違背常識(shí)的“憑空造物”！盤點(diǎn)全球11種金屬及非金屬材料無(wú)支撐3D打印技術(shù)

南極熊導(dǎo)讀：我們都知道，由于受到地球重力的影響，3D打印的很多懸空度比較大的零件都要通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，否則懸空結(jié)構(gòu)多會(huì)因?yàn)樽灾囟�發(fā)生坍塌。所以，無(wú)支撐3D打印一直以來(lái)都是違背常識(shí)的存在。不過(guò)，科技都是在一次次的突破人類固有的常識(shí)中取得進(jìn)步的，那些之前不敢想的、不敢做的后來(lái)也都被一一實(shí)現(xiàn)。今天，南極熊就來(lái)帶你盤點(diǎn)一下當(dāng)下已經(jīng)出現(xiàn)了的11種無(wú)支撐3D打印技術(shù)。

SLM Free Float

廠家：SLM Solutions

代表產(chǎn)品：無(wú)支撐金屬3D打印技術(shù)（FreeFloat）

發(fā)布時(shí)間：2021年6月23日

SLM Solutions于2021年6月份線上發(fā)布一款改變行業(yè)規(guī)則的跨時(shí)代產(chǎn)品——無(wú)支撐金屬3D打印技術(shù)（（Free Float），它賦予了增材技術(shù)全新的設(shè)計(jì)能力以及無(wú)與倫比的創(chuàng)造能力，為金屬增材制造帶來(lái)了更多的可能性。

這項(xiàng)“無(wú)支撐”技術(shù)最大的特點(diǎn)，就是減少甚至取消了以往打印過(guò)程中結(jié)構(gòu)件必須用到的支撐件，由于支撐機(jī)構(gòu)的存在導(dǎo)致3D打印的預(yù)處理和后處理過(guò)程非常耗時(shí)，同時(shí)也增加了材料成本以及限制了零件設(shè)計(jì)自由度。在提升金屬零部件生產(chǎn)力的同時(shí)，減少總體的材料使用，從而降低最終零部件的制造成本，實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模的批量化生產(chǎn)。

全新亮相的Free Float無(wú)支撐技術(shù)是SLM Solutions通過(guò)不斷探索與創(chuàng)新中實(shí)現(xiàn)的又一突破，通過(guò)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)。

△tct展會(huì)期間，SLM Solution展示的由無(wú)支撐打印技術(shù)制成的結(jié)構(gòu)件

總的來(lái)說(shuō)，該技術(shù)具有以下諸多優(yōu)點(diǎn)：

1)      大幅減少或取消支撐結(jié)構(gòu)，減少后處理工作量

2)      擴(kuò)大內(nèi)部冷卻流道的直徑，提升冷卻性能

3)      可打印更精確的薄壁結(jié)構(gòu)及更尖銳的邊緣結(jié)構(gòu)

4)      改善零部件表面光潔度

5)      減少?gòu)?fù)雜幾何圖形的翹曲情況

△SLM Solutions通過(guò)無(wú)支撐金屬3D打印技術(shù)制造出的零件

VELO3D Support Free Geometries

廠家：VELO3D

代表產(chǎn)品：Support Free Geometries無(wú)支撐金屬3D打印技術(shù)/藍(lán)寶石DMLS系統(tǒng)

發(fā)布時(shí)間：2021年9月

VELO3DMetal，成立于2014年,總部位于美國(guó)加州舊金山灣區(qū)，是一家數(shù)字制造公司，它是是一家直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）增材制造系統(tǒng)和打印準(zhǔn)備軟件的開(kāi)發(fā)商，發(fā)明了Support Free Geometries無(wú)支撐金屬3D打印技術(shù)。

該公司于2018年在國(guó)際制造技術(shù)展（IMTS）上首次披露了其藍(lán)寶石DMLS系統(tǒng)。藍(lán)寶石系統(tǒng)的關(guān)鍵是VELO3D的智能融合技術(shù)，它可以模擬和預(yù)測(cè)零件變形，消除支撐結(jié)構(gòu)。智能融合工藝通過(guò)調(diào)整零件設(shè)計(jì)來(lái)平衡變形，并配合前饋閉環(huán)熔池控制和原位計(jì)量數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，生產(chǎn)出的零件幾乎沒(méi)有支撐結(jié)構(gòu)。

