“支撐障壁”如何破解？了解各類(lèi)無(wú)支撐3D打印技術(shù)原理或有啟發(fā)

南極熊對(duì)無(wú)支撐3D打印技術(shù)的關(guān)注由來(lái)已久（違背常識(shí)的“憑空造物”！盤(pán)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3D打印網(wǎng) - 平臺(tái) (nanjixiong.com)），這也是近兩年迅速崛起的一個(gè)新興方向。各大廠商紛紛投入研發(fā)，力求在這一領(lǐng)域取得突破。然而，公眾的關(guān)注度主要集中在金屬3D打印技術(shù)上。事實(shí)上，支撐結(jié)構(gòu)的使用幾乎是所有3D打印技術(shù)面臨的共同挑戰(zhàn)。因此，實(shí)現(xiàn)無(wú)支撐打印技術(shù)的突破，對(duì)整個(gè)3D打印行業(yè)而言，都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

在增材制造 (AM) 中，支撐通常用于構(gòu)建過(guò)程中以加固和維護(hù)正在創(chuàng)建部件的結(jié)構(gòu)。出于各種原因，這是必要的，具體取決于正在構(gòu)建的部件的尺寸和形狀。另一方面，無(wú)支撐打印是指開(kāi)發(fā)完全獨(dú)立于任何支撐結(jié)構(gòu)3D 打印部件的生產(chǎn)方法。在常規(guī)的增材制造過(guò)程中，支撐的放置位置經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，可防止熱應(yīng)力導(dǎo)致的變形，促進(jìn)熱量從熔化材料中轉(zhuǎn)移，并保護(hù)成型部件免受刮刀刮擦，刮刀刮擦可能會(huì)導(dǎo)致部件形狀在發(fā)生撞擊時(shí)發(fā)生破壞。它們還可以在構(gòu)建過(guò)程中為部件提供額外的剛性，例如，將其固定在構(gòu)建板上以保持其穩(wěn)定。

簡(jiǎn)言之，無(wú)支撐增材制造技術(shù)（Support-Free AdditiveManufacturing）是一種不需要使用支撐結(jié)構(gòu)的增材制造（3D打�。┘夹g(shù)，且允許構(gòu)建一個(gè)完全獨(dú)立的部件。這種技術(shù)通過(guò)優(yōu)化打印過(guò)程和設(shè)計(jì)，能夠在制造過(guò)程中避免或減少對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的需求，從而提高打印效率、降低材料浪費(fèi)和簡(jiǎn)化后處理步驟。其中典型的代表包括：金屬3D打印方向的Velo3D公司SupportFree 工藝、基于光固化原理的CLIP技術(shù)、江南大學(xué)的無(wú)支撐陶瓷成型技術(shù)，這些案例在后面會(huì)有進(jìn)一步的相關(guān)介紹。

為什么3D打印需要支撐結(jié)構(gòu)？

支撐結(jié)構(gòu)在3D 打印中的作用是為了防止它們因高加工溫度引起的殘余應(yīng)力而變形，這不僅會(huì)破壞部件，還會(huì)導(dǎo)致重涂機(jī)崩潰，尤其是針對(duì)金屬增材制造系統(tǒng)。所以，成型復(fù)雜構(gòu)件的很多幾何特征都需要支撐。在典型的金屬激光 PBF 系統(tǒng)中，幾乎總是需要支撐的幾何特征是懸垂、孔和通道結(jié)構(gòu)。

考慮到增材制造被認(rèn)為是可以生產(chǎn)具有更復(fù)雜特征的更復(fù)雜部件，因此，如果得知這只能通過(guò)添加多個(gè)支撐和/或違反直覺(jué)的構(gòu)建配置來(lái)實(shí)現(xiàn)，那么這可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)，而且坦率地說(shuō)會(huì)令人失望。誠(chéng)然，在聚合物 3D 打印中，支撐可能不是什么大問(wèn)題，因?yàn)樗鼈兛梢匀芙饣蜉p松去除。但是，對(duì)于金屬 3D打印，支撐可能難以去除（即使可以接觸到它們），在去除它們的表面上留下缺陷，并給整個(gè)工作流程增加大量的時(shí)間和材料成本。

