增材支撑结构：它们为何重要以及如何设计它们 – 基本指南

发布于2022年4月5日

增材制造开创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制造以前“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（其中材料是逐层添加的）通常意味着零件在打印过程中需要支撑来管理内部压力（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塌陷，从而导致打印失败。为了应对这一挑战，我们有时必须在 3D 打印零件中设计支撑结构。

为了确保您最大限度地发挥 3D 打印零件在速度、质量和成本方面的潜力，了解支撑结构以及如何将它们集成到您的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 打印零件的元件，而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)、碳数字光合成™ (DLS) 和立体光刻 (SLA) 工艺通常需要支撑，但 HP Multi Jet Fusion（粉末床打印工艺）则不需要。

例如，在 Stratasys 熔融沉积建模 (FDM) 增材制造工艺中，加热挤压材料层是通过粘附到其下方的材料层而从打印床上构建的，并且可能会悬垂在这些较低的层上以创建有角度的表面。当该角度超过 45° 时，悬垂元件通常需要支撑，否则无支撑材料的重量将导致元件塌陷并导致打印失败。

如果需要支撑，则必须将它们集成到零件设计中，并在生产时将其打印到零件中。当然，这意味着需要考虑 3D 打印过程以及随后的支撑结构去除后处理过程中所需的额外时间和材料。

例外：  并非所有增材制造方法都需要支撑结构。熔融沉积成型 (FDM) 等 3D 打印技术通过在打印床上添加材料层来打印零件，而 HP Multi Jet Fusion (MJF) 等其他 3D 打印技术则通过粉末床打印零件。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，但可大致分为两类：“树”和“栅栏”。

• 树支持：  树支撑类似于树枝或树干，可以包围一个部件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来支持特定区域。
• 栅栏支持：  栅栏支撑与墙壁类似，具有多种安装点，通常采用晶格结构垂直于零件表面打印。栅栏支架比树支架更耐用且更容易拆卸，通常是装饰件或大批量生产的更好选择。

我什么时候应该使用增材制造支撑结构？

“45° 规则”表明 45° 及以上的 3D 打印悬伸将需要支撑，而 45° 以下的悬伸则不需要。

然而，45° 规则应被视为一般经验法则，并且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变化。在某些情况下，桥接可以提供支撑结构的替代方案：桥接是一种将加热的添加剂材料拉伸短距离（通常小于 5 毫米）而不影响零件完整性的技术。

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

• 字母 Y：  两个臂以 45° 角从字母 Y 延伸——它们的悬垂角度不需要支撑结构。悬垂角度越超过 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之间的距离在 5 毫米以内，则可以使用桥来 3D 打印 H 的水平元素。如果垂直元件之间的距离超过 5 毫米，水平元件可能需要支撑结构。
• 字母 T：  字母 T 的两个臂以 90° 从垂直元件延伸，需要支撑结构。

除了悬垂角度之外，其他因素也可能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。

支撑结构：制造挑战

支撑结构在许多增材制造中是必需的，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。拆卸支撑结构时也应小心，因为它们可能会在拆卸时损坏或标记成品部件。

考虑到这些因素，3D 打印零件的理想设计应尽量减少或消除对支撑结构的需求，并且在可能的情况下，应应用增材制造设计 (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：  打印床上零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 放在其背面将完全消除任何悬垂元素以及支撑结构或桥梁的需要。

零件几何形状：  如果可能，请消除设计中的悬垂部分，或将其角度减小到小于 45°。显然，功能要求可能使完全消除悬伸变得不可能，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。

零件分离：  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其质量或成本效益，则可能值得将零件分割成可以稍后组装的较小组件。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坦表面，可以完全消除对支撑的需求。

支撑密度：  施加在支撑结构上的压力将决定它们的强度以及打印它们需要多少材料。为了确保成功且经济高效的打印，请确保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，去除后打印就越困难。

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入水或化学品中，进行打印后溶解，留下完整的部件。可溶解支撑可减少支撑结构拆除过程中损坏成品部件的可能性。大多数 FDM 增材材料具有可溶解支撑，而 DLS 和 SLA 材料则没有。 HP MJF 工艺根本不需要支持。

开始使用

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。

虽然我们的目标始终是减少或消除对支撑结构的需求，但我们的工程师的目标是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 SyBridge 团队。