3D 打印中的支持：技术概述

简介

由于 3D 打印部件是逐层构建的，因此需要构建前一层。根据具体的 3D 打印技术和 3D 模型的复杂性，这可能意味着 3D 打印需要支撑结构。

在考虑使用什么技术打印 3D 模型时，重要的是要考虑支撑结构以及它们如何影响最终结果。支撑结构会对表面光洁度产生影响，因为它们需要后处理工作才能去除，从而导致瑕疵或表面粗糙。

本文讨论了支撑，每种 3D 打印技术如何实现支撑，以及支撑的使用如何影响设计决策过程。

在 FDM 中的支持

熔融沉积建模 (FDM) 将熔化的灯丝沿预定路径挤出到构建表面上。当材料被挤出时，它会冷却，形成一个坚固的表面，为下一层要建造的材料奠定基础。这样逐层重复，直到对象完成。

FDM 何时需要支持？

使用 FDM 打印，每一层都打印为一组加热的细丝线，这些细丝线粘附在其下方和周围的螺纹上。每个线程的打印与其前一层略有偏移。这允许将模型构建到 45° 的角度，从而允许打印扩展超出其前一层的宽度。

当打印出超过 45° 的悬垂特征时，它可能会下垂，并且需要在其下方提供支撑材料来支撑它。更多关于悬垂和 FDM 的信息可以在这里找到。

桥接与支持

这条规则有一个例外：

热材料可以在称为桥接的方法中在两点之间拉伸很短的距离。桥接允许在没有支撑和最小下垂的情况下打印材料。如果桥的长度超过 5 毫米，通常需要支撑以提供准确的表面光洁度。

更多关于桥接和 FDM 的信息可以在这里找到。

FDM 支持的 ABC（或 YHT）

考虑字母 Y、H 和 T，以及一组相关的 3D 模型。

• 字母 Y 型号的手臂可以轻松打印。即使 Y 的手臂伸出，因为它们的伸展角度为 45 度或更小，它们也不需要支撑。
  
• 字母 H 稍微复杂一些，但如果中心桥在 5 毫米以下，则可以在没有支撑或任何下垂的情况下打印。超过 5 毫米并需要支撑。对于这个例子，中心桥超过 5 毫米，需要支撑。
  
• 字母 T 需要字母臂的支撑。外臂没有什么可印的，没有支撑材料就会掉下来。
  
  

下图以浅灰色显示支撑材料的 YHT。

这是打印时 YHT 的外观。下图现在显示了在没有支撑的情况下打印的 T 的结果。表面有明显的下垂，需要大量的后处理才能清理。

FDM 支撑材料的缺点

在 FDM 打印中使用支撑的限制之一是始终需要进行后处理，从而导致与支撑接触的表面出现痕迹或损坏。

另一个问题是，打印在支撑上的层会不太完美，因为支撑会比固体层稍微不稳定。

在不破坏模型的情况下，也很难从小而复杂的特征中移除支持。

此外，支持需要额外的打印材料，因此会产生额外的成本。支持也需要移除，为 3D 打印服务提供商创造更多工作，这也会增加打印工作的总成本。

我的 FDM 打印需要多少支持？

下面的拱形示例只需将有限数量的支撑放置在正确的位置即可准确打印。

下面显示的“立方体中的球”是一个需要大量支撑的示例。

在这个例子中，移除支撑件是复杂的，并且包括用尖嘴钳移除每个支撑件，同时试图限制对支撑件周围表面的损坏。去除支撑后打磨或平滑表面也非常困难。

如果没有支撑材料，这个模型根本无法在 FDM 中打印而不影响质量和准确性。在这种情况下 - 尽管增加了成本和打印时间 - 使用的额外支持材料对于完成打印至关重要。

两种类型的 FDM 支持

FDM 打印方法利用两种类型的支持：

• 第一种是扁平手风琴或格子，是最常见的，最适合大多数 FDM 打印。
  
• 另一种类型是“树状”支持，是某些打印机的首选。这种支撑方法不太受欢迎，但它与打印表面的接触较少，可以产生更好的表面光洁度后处理。
  
  

打印机操作员通常会指定最适合您的应用的支撑类型，从而最大限度地减少对您设计的审美影响。

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可分解支持

在带有两个打印头的微调打印机上，支撑材料可以使用可溶解的材料打印，这种材料不会从零件上撕下，而是在不影响打印模型主要材料的化学溶液中溶解。

这将导致支架与主要材料接触的表面光洁度更好，但可能是一种昂贵且耗时的解决方案。

这方面的一个例子是 Ultimaker 3 机器，它利用了用 PVA 打印的支撑，这种支撑很容易在打印后溶解。所有工业 FDM 机器都使用可分解的支撑。

SLA 和 DLP 支持结构

立体光刻 (SLA) 和数字光处理 (DLP) 通过使用光源固化液体材料，从液体（光敏聚合物）树脂中创建 3D 打印物体。

根据确切的打印机类型，这意味着模型要么被从装有液体材料的大桶中拉出，因为它被光源通过底部的半透明窗口（自下而上）固化，要么被浸没在液体中因为顶层由顶部（自上而下）的光源处理。

