又愛又恨,！3D打印中不可或缺的支撐結構和無支撐技術

南極熊導讀：支撐結構是成功生產(chǎn) 3D 打印部件的重要部分之一,。雖然 3D 打印的一個關鍵優(yōu)勢是它能夠創(chuàng)建自由形式和復雜的幾何形狀,，但如果不使用支撐結構，3D打印提供的大部分設計自由度是難以實現(xiàn)的。

支撐對于防止零件變形和塌陷以及其他用途至關重要,，所以，學習認識和設計支撐結構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構在不同打印技術的添加要求、優(yōu)缺點,、去除以及如何最大限度地減少支撐的使用,。

支撐結構在3D 打印中的重要性

與幾乎所有 3D 打印技術一起使用，支撐結構有助于確保零件在 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,。



具有復雜設計特征（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,，當打印件有懸空或橋接結構時,，如果不使用支撐結構，會在打印過程中造成零件變形,，甚至導致零件坍塌,，而支撐結構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構都需要額外的支撐,。因為,，當懸掛結構的垂直角度小于45度時，懸掛結構不需要支撐,。當這種結構的垂直角度小于45度時,，3D打印機在相鄰層上的水平偏移很小，使得上層疊加在一個偏移很小的層上,，那么每一層都可以提供支撐下一個級別,。因此，45度角是一個臨界角,。任何小于 45 度的角度都不需要支撐,。當然，這也需要根據(jù)打印機的性能和材料的性質(zhì)來確定,。如果打印機的性能不好,，也可能需要小于 45 度角的支撐,。

此外，由于像金屬3D打印這樣的技術一般都會涉及高溫過程,，這時的支撐也可以充當散熱器作用,。這是因為金屬增材制造過程中所添加的支撐結構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)生殘余應力,，避免變形,、翹曲和開裂等缺陷的形成。

當然,，并非只有金屬3D打印才會添加支撐,，幾乎所有 3D 打印技術都需要在某種程度上考慮添加支撐結構。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 (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 (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）

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

線性支撐：這種類型的支撐由連接到整個懸掛結構的垂直立柱組成,。但這種類型的支持更難移除,。

樹狀支撐：這種結構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)點是更容易拆卸并且不會對零件本身造成任何傷害。但需要注意的是,，樹狀支撐結構只適用于非平面懸掛,。對于平面懸掛，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 打印的部件完全獨立在三維空間內(nèi),，所以同樣需要支撐結構以確保部件穩(wěn)定性、復雜特征的可打印性和散熱性,。

1,、支撐設計

在為采用粉末床熔合技術生產(chǎn)的零件設計支撐時，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)格結構。通過這種方式,，它們充當散熱器,，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,，同時節(jié)省材料成本和建造時間,。

添加更多支撐通常會產(chǎn)生更精確的零件，但這也會增加更多的成本和后處理時間,。有趣的是,，荷蘭公司 MX3D通過將多軸機械臂與焊接機相結合，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行后處理（例如打磨）以獲得光滑的表面光潔度,。

拆卸模型時，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)



△具有支撐結構的立體光刻 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,。對于這項技術，需要支撐結構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移除,，無論是用手還是使用鉗子。但是,，由于移除支撐會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,、支撐設計

SLA 經(jīng)常用于需要外觀或光滑表面光潔度的應用,，例如視覺原型、模具和助聽器,。如果是這種情況,，重要的是設計零件以確保打印件的前向區(qū)域不與支撐結構接觸，這就是零件定位設計的作用,。

零件定位是設計階段的一個重要考慮因素,，因為重新定位零件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建板上,。

熔融沉積成型 (FDM)



△熔融沉積FDM建模的支撐結構

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

1、支撐設計

FDM 工藝中的每一層都略微突出,，以便它可以擴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 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,，將需要支撐。FDM 的支撐可以采取網(wǎng)格結構的形式,，或者樹狀結構,。

2、支撐去除

用于從 FDM 打印件去除支撐的技術之一是化學溶解解決方。通常,，工業(yè) FDM 3D 打印機（帶有兩個打印頭）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的擠出機沉積到模型上,。

雖然 PVA 溶于水,，但它會受到溫度變化的影響，從而導致打印頭堵塞,。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操作,，不需要進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（需要幾個小時）且成本高昂,。