懸垂結(jié)構(gòu)：通常是當(dāng)它們與水平面成 45 度以下時(shí)。您能想象一個(gè)典型組件中有多少個(gè)特征符合此標(biāo)準(zhǔn)？通常有很多。下面演示了當(dāng)角度低于 45 度時(shí)會(huì)發(fā)生什么。

△照片由Proto Labs 提供

這個(gè)問(wèn)題有三種解決方案：重新調(diào)整構(gòu)建室中的部件方向、重新設(shè)計(jì)部件或添加大量支撐。許多人選擇重新調(diào)整構(gòu)建室中的部件方向，但這也會(huì)帶來(lái)自身的問(wèn)題。以圓形部件為例，例如下圖所示的葉輪。

△無(wú)支撐葉輪

許多人通過(guò)將葉輪傾斜 45 度來(lái)制作此類(lèi)帶罩葉輪。傾斜打印的問(wèn)題在于，破壞部件的軸對(duì)稱(chēng)性會(huì)導(dǎo)致許多問(wèn)題。首先，任何旋轉(zhuǎn)部件的圓度都至關(guān)重要。當(dāng)以一定角度打印時(shí)，僅從尺寸穩(wěn)定性方面來(lái)看，圓度就很容易受到影響。此外，在 L-PBF 3D 打印的情況下，由于逐層工藝，Z 方向的機(jī)械性能可能與 X/Y 平面不同。因此，通過(guò)傾斜打印，最終機(jī)械性能會(huì)隨著圓圈的移動(dòng)而發(fā)生變化。這在部件承受高應(yīng)力的應(yīng)用中尤其成問(wèn)題。表面光潔度不一致是另一個(gè)問(wèn)題。表面光潔度在不同傾斜度下會(huì)有所不同。如果打印的是平面的，則不存在這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)椴町愔辽偈菍?duì)稱(chēng)的。有些人可能會(huì)說(shuō)后處理會(huì)解決這個(gè)問(wèn)題，這是真的——除非你有那些非常復(fù)雜的內(nèi)部特征，這些特征被大力吹捧為金屬增材制造的賣(mài)點(diǎn)。或者，磨粒流拋光是一種流行的解決方案，但它不會(huì)解決這些表面光潔度變化，除非去除大量（且通常數(shù)量不一致）的材料。

孔洞與通道結(jié)構(gòu)：人們普遍認(rèn)為，L-PBF 系統(tǒng)只能產(chǎn)生直徑約為 8-10 毫米的水平孔和通道，之后才需要支撐。可以進(jìn)行一些設(shè)計(jì)選擇來(lái)嘗試避免這種情況，但這些設(shè)計(jì)選擇都不理想。最常見(jiàn)的方法是將通道改為淚滴形、橢圓形或菱形（如下所述）。

有幾個(gè)原因可以解釋為什么這樣做并不可取。首先，設(shè)計(jì)中引入孔和通道的主要原因是：促進(jìn)流體（液體或氣體）的流動(dòng)。在大多數(shù)情況下，圓形是流體流動(dòng)最有效的形狀，而上述形狀肯定會(huì)對(duì)流體動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生不利影響。此外，淚滴形的頂部和菱形的角是嚴(yán)重的應(yīng)力集中器，當(dāng)涉及到加壓流體時(shí)，這是一個(gè)大問(wèn)題。有些人可能會(huì)建議將這些角倒圓，但這并不能完全消除應(yīng)力集中器，而只是減輕了應(yīng)力集中器的數(shù)量。順便說(shuō)一句，這對(duì)流體動(dòng)力學(xué)的情況肯定沒(méi)有幫助。

不同3D打印的無(wú)支撐成形原理

無(wú)支撐增材制造技術(shù)在不同的3D打印技術(shù)中采用了不同的方法和原理，以實(shí)現(xiàn)無(wú)需支撐結(jié)構(gòu)的打印。以下我們總結(jié)了幾種主流3D打印技術(shù)及其無(wú)支撐成形的原理，以期給予3D打印行業(yè)的相關(guān)從業(yè)者一些啟發(fā)和思考：

