增材制造支持结构：它们为何重要以及如何为其设计

增材制造迎来了制造可能性的新时代。 3D 打印技术使我们能够以前所未有的速度和精度创建以前“无法制造”的零件，这些零件具有复杂的尺寸和角度。然而，增材制造工艺的性质是逐层添加材料，这通常意味着部件需要支撑来管理打印过程中的内部压力——本质上是重力。如果没有这种支撑，添加剂层就无法被周围的材料支撑并坍塌，从而导致打印失败。为了应对这一挑战，我们有时必须在 3D 打印部件中设计支撑结构。

为确保最大限度地发挥 3D 打印部件在速度、质量和成本方面的潜力，了解支撑结构以及应如何将它们集成到增材制造项目中非常重要。

什么是 3D 打印中的支撑结构？

支撑结构支撑 3D 打印部件的元件，这些元件在制造过程中没有支撑材料。并非所有 3D 打印工艺都需要支撑结构：虽然 Stratasys 熔融沉积建模 (FDM)、Carbon Digital Light Synthesis™ (DLS) 和立体光刻 (SLA) 工艺通常需要支撑，但 HP Multi Jet Fusion 是一种粉末床打印工艺，没有。

例如，在 Stratasys 熔融沉积建模 (FDM) 增材制造工艺中，加热的挤压材料层是通过粘附到其下方的材料层从打印床上构建起来的，并且可能会悬垂在这些较低的层上，以形成有角度的表面。当该角度超过 45° 时，悬垂元件通常需要支撑，否则未支撑材料的重量会导致元件塌陷并导致打印失败。

在需要支撑的地方，它们必须集成到零件设计中，并在生产时打印到零件中。当然，这意味着要考虑到 3D 打印过程以及随后的支撑结构后处理移除过程中所需的额外时间和材料。

例外情况： 并非所有的增材制造方法都需要支撑结构。熔融沉积成型 (FDM) 等 3D 打印技术通过将材料层添加到打印床上来打印零件，而其他技术，例如 HP Multi Jet Fusion (MJF) 从粉末床上打印零件。由于粉末层是自支撑的，HP MJF 零件设计不需要包含支撑结构。

有哪些类型的支撑结构可用？

3D 打印部件的支撑结构在设计和类型上各不相同，但可以大致分为两类：“树”和“栅栏”。

• 树支持： 类似于树枝或树干，树木支架可以封闭一部分并整齐地安装在有角度的表面上，以便于拆卸。树支撑可以作为 3D 打印项目的一部分进行快速设计、应用和测试，从而实现快速迭代。它们的树枝状结构意味着它们可以远距离伸出以支持特定区域。

• 栅栏支撑： 类似于墙壁，并具有各种安装点，栅栏支撑通常以格子结构垂直于零件表面打印。栅栏支架比树木支架更耐用且更易于拆卸，通常是装饰件或大批量生产的更好选择。

什么时候应该使用增材制造支撑结构？

“45° 规则”表明 45° 及更大的 3D 打印悬垂需要支撑，而 45° 以下的则不需要。

然而，45°规则应被视为一般经验法则，对支撑结构的需求将根据零件设计的复杂性和所使用的材料而有所不同。在某些情况下，桥接可以提供支撑结构的替代方案：桥接是一种在不影响零件完整性的情况下将加热的添加剂材料拉伸一小段距离（通常小于 5 毫米）的技术。

“YHT”原则：当设想为 3D 打印模型时，直立站立时，字母 Y、H 和 T 有助于说明增材制造支撑结构的必要性。

• 字母 Y： 两个臂从字母 Y 以 45° 延伸——它们的悬垂角度不需要支撑结构。悬垂角越超过 45°，就越有可能需要支撑结构。

• 字母 H： 如果字母 H 的两个垂直元素彼此相距在 5 毫米以内，则可以用桥 3D 打印 H 的水平元素。如果垂直元素之间的距离超过 5 毫米，则水平元素可能需要支撑结构。

• 字母 T： 字母 T 的两个臂从垂直元件以 90° 延伸，需要支撑结构。

除了悬垂的角度之外，其他因素可能会影响对支撑结构的需求。其中包括 3D 打印机的质量和打印速度：例如，速度较慢的打印机可能会增加对支撑结构的需求。

支持结构：制造挑战

支撑结构是许多增材制造的必需品，但重要的是要记住，它们会显着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了。移除支撑结构时也应小心，因为它们可能会在分离时损坏或标记成品部件。

考虑到这些因素，理想的 3D 打印零件设计应尽量减少或消除对支撑结构的需求，并在可能的情况下应用增材制造 (DFAM) 设计原则，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： 打印床上部件的方向可能会影响对支撑结构的需求。例如，可以通过将零件旋转到其背面或侧面来消除悬垂。在上面的示例中，将每个 3D 模型字母 Y、H 和 T 放在它们的背上将完全消除任何悬垂元素以及对支撑结构或桥梁的需求。

零件几何形状： 在可能的情况下，从您的设计中移除悬垂部分 - 或将其角度减小到 45° 以下。显然，功能要求可能无法完全消除悬垂，但您可以引入替代设计元素，例如倒角、角撑板和半径，以使零件的几何形状更加自支撑。

部分分离： 3D 打印技术可以生产复杂的单个零件，但如果这些零件所需的支撑量降低了它们的质量或成本效益，则可能值得将零件拆分成更小的组件，以便以后组装。例如，球形零件需要大量支撑，但通过将它们分成两半并创建一个大的平面，可以完全消除对支撑的需求。

支持密度： 施加在支撑结构上的压力将决定它们需要的强度以及打印它们需要多少材料。为确保成功且具有成本效益的打印，请确保您的支撑结构足够密集以支撑悬垂元件的尺寸。请记住，支撑结构越密集，可能越难以去除印后。

可溶解支撑： 一些 3D 打印技术可能能够通过辅助打印喷嘴在单独的可溶解材料中打印支撑结构。这些支撑结构可以浸没在水或化学品中，打印后并溶解以留下完整的部分。可溶解支撑减少了在支撑结构移除过程中损坏成品部件的可能性。大多数 FDM 添加剂材料具有可溶解的载体，而 DLS 和 SLA 材料则没有。 HP MJF 流程完全不需要支撑。

开始

支撑结构将继续在大多数增材制造项目中发挥不可或缺的作用。

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的功能和成本。如果您想详细了解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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