眾所周知，增材制造的優(yōu)勢(shì)之一便是為創(chuàng)建復(fù)雜形狀的部件提供設(shè)計(jì)靈活度。然而，想要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)模型，往往需要添加一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)。雖然乍一看，似乎是一個(gè)簡(jiǎn)單的概念，但是當(dāng)你為打印件配置3D打印支撐時(shí)，往往會(huì)伴隨一系列的問題：什么時(shí)候需要添加支撐結(jié)構(gòu)？如何移除？使用支持結(jié)構(gòu)的打印件會(huì)有什么缺點(diǎn)？為了回答這些問題，我們深入研究了支撐在增材制造中的有效使用。

根據(jù)所選用的3D打印技術(shù)和設(shè)計(jì)復(fù)雜性，支撐物的類型和功能會(huì)有所不同。在FDM 3D打印中支撐結(jié)構(gòu)便有以下兩個(gè)規(guī)則。

45度規(guī)則：指的是3D打印機(jī)在連續(xù)層之間的水平偏移。如果零件的懸垂部分與垂直方向的傾斜角度小于45度，便可在無支撐的情況下打印該懸垂部分。如果角度較大，機(jī)器則無法正確堆疊各層，懸垂部分就需要支撐結(jié)構(gòu)了。

5毫米規(guī)則：如果橋（零件上兩個(gè)平行點(diǎn)之間的距離）小于5毫米，則無需支撐結(jié)構(gòu)，但如果大于5毫米，則容易出現(xiàn)打印問題。為了在無支撐的情況下連接兩個(gè)平行點(diǎn)，打印機(jī)使用了一種叫做橋接的技術(shù)。這種技術(shù)可使熱材料在短距離內(nèi)被拉伸，從而盡可能地避免連接處的凹陷。

相比之下，通過使用光源對(duì)液體材料進(jìn)行光聚合來生產(chǎn)最終部件的樹脂3D打?。ㄈ鏢LA或 DLP等工藝）。該工藝能夠生產(chǎn)出具有精確細(xì)節(jié)，微小且復(fù)雜的打印件。其特點(diǎn)是工作方向與擠壓相反，因此壓力殼在頂部而不是底部，為了確保打印件粘附在平臺(tái)上，這些機(jī)器都需要支撐結(jié)構(gòu)。

為了節(jié)省材料和制造時(shí)間，支撐結(jié)構(gòu)只有細(xì)細(xì)的一根柱子，與模型只有幾個(gè)小接觸點(diǎn)。這樣一來，軟件會(huì)根據(jù)零件的復(fù)雜性計(jì)算出支撐的數(shù)量、所在位置以及與零件的接觸點(diǎn)。通過適當(dāng)?shù)暮笃谔幚恚@樣帶有支撐結(jié)構(gòu)的樹脂3D打印也不會(huì)對(duì)成品零件的質(zhì)量造成影響。

在增材制造中，還有許多依靠粉末床生產(chǎn)零件的技術(shù)。這組技術(shù)包括選擇性激光燒結(jié)（SLS）、直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）、電子束熔化（EBM）或粘合劑噴射。對(duì)于聚合物激光工藝來說，粉末本身就可看作每一層的支撐結(jié)構(gòu)。這樣的技術(shù)雖然使得設(shè)計(jì)零件有更大的自由度，但同時(shí)也增加打印所需的成本和時(shí)間。

在使用選擇性激光燒結(jié)或多射流熔融技術(shù)時(shí)通常是無需支撐的，但若使用金屬技術(shù)則不盡然。DMG MORI公司的銷售經(jīng)理Robert Chiari解釋說：“由于金屬的應(yīng)力，像鈦等高強(qiáng)度的材料可能會(huì)從標(biāo)準(zhǔn)以下的結(jié)構(gòu)中脫離。所以支撐結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一塊板，在打印過程中起到固定零件的作用”。而零件周圍的粉末還能在制造過程中幫助散熱，以便不損害零件或材料的完整性。