1. 激光粉末床融合（PowderBed Fusion，PBF）

原理：基于粉床鋪展原理的PBF技術(shù)包括選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）、選區(qū)激光熔化（SLM）和電子束熔融（EBM），是通過(guò)激光或電子束燒結(jié)粉末材料。打印過(guò)程中，未燒結(jié)的粉末可充當(dāng)自然支撐，支撐住打印過(guò)程中形成的懸垂結(jié)構(gòu)。目前，市面上曝光的無(wú)支撐金屬打印案例大都是在工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。金屬的無(wú)支撐打印技術(shù)具有多種優(yōu)勢(shì)：

• 可以處理多種材料，包括金屬和聚合物。
• 高精度和良好的力學(xué)性能。
• 可以打印復(fù)雜的幾何形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
• 未燒結(jié)的粉末可以回收利用，減少材料浪費(fèi)。
• 縮短生產(chǎn)周期，節(jié)省后處理資源
  

有關(guān)SLM技術(shù)無(wú)支撐打印研究最為普遍，因?yàn)樗�具有極強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。例如，常規(guī)的SLM設(shè)備工藝參數(shù)控制軟件在一個(gè)打印任務(wù)里只能固定一個(gè)工藝參數(shù)，在成形輪廓、下表面等懸垂部分時(shí)如果沒(méi)有支撐牽扯，就很容易被往復(fù)運(yùn)動(dòng)的刮刀“絆到”甚至刮走，導(dǎo)致零件變形。所以，需要實(shí)時(shí)可變激光光斑直徑、可變掃描速度、可變激光功率的工藝控制軟件，在成形這些特殊部位時(shí)轉(zhuǎn)換為定制的工藝參數(shù)：慢掃描速度，高激光功率，促進(jìn)這些區(qū)域的冶金結(jié)合。然而，這需要國(guó)內(nèi)控制軟件和設(shè)備開(kāi)發(fā)商做出進(jìn)一步的軟硬件和設(shè)備升級(jí)才能實(shí)現(xiàn)。國(guó)外的無(wú)支撐打印技術(shù)研發(fā)起步較早，開(kāi)發(fā)SupportFree工藝的Velo3D公司是較早的一批無(wú)支撐打印工藝的探索者，它可以完全不借助支撐件打印出小到幾分之一度的角度。因此，就上圖提及的葉輪而言，它可以平整地打印出來(lái)，無(wú)需內(nèi)部支撐，從而保持部件軸對(duì)稱(chēng)，并大大減少后處理�；蛘撸�使用 Velo3D SupportFree 工藝，也可以生產(chǎn)內(nèi)徑最大可達(dá) 100 毫米（~4 英寸）的孔和通道。允許內(nèi)徑增加 10 倍，大大打開(kāi)了日益復(fù)雜的內(nèi)部通道的設(shè)計(jì)窗口，真正實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)針對(duì)功能而非可制造性的優(yōu)化。

SLS技術(shù)是使用高功率激光燒結(jié)粉末材料（如尼龍、金屬粉末），將其逐層固化成形。超快聚合物 3D 打印技術(shù)（SLS）服務(wù)商N(yùn)exa3D公司開(kāi)發(fā)了一種名為ColdMetalFusion的金屬3D打印技術(shù)。ColdMetalFusion技術(shù)是一種使用聚合物 SLS 技術(shù)和粉末來(lái) 3D 打印金屬部件的工業(yè)化工藝，所使用的粉末原料將金屬成分結(jié)合在聚合物外部中，在激光燒結(jié)過(guò)程中充當(dāng)粘合劑，能夠快速生產(chǎn)無(wú)支撐的生坯零件。

△使用 Cold Metal Fusion 技術(shù) 3D 打印鈦零件。

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2. 定量能量沉積（DED）金屬打印技術(shù)

原理：通過(guò)定向能量源（如激光、電子束或等離子�。┤刍�材料（通常是金屬粉末或絲材），將其逐層沉積成形。通過(guò)優(yōu)化成形工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得熔融的原材料能夠及時(shí)固化并冶金結(jié)合到固體層上，進(jìn)而可以制造出無(wú)需額外的支撐結(jié)構(gòu)的構(gòu)件�；�于DED的無(wú)支撐打印技術(shù)可用于制造高強(qiáng)度、輕量化的復(fù)雜零部件，在航空航天、海洋軍事、汽車(chē)工業(yè)等領(lǐng)域有著實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

