增材制造支撑结构：为何重要及如何设计——必备指南

发布于2022年4月5日

增材制造开启制造可能性新纪元。3D打印技术让我们以前所未有的速度和精度创造以前“不可制造”的零件，具有复杂尺寸和角度。然而，增材制造逐层添加材料的工艺本质，常意味着零件需要支撑以管理打印过程中的内部压力——本质上是重力。没有支撑，增材层无法被周围材料支撑而坍塌，导致打印失败。为应对这一挑战，我们有时必须在3D打印零件中设计支撑结构。

为确保您最大化3D打印零件的速度、质量和成本，理解支撑结构及其如何集成到增材制造项目中至关重要。

3D打印中的支撑结构是什么？

支撑结构支撑制造过程中无支撑材料的3D打印零件元素。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）、立体光刻（SLA）工艺常需支撑，HP多喷头熔融（MJF）作为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，加热挤出材料层从打印床通过与下层材料层粘附构建，并可能超出下层以创建倾斜表面。当该角度超过45°，悬垂元素通常需要支撑，否则无支撑材料重量会导致元件坍塌、打印失败。

左： 若从垂直方向测量悬垂≤45°，通常不需要支撑
右： 若从垂直方向测量悬垂>45°，通常需要支撑

需支撑时，必须集成到零件设计并在生产时打印进零件。当然这意味着要在3D打印过程中和后续后处理移除支撑结构时核算额外时间和材料。

例外： 并非所有增材制造方法都需要支撑结构。FDM等通过向打印床添加材料层打印零件的技术不同，HP多喷头熔融（MJF）从粉末床打印零件。因粉末层自支撑，HP MJF零件设计无需纳入支撑结构。

有哪些类型的支撑结构？

3D打印零件支撑结构设计和类型各异，但大体可分两类：“树形”和“栅栏形”。

• 树形支撑： 似枝干树干，树形支撑可包裹零件并贴合倾斜表面以便移除。树形支撑可作为3D打印项目一部分快速设计、应用和测试，实现快速迭代。其分支结构意味着能伸展距离支撑特定区域。
• 栅栏形支撑： 似墙壁，具有多种安装点，栅栏形支撑垂直于零件表面打印，常具晶格结构。栅栏形支撑比树形更耐用、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：45°及以上的3D打印悬垂需要支撑，45°以下不需要。

但45°法则应视为通用经验法则，支撑结构需求将随零件设计复杂度和所用材料而变。某些情况下，桥接可提供替代支撑结构：桥接是将加热增材材料跨越短距离（通常<5mm）拉伸而不损害零件完整性的技术。

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

• 字母Y： Y字两臂从垂直向延伸呈45°——其悬垂角度不需支撑结构。悬垂角度超45°越多，越可能需要支撑。
• 字母H： 若H字两垂直元素间距≤5mm，可能用桥接打印H的水平元素。若垂直元素距离>5mm，水平元素可能需支撑结构。
• 字母T： T字两臂从垂直元素以90°延伸，将需要支撑结构。

除悬垂角度外，其他因素可能影响支撑结构需求。包括3D打印机质量和打印速度：较慢打印机例如可能增加支撑结构需求。

支撑结构：制造挑战

支撑结构在许多增材构建中是必需，但请记住它们能显著影响量产零件成本——更别提项目最终产生的废料量。移除支撑结构时也须小心，因脱离时可能损伤或标记成品零件。

考虑这些因素，3D打印零件理想情况下应设计为最小化或消除支撑结构需求，并尽可能应用面向增材制造设计（DFAM）原则，以针对质量、成本和生产时间优化零件。以下策略可能帮助减少支撑结构需求：

方向： 零件在打印床上的方向可能影响支撑结构需求。例如悬垂可通过将零件翻至背面或侧面消除。上述例子中，将Y、H、T各3D模型字母平放背面可完全消除任何悬垂元素及对支撑结构或桥接的需求。

零件几何： 可能时从设计移除悬垂——或将角度减至<45°。显然功能需求可能使完全消除悬垂不可能，但您可引入倒角、加强筋、圆角等替代设计元素使零件几何更自支撑。

零件分割： 3D打印技术支持生产复杂单件，但若所需支撑量降低质量或成本效益，可考虑将零件分割为稍后组装的较小组件。例如球形零件需大量支撑，但对半分割并创建大平面，可完全消除支撑需求。

支撑密度： 作用于支撑结构的压力决定其需多强、需多少材料打印。为确保成功且具成本效益的打印，确保支撑结构足够致密支撑悬垂元素大小。记住支撑结构越致密，打印后移除可能越难。

可溶性支撑： 某些3D打印技术可通过辅助打印喷头用单独可溶材料打印支撑结构。打印后浸入水或化学品溶解，留下完整零件。可溶性支撑减少成品零件移除支撑结构时的潜在损伤。大多数FDM增材材料有可溶性支撑，DLS和SLA材料无。HP MJF工艺完全不需支撑。

开始使用

支撑结构将继续在大多数增材制造项目中扮演核心角色。

目标始终是减少或消除支撑结构需求，但我们的工程师旨在针对功能性和成本优化您的零件。若想了解我们如何让您的增材制造项目成为可能，立即联系SyBridge团队。