SLA 和 DLP 何时需要支持？

为确保打印件附着在打印平台上并且不会在大桶中漂浮，SLA 和 DLP 打印机几乎在所有情况下都需要使用支撑。

这些打印机的支撑结构看起来像细肋，只有小尖端实际接触模型以节省材料和打印时间。支撑的数量、位置、接触模型和结构的位置由软件计算，取决于打印部件的形状、方向和重量。

SLA 和 DLP 是一些最精确的技术，即使是最小和最复杂的物体也能打印出精确的细节。通过适当的后处理，支撑的使用不会影响打印质量。

从 SLA 和 DLP 打印中移除支持材料

首先，异丙醇 (IPA) 用于清洗完成部件上的液态树脂。支撑结构可以从模型表面折断或使用钳子移除。然后对支撑物与物体接触的部位进行打磨以去除任何残留痕迹。

SLA 和 DLP 中支持的设计注意事项

部件方向对于 SLA 和 DLP 打印的支持位置起着至关重要的作用。通过重新定向零件，可以大大减少支持量（以及打印成本）。

定位在支持的位置方面也起着重要作用。如果部件表面的美观是最重要的，那么也可以选择调整部件的方向，使与该区域接触的支撑很少甚至没有。

对于具有大量细节和许多薄或复杂特征的复杂打印，将打印分成单独的部分，然后将它们组装在一起（通过卡扣连接、互锁部件或粘合剂）也可以提高打印质量和外观。

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材料喷射支撑结构

材料喷射（Stratasys PolyJet 和 3D Systems MultiJet 建模）技术类似于喷墨打印，但这些 3D 打印机不是将墨滴喷射到纸上，而是将液态光敏聚合物层喷射到构建托盘上，并使用紫外线立即固化它们。

Material Jetting 何时需要支持？

这些打印机在所有有悬垂部件的情况下都需要使用支撑材料，无论角度如何。支持物要么是水溶性的，要么在使用 plyers、水喷射、超声波浴和喷砂的后处理过程中去除。

与 FDM 不同，对这些技术的支持绝不会损害打印件的外观、表面质量或技术特性。经过适当的后期处理后，几乎不可能将被支撑覆盖的部分与打印的其余部分区分开来。

材料喷射中支撑的设计注意事项

由于在后期处理过程中使用了电动工具（水刀、喷砂机），模型的复杂部分可能会损坏或弯曲。确保遵循材料喷射规则以避免任何问题。如果您的模型有复杂的零件和细线，建议改为使用 SLS 打印。

SLS 支持结构

选择性激光烧结 (SLS) 使用激光在腔室中熔化粉末材料。

对于 SLS，不需要支撑结构，因为当物体逐层堆积时，粉末会起到支撑作用。这提供了很大的设计自由度，但通常也会增加打印零件的成本和时间。 SLS 需要时间让成型室冷却下来，清洁打印件需要多步骤的精加工过程，包括去除未熔合的粉末，通常使用气枪。

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粘合剂喷射支撑结构

粘合剂喷射类似于 SLS，打印机使用薄薄的粉末材料层来构建物体，但这些打印机不是使用激光将层烧结在一起，而是使用从喷嘴挤出的粘合剂来粘合粉末在一起。

与 SLS 一样，不需要支撑结构，因为在构建物体时粉末会起到支撑作用，但是清洁和后处理打印件需要多步精加工过程，包括去除未熔化的粉末，通常使用气枪。

金属打印支撑结构

金属打印技术在所有情况下都使用支撑结构在构建过程中将模型固定在底板上，但是可以在没有支撑的情况下构建角度大于 35 度的悬垂。当需要支撑时，重要的是要确保它们易于取用，否则在后期处理过程中无法将其移除。

支架的使用不会以任何方式影响打印质量，并且通过适当的后期处理，可以从打印模型中去除所有标记。

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经验法则

• 支持通常会对零件的外观产生不利影响（材料喷射除外）。去除支撑后，通常需要进行后处理以提高表面光洁度。
  
• 添加的支持越多，设计就越复杂。可以优化使用的支持量（零件方向、所需的精度等）以降低成本和打印时间。
  
• 下表总结了每种 3D 打印技术是否需要支持：
  
  

印刷技术	需要支持
FDM	取决于模型几何形状
SLA 和 DLP	始终需要
材料喷射	总是，但可以解决
SLS	从不
粘合剂喷射	从不
金属印刷	总是