來(lái)自北京理工大學(xué)劉長(zhǎng)猛教授，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目支持下，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)突破了懸空結(jié)構(gòu)無(wú)支撐3D打印的技術(shù)難關(guān)，提出了脈沖電弧輔助熱絲的懸空結(jié)構(gòu)自由成形新工藝，建立了大型金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)3D打印新方法。該團(tuán)隊(duì)自主研制了多弧（10弧、16弧、40�。┎⑿�3D打印系列裝備，實(shí)現(xiàn)10米級(jí)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)3D打印以及效率量級(jí)提升，形成了超大規(guī)格金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)多弧并行3D打印技術(shù)體系。

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3. 基于片材的選擇性擴(kuò)散鍵合3D打印技術(shù)

原理：這是一種思路非常獨(dú)特的鋁合金金屬3D打印技術(shù)，不需要使用鋁合金粉末，而是使用鋁片，同時(shí)涉及到粘合劑粘合工藝和激光切割工藝，不需要脫脂燒結(jié)，已經(jīng)具備工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)的潛力。該技術(shù)由Alloy Enterprises開(kāi)發(fā)，選擇性擴(kuò)散鍵合技術(shù)涉及兩臺(tái)機(jī)器。第一個(gè)稱(chēng)為 Construct，分配片狀材料并用激光切割零件的輪廓；第二臺(tái)叫Bond machine，零件經(jīng)過(guò)擴(kuò)散粘合過(guò)程，將材料片熔合在一起，但涂有抑制劑的區(qū)域除外。在擴(kuò)散鍵合過(guò)程中，堆疊的板材變成一塊材料，其內(nèi)部水平和垂直嵌套了一些零件。然后支撐材料可以脫落以暴露部件。成形過(guò)程主要分為以下5個(gè)步驟：
（1）根據(jù)零件的輪廓和特征，使用激光把鋁片切割成薄片；
（2）有選擇地噴射抑制劑以創(chuàng)建原位支撐，以防止材料層結(jié)合，形成支撐、懸垂和其他復(fù)雜的幾何形狀；
（3）在進(jìn)行粘合過(guò)程之前，把切割好的板材放在一起；
（4）板材在熱和壓力下擴(kuò)散粘合，形成均勻、穩(wěn)定的冶金結(jié)合；
（5）無(wú)需專(zhuān)業(yè)工具即可輕松地從嵌套零件中去除支撐；
優(yōu)勢(shì)：

• 具備規(guī)�；�生產(chǎn)能力；
• 比傳統(tǒng)生產(chǎn)或傳統(tǒng)3D打印更經(jīng)濟(jì)、更具可持續(xù)性。
  

相關(guān)閱讀：（1）【新提醒】片材鋁合金3D打印新技術(shù)：原位支撐、無(wú)需脫脂燒結(jié)，Alloy完成A輪融資2600萬(wàn)美元-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺(tái) (nanjixiong.com)

4. 基于光固化的樹(shù)脂打印技術(shù)

原理：常見(jiàn)的立體光刻（Stereolithography，SLA）技術(shù)原理是使用光敏樹(shù)脂，通過(guò)紫外光逐層固化成形。使用優(yōu)化的打印路徑和參數(shù)，盡量減少懸垂部分的長(zhǎng)度和角度。高粘度樹(shù)脂在打印過(guò)程中具有一定的自支撐能力，能夠支撐起未固化的部分。一些改進(jìn)的SLA技術(shù)（如CLIP技術(shù)）可以通過(guò)快速連續(xù)打印減少對(duì)支撐的需求。體積打印技術(shù)則通常采用逐層光固化的方式，每一層固化后提供足夠的支撐。

優(yōu)勢(shì)：

• 高精度和光滑表面。
• 可打印復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。
  

連續(xù)液體界面生產(chǎn)（ContinuousLiquid Interface Production，CLIP）：CLIP是2015年面世的一項(xiàng)革命性光固化3D打印技術(shù)，斯坦福大學(xué)和美國(guó)Carbon3D公司對(duì)此有相關(guān)的研究報(bào)道。該技術(shù)是開(kāi)發(fā)的一種改進(jìn)的SLA技術(shù)，通過(guò)持續(xù)的氧氣滲透來(lái)抑制光聚合，形成一個(gè)液體界面，使得打印物體從液體樹(shù)脂中“拉出”。優(yōu)化的打印路徑和連續(xù)固化減少了支撐需求。該技術(shù)具有高速度和高精度，以及可打印大尺寸和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。