△Velo3D Sapphire 金屬3D打印機(jī)構(gòu)建室，是圓柱形的

在今年9月份的RAPID+TCT2021展會(huì)上，VELO3D在藍(lán)寶石3D生產(chǎn)打印機(jī)上引入了首個(gè)3D金屬打印的無(wú)支撐功能。 通過(guò)減少金屬增材制中對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的需求，這可以實(shí)現(xiàn)無(wú)限的設(shè)計(jì)創(chuàng)新。此外，VELO3D開(kāi)發(fā)了一個(gè)完整解決方案，包括VELO 3D制造商可以使用Flow™打印準(zhǔn)備軟件，Sapphire®激光粉末床AM系統(tǒng)和Assure™質(zhì)量保證軟件。其3D打印專利技術(shù)SupportFree Powder Bed Fusion（無(wú)支撐粉末床金屬3D打�。﹥�(yōu)于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，因?yàn)樵诖蛴∵^(guò)程中不使用支撐。

△無(wú)支撐3D打印演示

Incus

廠家：Incus

代表產(chǎn)品：液態(tài)光固化金屬3D打印制造（LMM）技術(shù)

發(fā)布時(shí)間：Formnext 2019

在Formnext 2019上，Incus首次公開(kāi)了其光固化金屬3D打印制造（LMM）技術(shù)。其Hammer系列機(jī)器使用光聚合技術(shù)低成本地3D打印高精度的金屬部件，例如散熱器和鉆頭，具有良好的結(jié)構(gòu)和良好的表面光滑度。

如今的制造市場(chǎng)，對(duì)于能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜幾何形狀進(jìn)行批量生產(chǎn)和功能性原型3D打印技術(shù)的需求量很大，Incus表示，除了小批量生產(chǎn)零件外，LMM技術(shù)一種很好的低成本的技術(shù)。它在質(zhì)量上與金屬注射成型或MIM相媲美。據(jù)說(shuō)其旗艦產(chǎn)品Hammer Lab35 3D打印機(jī)可以打印200克以下的零件，具有出色的機(jī)械性能，使用工業(yè)級(jí)光引擎橫向分辨率為35 μm，打印速度高達(dá)100 cm3/ h。此外，它使用的原料具有自支撐功能，允許在單個(gè)打印平臺(tái)上對(duì)不同幾何形狀進(jìn)行體積優(yōu)化放置，而無(wú)需任何支撐結(jié)構(gòu)。

△無(wú)支撐液態(tài)光固化金屬3D打印機(jī)主要結(jié)構(gòu)

凝膠點(diǎn)膠打印技術(shù)（GDP）

以色列公司Massivit 3D針對(duì)打印大型物件，研發(fā)了一種獨(dú)特的3D打印技術(shù)，尤其適合需要很多支撐的懸挑和多角的結(jié)構(gòu)。

凝膠點(diǎn)膠打印技術(shù)所用的打印機(jī)需要一個(gè)可移動(dòng)的起重機(jī)架來(lái)紫外光源照射光敏材料。一旦紫外線照射到某個(gè)區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的光敏性凝膠就會(huì)固化成堅(jiān)固的聚合物。結(jié)合該公司的專有軟件和特殊光敏性凝膠，分布式凝膠打印技術(shù)可以在沒(méi)有支撐的情況下輕易打印直立墻壁和天花板。

這項(xiàng)技術(shù)結(jié)合了FDM和SLA的雙重優(yōu)點(diǎn)，它使用類似FDM的工作方式，以SLA的工作原理進(jìn)行打印。請(qǐng)把FDM機(jī)器的噴頭想象成一個(gè)UV燈，這個(gè)燈沿著打印路徑飛快移動(dòng)，固化路徑上的凝膠。

Xolo體積3D打印

發(fā)布者：xolo公司

代表產(chǎn)品：無(wú)需支撐的光固化3D打印——X線照相體積3D打印技術(shù)

發(fā)布時(shí)間：2020年12月

△X交叉光片照相體積光固化3D打印機(jī)

