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干货 | 3D打印支撑结构全解,来TCT亚洲展看3D打印后处理能力,让你的打印件更惊艳!

国际金属加工网 2023年06月08日

众所周知,增材制造的优势之一便是为创建复杂形状的部件提供设计灵活度。然而,想要创建一个模型,往往需要添加一个支撑结构。虽然乍一看,似乎是一个简单的概念,但是当你为打印件配置3D打印支撑时,往往会伴随一系列的问题:什么时候需要添加支撑结构?如何移除?使用支持结构的打印件会有什么缺点?为了回答这些问题,我们深入研究了支撑在增材制造中的有效使用。

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TCT Asia 2023

时间与地点

9月12日 09:00 - 17:30

9月13日 09:00 - 17:30

9月14日 09:00 - 15:00

国家会展中心(上海)4.1馆

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根据所选用的3D打印技术和设计复杂性,支撑物的类型和功能会有所不同。在FDM 3D打印中支撑结构便有以下两个规则。

45度规则:指的是3D打印机在连续层之间的水平偏移。如果零件的悬垂部分与垂直方向的倾斜角度小于45度,便可在无支撑的情况下打印该悬垂部分。如果角度较大,机器则无法正确堆叠各层,悬垂部分就需要支撑结构了。

5毫米规则:如果桥(零件上两个平行点之间的距离)小于5毫米,则无需支撑结构,但如果大于5毫米,则容易出现打印问题。为了在无支撑的情况下连接两个平行点,打印机使用了一种叫做桥接的技术。这种技术可使热材料在短距离内被拉伸,从而尽可能地避免连接处的凹陷。

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相比之下,通过使用光源对液体材料进行光聚合来生产最终部件的树脂3D打印(如SLA或 DLP等工艺)。该工艺能够生产出具有精确细节,微小且复杂的打印件。其特点是工作方向与挤压相反,因此压力壳在顶部而不是底部,为了确保打印件粘附在平台上,这些机器都需要支撑结构。

为了节省材料和制造时间,支撑结构只有细细的一根柱子,与模型只有几个小接触点。这样一来,软件会根据零件的复杂性计算出支撑的数量、所在位置以及与零件的接触点。通过适当的后期处理,这样带有支撑结构的树脂3D打印也不会对成品零件的质量造成影响。

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在增材制造中,还有许多依靠粉末床生产零件的技术。这组技术包括选择性激光烧结(SLS)、直接金属激光烧结(DMLS)、电子束熔化(EBM)或粘合剂喷射。对于聚合物激光工艺来说,粉末本身就可看作每一层的支撑结构。这样的技术虽然使得设计零件有更大的自由度,但同时也增加打印所需的成本和时间。

在使用选择性激光烧结或多射流熔融技术时通常是无需支撑的,但若使用金属技术则不尽然。DMG MORI公司的销售经理Robert Chiari解释说:“由于金属的应力,像钛等高强度的材料可能会从标准以下的结构中脱离。所以支撑结构实际上是一块板,在打印过程中起到固定零件的作用”。而零件周围的粉末还能在制造过程中帮助散热,以便不损害零件或材料的完整性。

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左图:一个用树脂打印的3D零件。右图:空客A350 XWB的 "驾驶舱支架"。

材料喷射3D打印则是将液体光聚合物应用到打印平台上,一层接一层的材料在紫外线光源下瞬间固化。在这种情况下,无论前一层的角度或坡度如何,产品的某些突出部分在打印时仍需添加支撑结构。这些支撑结构可以通过后处理步骤去除,如超声波浴、喷沙和喷水。在这种技术中使用支撑结构同样不影响零件的精加工,经过后处理的零件表面光滑无比。

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尽管支撑结构在任何技术中的功能都大同小异,但根据设计或构成的不同,也存在不同的类型。在设计方面,最受欢迎的是所谓的格子梁。这些结构通常被用来创建固定零件的柱子,为陡峭悬垂的零件提供支撑。格子梁易于制造、速度快,且与大多数打印工艺兼容。唯一的缺点是,它们在某些情况下可能难以拆除,甚至会在零件上留下痕迹。

树形支撑的特点是从“树干”结构开始延伸,在到达打印模型时便分叉成细枝(参考下图)。这对于支撑零件中悬臂式但不太垂直的选定部分非常有用。用户经常采用的线性支撑也类似于树形支撑。它们由与整个悬臂部件或桥梁接触的垂直支撑组成。虽然它们能确保零件的正确印模,但它们也更难拆除,而且可能会损坏模型表面。

