干货 | 3D打印支撑结构全解，来TCT亚洲展看3D打印后处理能力，让你的打印件更惊艳！

国际金属加工网　2023年06月08日

众所周知，增材制造的优势之一便是为创建复杂形状的部件提供设计灵活度。然而，想要创建一个模型，往往需要添加一个支撑结构。虽然乍一看，似乎是一个简单的概念，但是当你为打印件配置3D打印支撑时，往往会伴随一系列的问题：什么时候需要添加支撑结构？如何移除？使用支持结构的打印件会有什么缺点？为了回答这些问题，我们深入研究了支撑在增材制造中的有效使用。

2023年展会期间

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TCT Asia 2023

时间与地点

9月12日 09:00 - 17:30

9月13日 09:00 - 17:30

9月14日 09:00 - 15:00

国家会展中心（上海）4.1馆

根据所选用的3D打印技术和设计复杂性，支撑物的类型和功能会有所不同。在FDM 3D打印中支撑结构便有以下两个规则。

45度规则：指的是3D打印机在连续层之间的水平偏移。如果零件的悬垂部分与垂直方向的倾斜角度小于45度，便可在无支撑的情况下打印该悬垂部分。如果角度较大，机器则无法正确堆叠各层，悬垂部分就需要支撑结构了。

5毫米规则：如果桥（零件上两个平行点之间的距离）小于5毫米，则无需支撑结构，但如果大于5毫米，则容易出现打印问题。为了在无支撑的情况下连接两个平行点，打印机使用了一种叫做桥接的技术。这种技术可使热材料在短距离内被拉伸，从而尽可能地避免连接处的凹陷。

相比之下，通过使用光源对液体材料进行光聚合来生产最终部件的树脂3D打印（如SLA或 DLP等工艺）。该工艺能够生产出具有精确细节，微小且复杂的打印件。其特点是工作方向与挤压相反，因此压力壳在顶部而不是底部，为了确保打印件粘附在平台上，这些机器都需要支撑结构。

为了节省材料和制造时间，支撑结构只有细细的一根柱子，与模型只有几个小接触点。这样一来，软件会根据零件的复杂性计算出支撑的数量、所在位置以及与零件的接触点。通过适当的后期处理，这样带有支撑结构的树脂3D打印也不会对成品零件的质量造成影响。

在增材制造中，还有许多依靠粉末床生产零件的技术。这组技术包括选择性激光烧结（SLS）、直接金属激光烧结（DMLS）、电子束熔化（EBM）或粘合剂喷射。对于聚合物激光工艺来说，粉末本身就可看作每一层的支撑结构。这样的技术虽然使得设计零件有更大的自由度，但同时也增加打印所需的成本和时间。

在使用选择性激光烧结或多射流熔融技术时通常是无需支撑的，但若使用金属技术则不尽然。DMG MORI公司的销售经理Robert Chiari解释说：“由于金属的应力，像钛等高强度的材料可能会从标准以下的结构中脱离。所以支撑结构实际上是一块板，在打印过程中起到固定零件的作用”。而零件周围的粉末还能在制造过程中帮助散热，以便不损害零件或材料的完整性。

左图：一个用树脂打印的3D零件。右图：空客A350 XWB的 "驾驶舱支架"。

材料喷射3D打印则是将液体光聚合物应用到打印平台上，一层接一层的材料在紫外线光源下瞬间固化。在这种情况下，无论前一层的角度或坡度如何，产品的某些突出部分在打印时仍需添加支撑结构。这些支撑结构可以通过后处理步骤去除，如超声波浴、喷沙和喷水。在这种技术中使用支撑结构同样不影响零件的精加工，经过后处理的零件表面光滑无比。

尽管支撑结构在任何技术中的功能都大同小异，但根据设计或构成的不同，也存在不同的类型。在设计方面，最受欢迎的是所谓的格子梁。这些结构通常被用来创建固定零件的柱子，为陡峭悬垂的零件提供支撑。格子梁易于制造、速度快，且与大多数打印工艺兼容。唯一的缺点是，它们在某些情况下可能难以拆除，甚至会在零件上留下痕迹。

树形支撑的特点是从“树干”结构开始延伸，在到达打印模型时便分叉成细枝（参考下图）。这对于支撑零件中悬臂式但不太垂直的选定部分非常有用。用户经常采用的线性支撑也类似于树形支撑。它们由与整个悬臂部件或桥梁接触的垂直支撑组成。虽然它们能确保零件的正确印模，但它们也更难拆除，而且可能会损坏模型表面。