材料噴射

使用材料噴射（Material Jetting）3D 打印機時,，無論角度如何，懸垂結構始終需要支撐,。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,。

選擇性激光燒結和粘合劑噴射

選擇性激光燒結和粘合劑噴射都是基于粉末的技術，通常不需要任何支撐結構,。這是因為在這兩種技術中,，打印部件都被封裝在起到支撐結構作用的松散粉末中。

支撐的缺點

盡管需要支撐結構,，但它們會給整個生產(chǎn)過程增加額外的打印時間和材料成本,。

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

有限的幾何自由度：手動移除支撐時,，在設計支撐時需要考慮手或工具的使用。但是,，這可能會限制您設計某些需要支撐結構但無法用手或工具夠到的幾何形狀,。

額外的時間：設計一個零件來適應支撐結構，然后自己設計支撐需要額外的時間,。盡管有提供自動支撐生成的軟件,，但為工業(yè)應用創(chuàng)建支撐結構仍需要一些手動修飾和一定水平的設計專業(yè)知識。

額外的后處理：零件完成后,，必須移除支撐,，有時需要手動移除，從而增加后處理所需的時間,。

損壞風險：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操作,，都會導致零件表面出現(xiàn)缺陷影響其尺寸精度和美觀,。此外，當支撐放置不正確時,，例如在精細特征上,，更嚴重的會導致結構斷裂，,。它們可能會與支撐結構一起折斷,，導致本次打印徹底失敗。

因此,，采用支撐結構也有一定的弊端,，應只在必要時才添加。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)時間,。這里有4 個關于如何最大限度地減少它們的使用,、節(jié)省打印時間和材料的重要建議：

1. 選擇最佳的零件方向

迄今為止，試驗零件方向是減少所需支撐結構數(shù)量的最佳方法之一,。選擇正確的零件方向會對打印時間,、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構�,？紤]以字母T的形狀打印的部分,。在以“T”正常方向放置時，字母的兩個分支都會在沒有支撐結構的情況下倒塌,。如果倒置一下零件的方向,，即以“⊥”型方向放置,，則不需要支撐。

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

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

2.優(yōu)化支持結構

當無法避免支撐時,，應優(yōu)化它們以使用盡可能少的材料，并加快打印過程,。例如,，可以采用拓撲優(yōu)化設計，采用點陣結構支撐,，減少支撐體積,，節(jié)約材料。

對于許多 3D 打印工藝,，常用的支撐生成技術僅限于生產(chǎn)嚴格垂直的結構,。這些不是節(jié)省空間的，特別是當打印床上方有許多區(qū)域需要支撐時,。

相反,，創(chuàng)建樹狀支撐結構可能是一種可行的選擇。這種支撐看起來像一棵分枝的樹,，與筆直的垂直結構相比,，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)建此類結構的軟件工具之一,。

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)建支撐結構的替代解決方案。

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部分

對于非常復雜的 3D 模型，單獨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)省材料的同時加快打印過程。

但是,，請記住,，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，支撐結構一直被認為是 3D 打印中必不可少的“缺點”,。然而,，最近硬件和軟件的進步正在慢慢改變這種看法,。

例如,，金屬 3D 打印機制造商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構之間的界面層來工作。在燒結過程之后,，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 技術增材制造的零件提供一系列自動化,、免手動操作的支撐移除解決方案,。

然而，在支撐領域還有一家公司走得更遠,�,；�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，該技術能夠打印出復雜的金屬部件,，重點是實現(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”,，通過將多項技術的統(tǒng)一整合,，最終實現(xiàn)大幅減少或消除零件打印所需的支持結構。





2022年,，來自E0S的專家開發(fā)了多種工藝優(yōu)化技術來生產(chǎn)無支撐結構的 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)化設計軟件和參數(shù)包，E0S使用戶能夠以更低的角度（有時甚至零角度）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

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



△鉑力特無支撐打印的葉輪盤

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,，江南大學還開發(fā)空中無支撐3D打印陶瓷技術。

總體而言,，優(yōu)化支撐設計和移除是使 3D 打印工作流程更快,、更簡單的關鍵挑戰(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，除了技術之外,，從業(yè)人員還需要更高的技能和知識水平才能成推出更佳的解決方案,。希望本期文章擴展了你對如何更有效地在3D打印中使用支撐結構的知識，從而幫助你把它們從敵人變成盟友,。