2020年12月23日，德國(guó)科學(xué)家在頂級(jí)期刊《nature》上重磅發(fā)布了一篇名為“xolography for linear volumetric 3D printing”的論文，并就這項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)立了一家名為xolo的公司。這篇論文中公布了一種被稱為X線照相體積的3D打印技術(shù)，該技術(shù)允許以高達(dá)25微米的特征分辨率和55立方毫米/秒的固化速度3D打印物體。

xolography的方法并不像其他3D打印過(guò)程那樣依靠堆疊來(lái)3D打印對(duì)象，它是通過(guò)很多不同的角度將“射線光片”投射到透明樹(shù)脂桶中，然后選擇光的波長(zhǎng)來(lái)激活被稱為雙色光引發(fā)劑(DCPIs)的分子，進(jìn)而引發(fā)樹(shù)脂聚合，使單層薄片固化。Xolo還表示無(wú)論模型有多么復(fù)雜，X線照相光固化3D打印技術(shù)都不需要支撐結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)榇蛴∽鳂I(yè)的松散部分暫時(shí)被周圍的粘性樹(shù)脂支撐。

Xolo解析說(shuō)，光敏樹(shù)脂材料單體的交聯(lián)，會(huì)導(dǎo)致密度變化，從而導(dǎo)致零件在重力作用下的下沉速率不同。樹(shù)脂的高打印速度和粘度使這種影響最小化，因此零件的下沉僅在制造完成后才變得明顯。

更為重要的是，論文表明該項(xiàng)技術(shù)的打印速度是雙光子3D打印技術(shù)的10,000-100,000倍。而且雙光子技術(shù)只能打印一些很小的物體，并且打印速度非常慢。但X線體積3D打印意味著大約每小時(shí)可以3D打印固化一升材料；如果使用更強(qiáng)大的激光光源和更精細(xì)的樹(shù)脂，打印速度將大大提高。

△X交叉光片照相體積3D打印技術(shù)原理

德國(guó)Fraunhofer研究所

發(fā)布者：德國(guó)Fraunhofer研究所與Rapid Shape公司

代表產(chǎn)品：TwoCure（雙固化）的全新樹(shù)脂3D打印技術(shù)

發(fā)布時(shí)間：2017年11月

△TwoCure技術(shù)的打印成品

2017年11月，德國(guó)Fraunhofer研究所與Rapid Shape公司合作研發(fā)了出了一種名為TwoCure（雙固化）的全新樹(shù)脂3D打印技術(shù)，而使用它完全不需要打印支撐結(jié)構(gòu)。

TwoCure技術(shù)的奧秘在于采用了“光固化”和“熱固化”兩種方法，正如其名所示。實(shí)際工作時(shí)，它會(huì)像DLP（數(shù)字光處理）技術(shù)一樣，用投影儀將對(duì)象的橫截面影像投射到樹(shù)脂上，實(shí)現(xiàn)“光固化”，逐層打印出物體。但同時(shí)，它還會(huì)通過(guò)加熱“熱固化”沒(méi)有被“光固化”部分的樹(shù)脂（也是逐層），令其變?yōu)橐环N類似“蠟”的狀態(tài)。而在整個(gè)過(guò)程中，這部分就起到了支撐的作用。

△TwoCure技術(shù)原理

BlackBelt

發(fā)布者：BlackBelt

代表產(chǎn)品：傳送帶3D打印機(jī)

與普通打印機(jī)相比，BlackBelt最大的不同有兩點(diǎn)：第一，就是用傳送帶替換了垂直升降平臺(tái)（Z軸），所以能實(shí)現(xiàn)連續(xù)打印和超長(zhǎng)打印。正如下面的圖片所示，在末端加上一個(gè)收集器，就能在無(wú)需人工看護(hù)的情況下實(shí)現(xiàn)連續(xù)打印。而放置一個(gè)滾筒架，就能進(jìn)一步提高打印長(zhǎng)度，理論上可以達(dá)到無(wú)限。需要指出的是，傳送帶是用碳纖維復(fù)合材料制作的，粘性很強(qiáng)，并且經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格的測(cè)試，所以可以確保打印過(guò)程中打印件的穩(wěn)定。

第二，則是將打印頭的運(yùn)動(dòng)平面（X、Y軸）由水平改為了傾斜，所以打印大部分形狀都不需要支撐，但在打印某些形狀時(shí)還是需要首先打印一個(gè)起支撐作用的“起始結(jié)構(gòu)”。正如下圖這架戰(zhàn)斗機(jī)，其前端與傳送帶并不接觸，所以打印前就需要首先打印一個(gè)楔形結(jié)構(gòu)（紅色部分）。據(jù)開(kāi)發(fā)人員介紹，BlackBelt的最佳打印角度是45°，但這個(gè)數(shù)字也可以根據(jù)具體需求調(diào)整為15°、 25°和34°。