材料噴射3D打印則是將液體光聚合物應(yīng)用到打印平臺(tái)上，一層接一層的材料在紫外線光源下瞬間固化。在這種情況下，無論前一層的角度或坡度如何，產(chǎn)品的某些突出部分在打印時(shí)仍需添加支撐結(jié)構(gòu)。這些支撐結(jié)構(gòu)可以通過后處理步驟去除，如超聲波浴、噴沙和噴水。在這種技術(shù)中使用支撐結(jié)構(gòu)同樣不影響零件的精加工，經(jīng)過后處理的零件表面光滑無比。

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盡管支撐結(jié)構(gòu)在任何技術(shù)中的功能都大同小異，但根據(jù)設(shè)計(jì)或構(gòu)成的不同，也存在不同的類型。在設(shè)計(jì)方面，最受歡迎的是所謂的格子梁。這些結(jié)構(gòu)通常被用來創(chuàng)建固定零件的柱子，為陡峭懸垂的零件提供支撐。格子梁易于制造、速度快，且與大多數(shù)打印工藝兼容。唯一的缺點(diǎn)是，它們?cè)谀承┣闆r下可能難以拆除，甚至?xí)诹慵狭粝潞圹E。

樹形支撐的特點(diǎn)是從“樹干”結(jié)構(gòu)開始延伸，在到達(dá)打印模型時(shí)便分叉成細(xì)枝（參考下圖）。這對(duì)于支撐零件中懸臂式但不太垂直的選定部分非常有用。用戶經(jīng)常采用的線性支撐也類似于樹形支撐。它們由與整個(gè)懸臂部件或橋梁接觸的垂直支撐組成。雖然它們能確保零件的正確印模，但它們也更難拆除，而且可能會(huì)損壞模型表面。

最后，可溶性支持材料的存在，讓我們可以利用雙擠壓式3D打印機(jī)來生產(chǎn)支撐結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)后續(xù)可在水中或特殊溶劑中稀釋去除。最知名的可溶性材料包括PVA或HIPS，以及來自美國(guó)Infinite Material Solutions研發(fā)一款PVA替代品——一可溶性支撐AquaSys 180，與PEEK, PEKK, PEI和PPSU等高溫?zé)崴苄运芰霞嫒荨?/p>

增材制造市場(chǎng)研究公司SmarTech Analysis發(fā)布了增材制造行業(yè)后處理市場(chǎng)研究數(shù)據(jù)。預(yù)計(jì)2031年增材制造后處理市場(chǎng)將達(dá)到18億美元。此外，預(yù)計(jì)至少有26%市場(chǎng)份額來自聚合物后處理，而金屬3D打印的后處理市場(chǎng)份額最大。

其中去除支撐是增材制造后處理中勞動(dòng)最密集的部分，通常占總零件成本的 25% 以上。而用于支撐結(jié)構(gòu)的打印材料已經(jīng)開發(fā)并應(yīng)用了很多年，現(xiàn)在的支撐材料能夠極大地減少去除支撐的時(shí)間和勞動(dòng)力。

3DQue Systems是第一家使用?Polymaker（展位號(hào)：H57）的PolyCast? 作為支撐來打印金屬零件并使用UltimakerS5 自動(dòng)化該過程的公司。3DQue的自動(dòng)化系統(tǒng)Quinly 是一個(gè)虛擬打印機(jī)操作員，它可以安裝在 Raspberry PI 上并連接到 3D打印機(jī)。安裝后，Quinly 可以對(duì)預(yù)加載的 Gcode 進(jìn)行排隊(duì)、自動(dòng)調(diào)平、在打印作業(yè)完成后執(zhí)行移除打印件并開始下一個(gè)打印作業(yè)。
3DQue使用雙噴頭打印機(jī)將金屬和 PolyCast? 線材擠出到打印件和支撐結(jié)構(gòu)中，以一種全新的方式自動(dòng)進(jìn)行金屬3D打印。在使用 PolyCast? 之前，3DQue還測(cè)試了其他幾種支撐材料，PolyCast? 因其易剝離的特性在測(cè)試中脫穎而出。通過這次3Qque的案例，PolyCast? 為金屬零件的制造工藝開辟了一條新的途徑。

