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眾所周知，增材制造的優勢之一便是為創建復雜形狀的部件提供設計靈活度。然而，想要創建一個模型，往往需要添加一個支撐結構。雖然乍一看，似乎是一個簡單的概念，但是當你為打印件配置3D打印支撐時，往往會伴隨一系列的問題：什么時候需要添加支撐結構？如何移除？使用支持結構的打印件會有什么缺點？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。
根據所選用的3D打印技術和設計復雜性，支撐物的類型和功能會有所不同。在FDM 3D打印中支撐結構便有以下兩個規則。
45度規則：指的是3D打印機在連續層之間的水平偏移。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，機器則無法正確堆疊各層，懸垂部分就需要支撐結構了。
5毫米規則：如果橋(零件上兩個平行點之間的距離)小于5毫米，則無需支撐結構，但如果大于5毫米，則容易出現打印問題。為了在無支撐的情況下連接兩個平行點，打印機使用了一種叫做橋接的技術。這種技術可使熱材料在短距離內被拉伸，從而盡可能地避免連接處的凹陷。
相比之下，通過使用光源對液體材料進行光聚合來生產最終部件的樹脂3D打印(如SLA或 DLP等工藝)。該工藝能夠生產出具有精確細節，微小且復雜的打印件。其特點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上，這些機器都需要支撐結構。
為了節省材料和制造時間，支撐結構只有細細的一根柱子，與模型只有幾個小接觸點。這樣一來，軟件會根據零件的復雜性計算出支撐的數量、所在位置以及與零件的接觸點。通過適當的后期處理，這樣帶有支撐結構的樹脂3D打印也不會對成品零件的質量造成影響。
在增材制造中，還有許多依靠粉末床生產零件的技術。這組技術包括選擇性激光燒結(SLS)、直接金屬激光燒結(DMLS)、電子束熔化(EBM)或粘合劑噴射。對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構。這樣的技術雖然使得設計零件有更大的自由度，但同時也增加打印所需的成本和時間。
在使用選擇性激光燒結或多射流熔融技術時通常是無需支撐的，但若使用金屬技術則不盡然。DMG MORI公司的銷售經理Robert Chiari解釋說：“由于金屬的應力，像鈦等高強度的材料可能會從標準以下的結構中脫離。所以支撐結構實際上是一塊板，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用到打印平臺上，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，產品的某些突出部分在打印時仍需添加支撐結構。這些支撐結構可以通過后處理步驟去除，如超聲波浴、噴沙和噴水。在這種技術中使用支撐結構同樣不影響零件的精加工，經過后處理的零件表面光滑無比。
盡管支撐結構在任何技術中的功能都大同小異，但根據設計或構成的不同，也存在不同的類型。在設計方面，最受歡迎的是所謂的格子梁。這些結構通常被用來創建固定零件的柱子，為陡峭懸垂的零件提供支撐。格子梁易于制造、速度快，且與大多數打印工藝兼容。唯一的缺點是，它們在某些情況下可能難以拆除，甚至會在零件上留下痕跡。
樹形支撐的特點是從“樹干”結構開始延伸，在到達打印模型時便分叉成細枝(參考下圖)。這對于支撐零件中懸臂式但不太垂直的選定部分非常有用。用戶經常采用的線性支撐也類似于樹形支撐。它們由與整個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打印機來生產支撐結構，這些結構后續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Infinite Material Solutions研發一款PVA替代品——一可溶性支撐AquaSys 180，與PEEK, PEKK, PEI和PPSU等高溫熱塑性塑料兼容。
增材制造市場研究公司SmarTech Analysis發布了增材制造行業后處理市場研究數據。預計2031年增材制造后處理市場將達到18億美元。此外，預計至少有26%市場份額來自聚合物后處理，而金屬3D打印的后處理市場份額最大。