MIT凝膠3D打印

發(fā)布者：MIT

代表技術(shù)：快速液體打�。≧LP）

著名美國(guó)高校麻省理工學(xué)院（MIT）的最新研究——快速液體打�。≧LP），由該校自組裝實(shí)驗(yàn)室（Self-Assembly Lab）與密歇根家具制造商Steelcase聯(lián)合開(kāi)發(fā)，該項(xiàng)技術(shù)最大的亮點(diǎn)就是打印完全不需要支撐，并且尺寸可以非常大，因?yàn)槠湔麄�(gè)過(guò)程并不是發(fā)生在空氣中，而是在凝膠中，就像下面這樣：

凝膠在打印過(guò)程中起到了支撐和穩(wěn)定的作用。實(shí)際打印時(shí)，噴嘴會(huì)擠出兩種液態(tài)聚氨酯材料。隨后，該材料便會(huì)在化學(xué)作用下在幾分鐘之內(nèi)固化。最后只要將固化的結(jié)構(gòu)取出再?zèng)_洗干凈，你就得到最終產(chǎn)品了。

由于盛放凝膠的容器可以做得很大，這種方法的打印尺寸自然也就可以很大。而且，因?yàn)槟�膠會(huì)充滿整個(gè)容器，所以打印任何結(jié)構(gòu)都可以一次成型。另外，這種方法能使用的原材料也不只是聚氨酯，還有橡膠、塑料等其它常見(jiàn)的工業(yè)原料。所以，它有望令當(dāng)前的3D打印行業(yè)發(fā)生很大改變，最終應(yīng)用到許多行業(yè)中，尤其是定制辦公家具方面。

波音公司空間懸浮3D打印技術(shù)

發(fā)布者：波音公司

代表技術(shù)：空間懸浮3D打印技術(shù)

發(fā)布時(shí)間：2016年2月4日

△空間懸浮3D打印技術(shù)原理簡(jiǎn)圖

航空巨頭波音公司曾研發(fā)了一項(xiàng)新的3D打印技術(shù)：空間懸浮3D打印技術(shù)。該技術(shù)最大的亮點(diǎn)在于，被打印物體會(huì)處于懸浮狀態(tài)，并且能夠360度自由旋轉(zhuǎn)。這樣，即便周圍有很多臺(tái)3D打印機(jī)，也不用怕任意堆疊材料了。有了這種技術(shù)，就完全破處了對(duì)某些形狀的3D打印限制，可實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜零部件的整體3D打印。

△3D打印材料是可以旋轉(zhuǎn)的，3D打印機(jī)甚至可以將材料添加到對(duì)象表面的底部

△波音公司研發(fā)的空間懸浮3D打印技術(shù)

我們都知道，作為地球上的任何東西，都無(wú)法擺脫重力的束縛，所以在打印物體時(shí)，就需要一個(gè)打印床作為支撐，以自上而下的方式打印物體，而波音公司的這項(xiàng)技術(shù)將徹底擺脫這種限制。它利用多個(gè)打印機(jī)同時(shí)擠出具有抗磁性的材料，而且這種材料在進(jìn)行超級(jí)冷卻以后會(huì)變成超導(dǎo)體。實(shí)際上，由于3D打印對(duì)象被磁場(chǎng)支持著，打印機(jī)可以將材料沉積在對(duì)象的任何一邊，傳統(tǒng)的3D打印機(jī)只能進(jìn)行自上而下的打印，空間懸浮3D打印技術(shù)完全可以不受這種順序的束縛。有了這項(xiàng)技術(shù)，被打印物體的每個(gè)部分都是懸浮的。這就意味著，今后的3D打印物體可能再也不需要支撐結(jié)構(gòu)了。

IAAC

發(fā)布者：西班牙加太羅尼亞國(guó)家建筑學(xué)會(huì)（IAAC）

代表產(chǎn)品：反重力建模技術(shù)

△“MATAERIAL”反重力3D打印技術(shù)

由于受到重力的限制，當(dāng)下的3D打印技術(shù)只能在水平操控平臺(tái)上完成打印。來(lái)自西班牙加泰羅尼亞高等建筑學(xué)院（IAAC）和荷蘭阿姆斯特丹Joris Laarman工作室的一群科研人員研制出一種名為“MATAERIAL”的反重力3D打印技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)可以通過(guò)調(diào)整3D打印過(guò)程中，機(jī)器處理模型傾斜度、平滑度和尖銳角度的方法，讓我們不會(huì)再看到打印中的模型在自己面前轟然崩塌的慘劇。