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左图:格子结构。右图:树形支撑。

最后,可溶性支持材料的存在,让我们可以利用双挤压式3D打印机来生产支撑结构,这些结构后续可在水中或特殊溶剂中稀释去除。最知名的可溶性材料包括PVA或HIPS,以及来自美国Infinite Material Solutions研发一款PVA替代品——一可溶性支撑AquaSys 180,与PEEK, PEKK, PEI和PPSU等高温热塑性塑料兼容。

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可溶性支撑AquaSys 180(来源:Infinite Materials Solutions)

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增材制造市场研究公司SmarTech Analysis发布了增材制造行业后处理市场研究数据。预计2031年增材制造后处理市场将达到18亿美元。此外,预计至少有26%市场份额来自聚合物后处理,而金属3D打印的后处理市场份额最大。

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其中去除支撑是增材制造后处理中劳动最密集的部分,通常占总零件成本的 25% 以上。而用于支撑结构的打印材料已经开发并应用了很多年,现在的支撑材料能够极大地减少去除支撑的时间和劳动力。

3DQue Systems是第一家使用Polymaker(展位号:H57)的PolyCast™ 作为支撑来打印金属零件并使用UltimakerS5 自动化该过程的公司。3DQue的自动化系统Quinly 是一个虚拟打印机操作员,它可以安装在 Raspberry PI 上并连接到 3D打印机。安装后,Quinly 可以对预加载的 Gcode 进行排队、自动调平、在打印作业完成后执行移除打印件并开始下一个打印作业。

3DQue使用双喷头打印机将金属和 PolyCast™ 线材挤出到打印件和支撑结构中,以一种全新的方式自动进行金属3D打印。在使用 PolyCast™ 之前,3DQue还测试了其他几种支撑材料,PolyCast™ 因其易剥离的特性在测试中脱颖而出。通过这次3Qque的案例,PolyCast™ 为金属零件的制造工艺开辟了一条新的途径。

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移除Polycast™之前的金属零件(来源:polymaker)

此外,在今年3月Raise3D复志科技(展位号M05)推出专属的支撑材料——PET Support。Raise3D Industrial PET Support耗材是一种可剥离支撑材料,专门设计用于FDM/FFF 3D打印纤维增强耗材。与使用耗材本身作为支撑材料相比,PET Support更容易去除,且无须复杂的后处理,去除支撑后的模型拥有光滑的表面及精度。与水溶性支撑材料相比,PET Support具有较低的吸湿性和性能成本比,是BVOH或PVA的理想替代品。

在使用3D打印制造零件时,了解支撑的功能及其在制造过程中提供的优势非常重要。除了前文提到的优点,如设计的灵活度和模型最终质量的确定性,支撑结构也有它的缺点。如果在去除支撑时没有适当的后处理,最终产品的美感可能会受到影响。注塑工艺是个例外。

然而,切片机上配置的支撑越多,对于某些增材制造技术的设计就越复杂,这也与制造支撑所需的材料量密切相关。零件所需的材料量可以通过考虑各方面的因素进行优化,如对齐和精度,以及其他设计和制造因素。适当调整参数,不仅可以减少打印时间和材料,同时降低最终成本和缩短交货时间。

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总之,在处理具有多处悬垂的复杂零件或模型时,在增材制造过程中使用支撑是必要的。然而,重要的是要了解每种技术的具体情况,以便最大限度地利用这些支撑结构,获得高质量的最终零件。

意外不免存在,一件完美打印的模型在支撑拆除过程中,可能因为支撑的设置有问题而导致模型被毁,甚至因为支撑结构的碎裂而划伤皮肤。UltiMaker(展位号J90)将在 3D 打印行业深耕多年的经验整合到UltiMaker Cura中,为用户提供了一套成熟的解决方案。

通过在设置中增加的“支撑顶板”和“支撑底板”的方式,可以将临近的独立支撑变成一个整体结构,剥离的时候受力点更多,不容易断裂,剥离不再费事费力。得益于UltiMaker 2+ Connect 出色的打印质量控制,以及UltiMaker Cura 出色的切片控制,用户很轻松地就能将整个支撑结构剥离下来,支撑的去除变得十分爽快,并且支撑结构与模型没有藕断丝连,模型表面质量大大提升。

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随着越来越多的垂直行业采用3D打印,后处理市场将迎来更加蓬勃的发展。浙江拓博、DyeMansion、欧瑞康、ORYX ADDITIVE等公司将会亮相2023年9月12-14日在国家会展中心举办的TCT亚洲展,一站式了解后处理部件从打印完成直到应用的一系列操作。现在扫描下方二维码预约参观,与现场来自米其林、博世、中国商飞、中国航空工业、强生、ANKER、高露洁、蔚来、上海地铁、乐高、Apple、博世、一汽大众等专业观众共探3D打印的独特魅力。

*部分内容来源于3dnatives

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(TCT亚洲视角)

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