相關(guān)介紹：

（1) nanjixiong.com/forum.php?mod=viewthread&tid=119241&highlight=CLIP；

（2) 分辨率高達(dá)1.5微米，斯坦福大學(xué)推出micro-CLIP 3D 打印技術(shù)-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺(tái) (nanjixiong.com)

△基于微米級(jí)CLIP技術(shù)的3D打印機(jī)設(shè)置示意圖和打印過(guò)程。圖片來(lái)自《科學(xué)進(jìn)展》

體積打�。╒olumetricadditive manufacturing）：該技術(shù)原理是操縱不同角度的光線(xiàn)，從虛擬模型創(chuàng)建3D實(shí)體。算法是最重要的部分，需要獲取3D虛擬對(duì)象并以不同角度分解它，然后重新投影它，以在樹(shù)脂中創(chuàng)建3D對(duì)象，這一切都基于生成投影圖像的復(fù)雜算法。該技術(shù)可以在瞬間同時(shí)形成物體的所有幾何部分，使得打印速度非�？臁Ｓ捎谶@種光固化材料采用粘高粘度的樹(shù)脂，因此也不需要額外的支撐結(jié)構(gòu)。

這項(xiàng)革命性的技術(shù)曾于2019年2月登上全球頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Science》，題為：“Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction”。該技術(shù)的在于CAL算法，其工作原理就像反向計(jì)算機(jī)斷層（CT）掃描一樣，在CT機(jī)中，X射線(xiàn)管在患者周?chē)�旋轉(zhuǎn)，拍攝人體內(nèi)部器官的照片。然后，計(jì)算機(jī)再利用這些投影重構(gòu)出一幅3D畫(huà)面。在計(jì)算機(jī)模擬一個(gè)3D物體的情況下，研究人員從多個(gè)不同角度計(jì)算出物體的形狀，然后將由此產(chǎn)生的2D圖像輸入一臺(tái)普通的幻燈片投影儀。投影儀將圖像投射到一個(gè)裝著丙烯酸酯（一種合成樹(shù)脂）的圓柱形容器中。當(dāng)投影儀通過(guò)全方位覆蓋的圖像旋轉(zhuǎn)時(shí)，容器也以相應(yīng)的角度旋轉(zhuǎn)，使用DLP光源對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)容器內(nèi)特定位置的樹(shù)脂固化。

△“容積3D打印技術(shù)”機(jī)理

2020年12月，頂級(jí)期刊《nature》上重磅發(fā)布了另一篇論文：“Xolography for linear volumetric 3D printing”，可以理解為X線(xiàn)照相體積3D打印技術(shù)，文章作者來(lái)自德國(guó)勃蘭登堡應(yīng)用技術(shù)大學(xué)。xolography技術(shù)原理是一種雙光體積式3D打印工藝，與立體光刻技術(shù)一樣，利用光固化光刻膠。然而，在立體光刻技術(shù)中，當(dāng)光投射到裝有樹(shù)脂的大桶中時(shí)，會(huì)沿著整個(gè)光路進(jìn)行固化，而Xolography工藝則需要兩種不同波長(zhǎng)的光來(lái)聚合。藍(lán)光和紅光相交并同時(shí)與樹(shù)脂中的雙色光引發(fā)劑相遇，就會(huì)發(fā)生固化。與最先進(jìn)的體積3D打印方法相比，此技術(shù)的分辨率約為無(wú)反饋優(yōu)化的計(jì)算機(jī)軸向平版打印技術(shù)的十倍，并且體積生成速率比雙光子聚合3D打印技術(shù)高出四到五個(gè)數(shù)量級(jí)。