他們的目標(biāo)是反重力建模技術(shù)可以擺脫傳統(tǒng)的制造空間和支撐材料的限制，制造出幾乎所有大小和形狀的物體。這項(xiàng)技術(shù)可以向外擠壓熱熔型聚合物，這些聚合物材料可以在不同角度瞬間凝固成一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，它可以輕易附著在垂直立面上進(jìn)行多方向打印，打印出的曲線幾乎可以在空間中自由伸展并且無(wú)需支撐。

△“MATAERIAL”技術(shù)用三維曲線代替二維打印層

ADAM

發(fā)布者：謝菲爾德大學(xué)增材制造研究中心（ADAM）

代表技術(shù)：無(wú)錨的”選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（ASLS）

位于英格蘭第四大城市謝菲爾德市的謝菲爾德大學(xué)增材制造研究中心（ADAM）的Neil教授和他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種新的激光燒結(jié)技術(shù)，通過(guò)把低溫熔體金屬粉末燒結(jié)成3D打印模型，進(jìn)而擺脫支撐對(duì)3D打印結(jié)構(gòu)的束縛，這種技術(shù)被稱為“無(wú)錨的選擇性激光燒結(jié)技術(shù)”。

無(wú)錨的選擇性激光燒結(jié)技術(shù)基于冶金學(xué)中的“低共熔合金”技術(shù)，這種合金會(huì)在一個(gè)較低的溫度（低共熔點(diǎn)）急劇凝固，舉個(gè)例子，鋁的熔點(diǎn)是660攝氏度，硅的熔點(diǎn)是1414攝氏度，但是，硅鋁合金的低共熔點(diǎn)只有577攝氏度。如果它們能夠進(jìn)一步加快這一硬化過(guò)程，再?gòu)?fù)雜的幾何形態(tài)，在應(yīng)力點(diǎn)上都可以免去支撐結(jié)構(gòu)。

△“低共熔合金”技術(shù)簡(jiǎn)圖

上圖顯示了“低共熔合金”技術(shù)的簡(jiǎn)略過(guò)程：先加熱粉床，混合兩種粉末；激光將兩種粉末燒結(jié)成新的共熔合金；最后把粉床溫度控制在低共熔點(diǎn)溫度上，保持模型溫度均勻冷卻。

模型需要依靠支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)件是3D打印過(guò)程中一個(gè)很大的障礙，支撐就好比是一個(gè)“錨”，模型的打印需要圍繞這個(gè)錨點(diǎn)來(lái)進(jìn)行構(gòu)建，只有這樣，機(jī)器才能打印出懸伸出去的部分，無(wú)錨選擇性激光燒結(jié)技術(shù)改變的就是傳統(tǒng)的打印方式，打印過(guò)程中，為了轉(zhuǎn)移或者減小某一結(jié)構(gòu)上過(guò)大的壓力，通常需要增加一個(gè)錨點(diǎn)（即支撐點(diǎn)），無(wú)錨選擇性激光燒結(jié)技術(shù)正好在低溫狀態(tài)下急速固化模型以減輕壓力。

結(jié)語(yǔ)

3D打印技術(shù)本身就是一項(xiàng)非常節(jié)省成本的工藝技術(shù)，如果能實(shí)現(xiàn)3D打印的無(wú)支撐化，將實(shí)現(xiàn)制造業(yè)真正的“零損耗”，因此，為企業(yè)節(jié)省巨大的能源、材料和時(shí)間成本是這一技術(shù)最大的價(jià)值。

盡管3D打印聽(tīng)起來(lái)非�？犰�，但真正接觸過(guò)他的人都知道，它那漫長(zhǎng)且必要、枯燥又無(wú)味的支撐去除過(guò)程總是一個(gè)讓人郁悶的問(wèn)題，這也使得無(wú)數(shù)3D打印愛(ài)好者望而卻步。所以，如果這種無(wú)支撐3D打印技術(shù)真正能得以應(yīng)用，那將意味著消費(fèi)者從此以后再也不需要在模型的后期處理上花大量時(shí)間和精力。南極熊認(rèn)為，這也會(huì)是一項(xiàng)顛覆性的技術(shù)革新，所以我們對(duì)這種技術(shù)的成功應(yīng)用還是抱有非常大的期待的。