又愛又恨！3D打印中不可或缺的支撐結(jié)構(gòu)和無(wú)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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^(guò)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(guò)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(méi)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(lái)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(guò)直接熔化材料、逐層堆積來(lái)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(wú)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(guò)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(guò)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(méi)有支撐的情況下打印金屬零件。



△MX3D的無(wú)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(lái)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(lái)源：Formlabs]

立體光刻的工作原理是使用光源來(lái)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(wú)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(jué)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(guò)逐層擠出加熱的細(xì)絲來(lái)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(méi)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(guò) 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(wú)需手動(dòng)操作，不需要進(jìn)一步打磨和拋光來(lái)去除支撐留下的痕跡。另一方面，此過(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(wú)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(lái)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(guò)程中，還需要去除支撐并拋光零件表面。拆卸支架過(guò)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)�？紤]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(méi)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(wú)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(guò)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(lái)像一棵分枝的樹，與筆直的垂直結(jié)構(gòu)相比，可以說(shuō)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(guò)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(zhǎng)期以來(lái)，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(guò)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(lái)工作。在燒結(jié)過(guò)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(jiǎn)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(guò) 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)�；�于粉末床熔融 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(wú)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(wú)支撐技術(shù)”，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)。





2022年，來(lái)自E0S的專家開發(fā)了多種工藝優(yōu)化技術(shù)來(lái)生產(chǎn)無(wú)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(guò)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(méi)有。


△EOS 無(wú)支撐打印的零件

當(dāng)然，國(guó)產(chǎn)制造商在無(wú)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(wú)支撐打印的技術(shù)方案：30°以下懸垂結(jié)構(gòu)無(wú)需支撐，鉑力特攻破無(wú)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(wú)支撐打印的技術(shù)，江南大學(xué)還開發(fā)空中無(wú)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(jiǎn)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(lái)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。