將多項(xiàng)技術(shù)的統(tǒng)一整合,，最終實(shí)現(xiàn)大幅減少或消除零件打印所需的支持結(jié)構(gòu),。





2022年，來自E0S的專家開發(fā)了多種工藝優(yōu)化技術(shù)來生產(chǎn)無支撐結(jié)構(gòu)的 3D打印部件,，例如：定子環(huán),、外殼、渦輪泵,、油箱,、熱交換器、閥門和葉輪,，其中封閉式葉輪是較為典型的案例之一,。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件和參數(shù)包，E0S使用戶能夠以更低的角度（有時(shí)甚至零角度）打印懸臂和橋梁,，需要的支撐物少得多,，甚至沒有。


△EOS 無支撐打印的零件

當(dāng)然,，國產(chǎn)制造商在無支撐打印方面的進(jìn)展同樣是不遑多讓,。就在前不久，南極熊曾報(bào)道了3D打印龍頭廠商鉑力特攻破了無支撐打印的技術(shù)方案：30°以下懸垂結(jié)構(gòu)無需支撐,，鉑力特攻破無支撐SLM金屬3D打印技術(shù),。



△鉑力特?zé)o支撐打印的葉輪盤

而據(jù)南極熊了解，易加三維,、華曙高科等公司也已經(jīng)掌握了無支撐打印的技術(shù),，江南大學(xué)還開發(fā)空中無支撐3D打印陶瓷技術(shù)。

總體而言,，優(yōu)化支撐設(shè)計(jì)和移除是使 3D 打印工作流程更快,、更簡單的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。從上面的例子可以看出,，增材制造行業(yè)正在不斷開發(fā)解決方案來克服這一挑戰(zhàn),。然而，除了技術(shù)之外,，從業(yè)人員還需要更高的技能和知識(shí)水平才能成推出更佳的解決方案,。希望本期文章擴(kuò)展了你對(duì)如何更有效地在3D打印中使用支撐結(jié)構(gòu)的知識(shí)，從而幫助你把它們從敵人變成盟友,。