△X交叉光片照相體積3D打印樣品，物體直接在樹(shù)脂槽中凝固完成

在2022年，斯坦福和哈佛大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的體積3D打印方法，聲稱(chēng)能夠在不需要任何支撐結(jié)構(gòu)的情況下制造樹(shù)脂部件，技術(shù)成果以題為“Triplet fusion upconversion nanocapsules for volumetric 3D printing”的論文再次登上《nature》頂刊。斯坦福3D打印的方法看起來(lái)很像傳統(tǒng)的立體光刻 (SLA)。激光束照射在大桶中的樹(shù)脂上，當(dāng)它暴露在藍(lán)光下時(shí)會(huì)固化。然而，該團(tuán)隊(duì)聲稱(chēng)，他們并不僅僅使用標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)色激光，因?yàn)檫@樣會(huì)沿著穿透光束的整個(gè)長(zhǎng)度固化樹(shù)脂。相反，他們利用了一種特殊的樹(shù)脂，其中含有直徑僅為80納米的光轉(zhuǎn)換納米粒子。納米粒子的設(shè)計(jì)目的是在達(dá)到臨界能量閾值時(shí)，將紅光轉(zhuǎn)換為藍(lán)光。而這只有在激光，處于最大焦點(diǎn)時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。因此，該技術(shù)改用標(biāo)準(zhǔn)紅色激光，并具有稀釋和聚焦紅色激光的機(jī)制。該設(shè)置消除了僅能在表面層固化的可能，從而可以通過(guò)將紅色激光聚焦在XYZ坐標(biāo)上固化樹(shù)脂槽中的各個(gè)點(diǎn)。該團(tuán)隊(duì)表示，換句話(huà)說(shuō)，一個(gè)或多個(gè)激光器可以圍繞大桶旋轉(zhuǎn)，相當(dāng)于同時(shí)從任意方向進(jìn)行體積打印，從而實(shí)現(xiàn)制造任意幾何形狀時(shí)，無(wú)需支撐。

△最大焦點(diǎn)是樹(shù)脂將紅光變成藍(lán)光，從而固化材料的地方。圖片來(lái)自斯坦福大學(xué)

在商業(yè)化方面，Vitro3D公司、德國(guó)Xolo公司（xolography技術(shù)的開(kāi)發(fā)者）是近幾年有見(jiàn)報(bào)道的致力于將體積打印技術(shù)商用的公司。

相關(guān)報(bào)道：

（1) 《Science》革命性高速“容積3D打印技術(shù)”，被中國(guó)人質(zhì)疑抄襲自己專(zhuān)利-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺(tái) (nanjixiong.com)；

（2) "體積3D打印"技術(shù)開(kāi)源了，大家快來(lái)參與-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺(tái)(nanjixiong.com) ；

（3) Vitro3D：高維體積3D打印，無(wú)支撐、可打印高粘度樹(shù)脂材料-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺(tái) (nanjixiong.com)；

（4) Nature重磅：X交叉光片照相體積3D打印技術(shù)，Xolography無(wú)需支撐-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺(tái) (nanjixiong.com)

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5. 熔融沉積成型（FusedDeposition Modeling，F(xiàn)DM）

原理：FDM技術(shù)通過(guò)加熱熔融熱塑性材料，逐層沉積成形。通過(guò)優(yōu)化打印路徑，減少懸垂部分可以實(shí)現(xiàn)一定程度上的無(wú)支撐成形。此外，使用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的自支撐幾何形狀，如斜面、拱形等，也可以打印無(wú)需支撐材料的結(jié)構(gòu)。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

（1) 低成本，適用范圍廣。

（2) 使用不同顏色和類(lèi)型的材料，適合多樣化應(yīng)用。

2022年，瑞士溫特圖爾的應(yīng)用科學(xué)大學(xué)開(kāi)了一款名為RotBot的3D打印機(jī)，它是一臺(tái)經(jīng)過(guò)改進(jìn)的 Prusa MK3，帶有一個(gè) DUET 控制板，它有一個(gè)完全可旋轉(zhuǎn)的 45° 傾斜打印頭，能夠在沒(méi)有任何支撐的情況下打印懸垂的結(jié)構(gòu)。

在2023年2月，南極熊發(fā)現(xiàn)，國(guó)外工程師StevenMcCulloch通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和切片軟件，提出了弧形懸垂無(wú)支撐（Arc Overhangs）的新方法，該方法有望替代傳統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)，從而減少制造過(guò)程中的浪費(fèi)和后期加工。