左图：格子结构。右图：树形支撑。

最后，可溶性支持材料的存在，让我们可以利用双挤压式3D打印机来生产支撑结构，这些结构后续可在水中或特殊溶剂中稀释去除。最知名的可溶性材料包括PVA或HIPS，以及来自美国Infinite Material Solutions研发一款PVA替代品——一可溶性支撑AquaSys 180，与PEEK, PEKK, PEI和PPSU等高温热塑性塑料兼容。

可溶性支撑AquaSys 180（来源：Infinite Materials Solutions）

增材制造市场研究公司SmarTech Analysis发布了增材制造行业后处理市场研究数据。预计2031年增材制造后处理市场将达到18亿美元。此外，预计至少有26%市场份额来自聚合物后处理，而金属3D打印的后处理市场份额最大。

其中去除支撑是增材制造后处理中劳动最密集的部分，通常占总零件成本的 25% 以上。而用于支撑结构的打印材料已经开发并应用了很多年，现在的支撑材料能够极大地减少去除支撑的时间和劳动力。

3DQue Systems是第一家使用Polymaker（展位号：H57）的PolyCast™ 作为支撑来打印金属零件并使用UltimakerS5 自动化该过程的公司。3DQue的自动化系统Quinly 是一个虚拟打印机操作员，它可以安装在 Raspberry PI 上并连接到 3D打印机。安装后，Quinly 可以对预加载的 Gcode 进行排队、自动调平、在打印作业完成后执行移除打印件并开始下一个打印作业。

3DQue使用双喷头打印机将金属和 PolyCast™ 线材挤出到打印件和支撑结构中，以一种全新的方式自动进行金属3D打印。在使用 PolyCast™ 之前，3DQue还测试了其他几种支撑材料，PolyCast™ 因其易剥离的特性在测试中脱颖而出。通过这次3Qque的案例，PolyCast™ 为金属零件的制造工艺开辟了一条新的途径。

移除Polycast™之前的金属零件（来源：polymaker）

此外，在今年3月Raise3D复志科技（展位号M05）推出专属的支撑材料——PET Support。Raise3D Industrial PET Support耗材是一种可剥离支撑材料，专门设计用于FDM/FFF 3D打印纤维增强耗材。与使用耗材本身作为支撑材料相比，PET Support更容易去除，且无须复杂的后处理，去除支撑后的模型拥有光滑的表面及精度。与水溶性支撑材料相比，PET Support具有较低的吸湿性和性能成本比，是BVOH或PVA的理想替代品。

在使用3D打印制造零件时，了解支撑的功能及其在制造过程中提供的优势非常重要。除了前文提到的优点，如设计的灵活度和模型最终质量的确定性，支撑结构也有它的缺点。如果在去除支撑时没有适当的后处理，最终产品的美感可能会受到影响。注塑工艺是个例外。

然而，切片机上配置的支撑越多，对于某些增材制造技术的设计就越复杂，这也与制造支撑所需的材料量密切相关。零件所需的材料量可以通过考虑各方面的因素进行优化，如对齐和精度，以及其他设计和制造因素。适当调整参数，不仅可以减少打印时间和材料，同时降低最终成本和缩短交货时间。

总之，在处理具有多处悬垂的复杂零件或模型时，在增材制造过程中使用支撑是必要的。然而，重要的是要了解每种技术的具体情况，以便最大限度地利用这些支撑结构，获得高质量的最终零件。

意外不免存在，一件完美打印的模型在支撑拆除过程中，可能因为支撑的设置有问题而导致模型被毁，甚至因为支撑结构的碎裂而划伤皮肤。UltiMaker（展位号J90）将在 3D 打印行业深耕多年的经验整合到UltiMaker Cura中，为用户提供了一套成熟的解决方案。

通过在设置中增加的“支撑顶板”和“支撑底板”的方式，可以将临近的独立支撑变成一个整体结构，剥离的时候受力点更多，不容易断裂，剥离不再费事费力。得益于UltiMaker 2+ Connect 出色的打印质量控制，以及UltiMaker Cura 出色的切片控制，用户很轻松地就能将整个支撑结构剥离下来，支撑的去除变得十分爽快，并且支撑结构与模型没有藕断丝连，模型表面质量大大提升。

随着越来越多的垂直行业采用3D打印，后处理市场将迎来更加蓬勃的发展。浙江拓博、DyeMansion、欧瑞康、ORYX ADDITIVE等公司将会亮相2023年9月12-14日在国家会展中心举办的TCT亚洲展，一站式了解后处理部件从打印完成直到应用的一系列操作。现在扫描下方二维码预约参观，与现场来自米其林、博世、中国商飞、中国航空工业、强生、ANKER、高露洁、蔚来、上海地铁、乐高、Apple、博世、一汽大众等专业观众共探3D打印的独特魅力。

*部分内容来源于3dnatives