此外，在今年3月Raise3D復(fù)志科技（展位號(hào)M05）推出專屬的支撐材料——PET Support。Raise3D Industrial PET Support耗材是一種可剝離支撐材料，專門設(shè)計(jì)用于FDM/FFF 3D打印纖維增強(qiáng)耗材。與使用耗材本身作為支撐材料相比，PET Support更容易去除，且無須復(fù)雜的后處理，去除支撐后的模型擁有光滑的表面及精度。與水溶性支撐材料相比，PET Support具有較低的吸濕性和性能成本比，是BVOH或PVA的理想替代品。

在使用3D打印制造零件時(shí)，了解支撐的功能及其在制造過程中提供的優(yōu)勢(shì)非常重要。除了前文提到的優(yōu)點(diǎn)，如設(shè)計(jì)的靈活度和模型最終質(zhì)量的確定性，支撐結(jié)構(gòu)也有它的缺點(diǎn)。如果在去除支撐時(shí)沒有適當(dāng)?shù)暮筇幚?，最終產(chǎn)品的美感可能會(huì)受到影響。注塑工藝是個(gè)例外。

然而，切片機(jī)上配置的支撐越多，對(duì)于某些增材制造技術(shù)的設(shè)計(jì)就越復(fù)雜，這也與制造支撐所需的材料量密切相關(guān)。零件所需的材料量可以通過考慮各方面的因素進(jìn)行優(yōu)化，如對(duì)齊和精度，以及其他設(shè)計(jì)和制造因素。適當(dāng)調(diào)整參數(shù)，不僅可以減少打印時(shí)間和材料，同時(shí)降低最終成本和縮短交貨時(shí)間。

總之，在處理具有多處懸垂的復(fù)雜零件或模型時(shí)，在增材制造過程中使用支撐是必要的。然而，重要的是要了解每種技術(shù)的具體情況，以便最大限度地利用這些支撐結(jié)構(gòu)，獲得高質(zhì)量的最終零件。

意外不免存在，一件完美打印的模型在支撐拆除過程中，可能因?yàn)橹蔚脑O(shè)置有問題而導(dǎo)致模型被毀，甚至因?yàn)橹谓Y(jié)構(gòu)的碎裂而劃傷皮膚。UltiMaker（展位號(hào)J90）將在 3D 打印行業(yè)深耕多年的經(jīng)驗(yàn)整合到UltiMaker Cura中，為用戶提供了一套成熟的解決方案。

通過在設(shè)置中增加的“支撐頂板”和“支撐底板”的方式，可以將臨近的獨(dú)立支撐變成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，剝離的時(shí)候受力點(diǎn)更多，不容易斷裂，剝離不再費(fèi)事費(fèi)力。得益于UltiMaker 2+ Connect 出色的打印質(zhì)量控制，以及UltiMaker Cura 出色的切片控制，用戶很輕松地就能將整個(gè)支撐結(jié)構(gòu)剝離下來，支撐的去除變得十分爽快，并且支撐結(jié)構(gòu)與模型沒有藕斷絲連，模型表面質(zhì)量大大提升。

隨著越來越多的垂直行業(yè)采用3D打印，后處理市場(chǎng)將迎來更加蓬勃的發(fā)展。浙江拓博、DyeMansion、歐瑞康、ORYX ADDITIVE等公司將會(huì)亮相2023年9月12-14日在國(guó)家會(huì)展中心舉辦的TCT亞洲展，一站式了解后處理部件從打印完成直到應(yīng)用的一系列操作?，F(xiàn)在掃描下方二維碼預(yù)約參觀，與現(xiàn)場(chǎng)來自米其林、博世、中國(guó)商飛、中國(guó)航空工業(yè)、強(qiáng)生、ANKER、高露潔、蔚來、上海地鐵、樂高、Apple、博世、一汽大眾等專業(yè)觀眾共探3D打印的獨(dú)特魅力。

*部分內(nèi)容來源于3dnatives

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TCT Asia 2023

時(shí)間與地點(diǎn)

9月12日?09:00 - 17:30

9月13日?09:00 - 17:30

9月14日?09:00 - 15:00

國(guó)家會(huì)展中心（上海）4.1館