其中去除支撐是增材制造后處理中勞動最密集的部分，通常占總零件成本的 25% 以上。而用于支撐結構的打印材料已經開發并應用了很多年，現在的支撐材料能夠極大地減少去除支撐的時間和勞動力。
3DQue Systems是第一家使用Polymaker(展位號：H57)的PolyCast™ 作為支撐來打印金屬零件并使用UltimakerS5 自動化該過程的公司。3DQue的自動化系統Quinly 是一個虛擬打印機操作員，它可以安裝在 Raspberry PI 上并連接到 3D打印機。安裝后，Quinly 可以對預加載的 Gcode 進行排隊、自動調平、在打印作業完成后執行移除打印件并開始下一個打印作業。
3DQue使用雙噴頭打印機將金屬和 PolyCast™ 線材擠出到打印件和支撐結構中，以一種全新的方式自動進行金屬3D打印。在使用 PolyCast™ 之前，3DQue還測試了其他幾種支撐材料，PolyCast™ 因其易剝離的特性在測試中脫穎而出。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復志科技(展位號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，專門設計用于FDM/FFF 3D打印纖維增強耗材。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，了解支撐的功能及其在制造過程中提供的優勢非常重要。除了前文提到的優點，如設計的靈活度和模型最終質量的確定性，支撐結構也有它的缺點。如果在去除支撐時沒有適當的后處理，最終產品的美感可能會受到影響。注塑工藝是個例外。
然而，切片機上配置的支撐越多，對于某些增材制造技術的設計就越復雜，這也與制造支撐所需的材料量密切相關。零件所需的材料量可以通過考慮各方面的因素進行優化，如對齊和精度，以及其他設計和制造因素。適當調整參數，不僅可以減少打印時間和材料，同時降低最終成本和縮短交貨時間。
總之，在處理具有多處懸垂的復雜零件或模型時，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的具體情況，以便最大限度地利用這些支撐結構，獲得高質量的最終零件。
意外不免存在，一件完美打印的模型在支撐拆除過程中，可能因為支撐的設置有問題而導致模型被毀，甚至因為支撐結構的碎裂而劃傷皮膚。UltiMaker(展位號J90)將在 3D 打印行業深耕多年的經驗整合到UltiMaker Cura中，為用戶提供了一套成熟的解決方案。
通過在設置中增加的“支撐頂板”和“支撐底板”的方式，可以將臨近的獨立支撐變成一個整體結構，剝離的時候受力點更多，不容易斷裂，剝離不再費事費力。得益于UltiMaker 2+ Connect 出色的打印質量控制，以及UltiMaker Cura 出色的切片控制，用戶很輕松地就能將整個支撐結構剝離下來，支撐的去除變得十分爽快，并且支撐結構與模型沒有藕斷絲連，模型表面質量大大提升。
隨著越來越多的垂直行業采用3D打印，后處理市場將迎來更加蓬勃的發展。浙江拓博、DyeMansion、歐瑞康、ORYX ADDITIVE等公司將會亮相2023年9月12-14日在國家會展中心舉辦的TCT亞洲展，一站式了解后處理部件從打印完成直到應用的一系列操作?，F在掃描下方二維碼預約參觀，與現場來自米其林、博世、中國商飛、中國航空工業、強生、ANKER、高露潔、蔚來、上海地鐵、樂高、Apple、博世、一汽大眾等專業觀眾共探3D打印的獨特魅力。
*部分內容來源于3dnatives
2023年展會期間
觀眾入場仍需實名認證進場參觀
為避免人流量較大，需長時間排隊等待
建議您提前完成預約并保存好您的參觀確認函
>> 登錄TCT亞洲展官方網站，立即預約參觀
詳情歡迎聯系：潘女士 021 6195 6032
TCT Asia 2023
時間與地點
9月12日 09:00 - 17:30
9月13日 09:00 - 17:30
9月14日 09:00 - 15:00
國家會展中心(上海)4.1館
(本文系TCT亞洲展投稿，不代表本站的觀點和立場。文章內容僅供參考，若涉及侵權，請及時聯系本站處理。圖片授權發布，版權歸原作者所有。)
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