优化3D打印：支撑结构与设计策略的关键作用

增材制造开启了制造可能性的新纪元。3D打印技术使我们能够以前所未有的速度和精度，创造出具有复杂尺寸和角度的、以前“无法制造”的零件。然而，增材制造工艺的本质是逐层堆积材料，这意味着零件在打印过程中往往需要支撑来应对内部压力——本质上是重力。没有支撑，增材层无法依靠周围材料支撑而坍塌，导致打印失败。为了解决这一挑战，我们有时必须在3D打印零件中设计支撑结构。

为了确保您的3D打印零件在速度、质量和成本方面发挥最大潜力，了解支撑结构及其如何融入您的增材制造项目至关重要。

什么是3D打印中的支撑结构？

支撑结构用于支撑制造过程中没有支撑材料的零件元素。并非所有3D打印工艺都需要支撑结构：Stratasys熔融沉积建模（FDM）、Carbon数字光合成（DLS）和光固化立体成型（SLA）工艺通常需要支撑，而HP多喷嘴融合（MJF）作为一种粉末床打印工艺，则不需要。

以Stratasys熔融沉积建模（FDM）增材制造工艺为例，加热挤出的材料层从打印床通过与下层材料的粘附逐层堆积，并可能超出下层以创建倾斜表面。当该角度超过45°时，悬垂部分通常需要支撑，否则无支撑材料的重量会导致该元素坍塌，打印失败。

在需要支撑的情况下，必须将其集成到零件设计中并在生产时随零件一起打印。当然，这意味着要在3D打印过程中考虑额外的时间和材料，以及后续后处理移除支撑结构的步骤。

例外：并非所有增材制造方法都需要支撑结构。虽然熔融沉积建模（FDM）等3D打印技术通过向打印床添加材料层来制造零件，但其他技术如HP多喷嘴融合（MJF）则从粉末床中打印零件。由于粉末层具有自支撑性，HP MJF零件设计无需包含支撑结构。

有哪些类型的支撑结构？

3D打印零件的支撑结构在设计和类型上各异，但大体可分为两类：“树形”和“栅栏形”。

• 树形支撑：形似树枝或树干，树形支撑可包裹零件并贴合倾斜表面，便于移除。树形支撑可作为3D打印项目的一部分快速设计、应用和测试，实现快速迭代。其分支结构可延伸至特定区域提供支撑。

• 栅栏形支撑：形似墙壁，具有多种安装点，栅栏形支撑垂直于零件表面打印，通常采用晶格结构。栅栏形支撑比树形支撑更耐用、更易移除，通常是外观件或大批量生产的更好选择。

何时应使用增材制造支撑结构？

“45°法则”建议：3D打印悬垂角度大于等于45°需要支撑，小于45°则不需要。

然而，45°法则应视为经验法则，对支撑结构的需求将因零件设计复杂度和所用材料而异。在某些情况下，桥接技术可作为支撑结构的替代：桥接是将加热的增材材料拉伸跨越短距离（通常小于5mm）而不损害零件完整性的技术。

“YHT”原则：将字母Y、H、T构想为直立的3D打印模型，有助于说明增材制造支撑结构的必要性。

• 字母Y：Y的两臂以45°延伸——其悬垂角度不需要支撑结构。悬垂角度越超过45°，越可能需要支撑结构。

• 字母H：如果H的两个垂直元素相距5mm以内，可能通过桥接打印H的水平元素。如果垂直元素相距超过5mm，水平元素可能需要支撑结构。

• 字母T：T的两臂从垂直元素以90°延伸，将需要支撑结构。

除了悬垂角度，其他因素也可能影响对支撑结构的需求。这些包括3D打印机的质量和打印速度：较慢的打印机可能会增加对支撑结构的需求。

支撑结构：制造挑战

支撑结构在许多增材制造中是必需的，但请记住，它们会显著影响批量生产中零件的成本，更不用说项目最终产生的废料量。移除支撑结构时也应小心，因为它们在分离时可能损坏或标记成品零件。

考虑到这些因素，3D打印零件理想情况下应设计为最小化或消除对支撑结构的需求，并在可能的情况下应用面向增材制造设计（DFAM）原则，以优化零件的质量、成本和生产时间。以下策略可能有助于减少对支撑结构的需求：

方向：零件在打印床上的方向可能影响对支撑结构的需求。例如，通过将零件旋转到背面或侧面，可以消除悬垂。在上述示例中，将每个3D模型字母Y、H、T平放，将完全消除任何悬垂元素以及对支撑结构或桥接的需求。

零件几何：尽可能从设计中移除悬垂，或将其角度减小至45°以下。显然，功能需求可能使完全消除悬垂成为不可能，但您可以引入倒角、加强筋和圆角等替代设计元素，使零件几何更具自支撑性。

零件分离：3D打印技术可生产复杂的单一零件，但如果所需支撑量降低了质量或成本效益，则可考虑将零件拆分为较小的组件，后期组装。例如，球形零件需要大量支撑，但将其对半分割并创建大平面，可完全消除对支撑的需求。

支撑密度：作用在支撑结构上的压力将决定其所需强度和打印材料量。为确保打印成功且具有成本效益，请确保支撑结构足够致密以支撑悬垂元素的尺寸。请注意，支撑结构越致密，打印后移除可能越困难。

可溶解支撑：某些3D打印技术可通过辅助喷头以单独的可溶解材料打印支撑结构。打印后将这些支撑结构浸入水或化学溶液中溶解，留下完整零件。可溶解支撑降低了移除过程中损坏成品零件的风险。大多数FDM增材材料具有可溶解支撑，DLS和SLA材料则没有。HP MJF工艺完全不需要支撑。

开始使用

支撑结构将继续在大多数增材制造项目中发挥重要作用。

虽然目标始终是减少或消除对支撑结构的需求，但我们的工程师旨在优化您的零件功能和成本。如果您想了解更多关于我们如何使您的增材制造项目成为可能，请立即联系Fast Radius团队。

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