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6. 漿料擠出打印（DIW）和光固化結(jié)合

原理：這是中國(guó)江南大學(xué)的科學(xué)家在開(kāi)發(fā)的一種3D打印無(wú)支撐復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)的新技術(shù)。這種陶瓷 3D 打印方法結(jié)合了直接墨水書(shū)寫(xiě) (DIW) 和近紅外 (NIR) 光誘導(dǎo)上轉(zhuǎn)換粒子輔助光聚合。作為兩步工藝的一部分，首先施加壓力以擠出陶瓷漿料。然后在漿料從噴嘴流出時(shí)，用 980 nm NIR 激光對(duì)準(zhǔn)漿料，通過(guò)光聚合立即固化并原位固化材料，這使得 3D 打印的陶瓷結(jié)構(gòu)可以“在空間中自由拉伸而無(wú)需支撐”。

該研究在2023年以題為“3Dprinting of unsupported multi-scale and large-span ceramic via near-infraredassisted direct ink writing”的論文發(fā)表在《自然通訊》上，重點(diǎn)介紹了新方法對(duì)直徑從0.41 毫米到 3.50 毫米的多尺度細(xì)絲的原位固化能力。類(lèi)似的方法也曾見(jiàn)于題為“3D Printing of Short-Carbon-Fiber-Reinforced Thermoset PolymerComposites via Frontal Polymerization”的論文中。但此類(lèi)方法也僅局限于簡(jiǎn)單線(xiàn)條路徑的無(wú)支撐成形，在成形更復(fù)雜的幾何構(gòu)型上仍有著很大挑戰(zhàn)，并無(wú)現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用意義。

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7. 粘結(jié)劑噴射（BinderJetting）

原理：該技術(shù)的無(wú)支撐成形原理與基于粉末床成形的技術(shù)相似，使用粘結(jié)劑將粉末材料逐層粘結(jié)成形，未粘結(jié)的粉末材料可提供自然支撐。粘結(jié)劑噴射技術(shù)在大批量打印零件方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)，尤其針對(duì)3C電子、汽車(chē)等行業(yè)，該技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)注射成形技術(shù)的替代。

優(yōu)勢(shì)：

• 高速度和低成本。
• 適合大批量生產(chǎn)
  

2022年，來(lái)自科羅拉多大學(xué)的研究人員提出了一種“液固共印”的打印機(jī)理，相關(guān)研究?jī)?nèi)容被發(fā)表在《Additive Manufacturing》中，題目為《Liquid-solid co-printing of multi-material 3D fluidic devices via material jetting》�！耙汗坦灿　笔侵冈诙嗖牧蠂娚溥^(guò)程中對(duì)固化和非固化材料進(jìn)行共沉積，利用液體作為支撐材料完成構(gòu)件的無(wú)支撐成形。在這一過(guò)程中，需要用到凝固材料，如相變油墨，在沉積后不久就會(huì)硬化并表現(xiàn)出剪切模量的急劇增加，而非凝固材料在沉積后仍是液體。在多材料噴射3D打印的背景下，研究人員將這兩類(lèi)材料結(jié)合起來(lái)，利用液體形成支撐，便于去除或者將液相材料嵌入到打印的多材料物體中。這種方法可以直接沉積化學(xué)反應(yīng)物，并解決了材料噴射增材制造中的一個(gè)長(zhǎng)期挑戰(zhàn)：如何在3D打印后清除長(zhǎng)的曲折的內(nèi)部通道。研究人員預(yù)計(jì)，多材料噴射的液固共印技術(shù)能夠打印流體邏輯電路、電化學(xué)傳感器和放大器等3D模型微小且復(fù)雜的部件。此外，來(lái)自以色列的Xjet公司是這一相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域值得關(guān)注的對(duì)象，該公司的專(zhuān)利納米顆粒噴射（NPJ）3D打印技術(shù)具有很高的成形精度和表面光潔度。

△液固共印機(jī)制示意圖

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總結(jié)

綜上可見(jiàn)，無(wú)支撐打印在不同的3D打印技術(shù)類(lèi)型中采用了不同的策略，通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化、材料選擇和工藝改進(jìn)等多個(gè)路徑，最終都可以實(shí)現(xiàn)無(wú)需支撐結(jié)構(gòu)的高效打印。無(wú)支撐打印技術(shù)的突破不僅提高了打印效率和質(zhì)量，還減少了材料浪費(fèi)和后處理步驟。盡管目前業(yè)內(nèi)在工業(yè)級(jí)應(yīng)用上并未完全實(shí)現(xiàn)100%的無(wú)支撐打印，但相信隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，這一難題終將被完全攻克！