增材制造技术之九—支撑结构

发表于 2017-3-20 16:17:44 显示全部楼层 5 2614

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了解支撑结构,懂得何时需要加支撑以及支撑是怎样影响打印质量和成本的。

内容

  • 介绍
  • FDM支撑
  • SLADLP支撑
  • 材料喷射(Polyjet)支撑
  • SLS支撑
  • 粘结剂喷射支撑
  • 金属打印支撑
  • 经验总结

1. 介绍

3D打印采用逐层构建,根据具体的工艺类型以及模型的复杂性,有些打印过程可能需要添加支撑。
当选择采用什么工艺进行打印时,需要考虑支撑结构以及可能带来的影响,支撑结构会对表面质量造成影响,在后处理过程中可以去除,但是会留下瑕疵使表面粗糙度增加。

本文讨论如何给特定的打印工艺添加支撑结构,以及给设计工作所带来的启发。

2. FDM支撑结构

FDM技术沿着预定路径将熔化的线材挤出到构建平台上,材料挤出后冷却凝固,为构建下一层提供支撑,如此往复直到打印完成。

2.1 FDM工艺何时需要添加支撑

采用FDM打印工艺,每一层打印一组线材,其粘附在下层并且相邻线之间相互黏结,每一层的打印路径都与上一层轨迹有所交叉。当模型倾斜面低于45度时需要添加支撑。

2.2 桥接vs支撑

以上规律也有例外,当采用热材料进行打印时,桥接位置在两个点之间被短距离拉伸,可以不加支撑,下垂很小。如果桥接距离超过5mm,需要添加支撑以保证精度。

2.3 FDM支撑中的ABCs类型(YHTs类型)

想象一下字母Y、H、T,以及与之相近的模型。
1)        类字母Y的模型比较容易打印,即使悬臂角度伸展为45度或小一点,也不需要支撑。
2)        类字母H的模型稍微复杂,但如果桥接跨度小于5mm,也不需要添加支撑,跨度超过5mm就需要添加支撑。
3)        类字母T的模型必须添加支撑,由于完全悬空没有支撑会跌落。

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FDM打印Y、H、T结构所需的支撑示意图

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FDM打印的实体结构

下图为T型结构的打印效果,表面有明显的下垂,需要大量的后处理进行清洁。

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不添加支撑结构时打印失败

2.4 FDM支撑的缺点

在FDM打印时添加支撑就得需要后处理,导致与支撑接触的表面留下痕迹甚至损坏。另一个问题是,打印在支撑上的层往往不太完美,因为支撑的强度比实体要低一些。而且支撑也很难从一些比较细小的结构中去除。

此外,支撑的打印也增加了材料的使用量从而产生了额外的成本,支撑的去除也增加了更多的工作,使总成本升高。
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 楼主| 发表于 2017-3-21 15:31:15 | 显示全部楼层
2.5 FDM打印到底需要多少支撑?

下面的拱形案例仅需要在必要的位置添加有限数量的支撑便可以实现精确打印。

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圣路易斯拱门展示了拱形结构添加支撑的完美例子

下图中在立方体中的球展示了需要添加大量支撑的案例,在该案例中支撑的去除非常复杂,需要用尖嘴钳去除每个支撑,还要防止与支撑接触的表面不被损坏。在移除支撑后,打磨和磨平表面也非常困难。

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2.6 FDM的两种支撑类型

FDM包含两种支撑类型。

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两种不同类型的支撑结构:手风琴支撑(左)和树支撑(右)。

第一种支撑最适合FDM打印,有些打印机比较倾向于使用第二种树状支撑,这种添加支撑的方法并未广泛使用,但其与零件表面接触较少,可以在后处理中获得比较好的表面质量。操作人员往往会选择最合适的支撑类型以减少对设计美感的影响。

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去除支撑后的拼图模块

2.7 可溶性支撑
在具有两个打印头的打印机上,支撑材料可以选用可溶性材料,去除支撑时可以将零件浸泡在化学溶液中,支撑材料会溶解而零件本身不会受影响,因此可以获得较好的表面质量,但这种打印方法可能增加成本而且耗时。Ultimaker 3打印机采用PVA打印支撑,易于通过溶解去除。




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 楼主| 发表于 2017-3-21 15:42:43 | 显示全部楼层
3. SLA和DLP支撑结构

SLA及DLP技术通过光源固化光敏树脂打印零件,SLA通过激光扫描树脂成型,DLP通过上曝光或下曝光来固化树脂,这意味着模型最终将从液体材料中取出。

3.1 SLA和DLP打印何时需要添加支撑

为了确保打印件固定在构建平台上而不在树脂槽中漂浮,SLA和DLP工艺几乎在所有情况下都需要支撑。这些支撑结构看起来像薄肋,只有尖端小部分接触模型,节省材料和打印时间。软件会根据模型的形状以及打印方向自动计算支撑的位置、数量、结构以及接触模型的面积。

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具有支撑结构的SLA打印零件

SLA和DLP工艺精度非常高,可以以精确的细节打印最小和最复杂的模型,通过适当的后处理,支撑结构不会对产品质量造成影响。

3.2 从SLA和DLP打印零件中去除支撑

首先使用酒精清洗零件,溶解树脂材料,然后用钳子折断去除支撑,通过砂纸等工具磨光零件表面。

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去除支撑结构

3.3 SLA和DLP工艺支撑设计注意事项

零件打印方向在SLA和DLP工艺中支撑的位置选择具有重要影响,通过优化打印方向可以减少支撑数量和制造成本。如果外观比较重要,可以选择需要极少支撑的生长方向;如果零件具有大量的细节以及很多薄壁或复杂的结构特征,可以将零件切割成多个部分进行分别打印,然后通过卡扣或粘结剂组装在一起,也可以改善打印质量和外观。
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SLA打印零件在支撑位置留下痕迹
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 楼主| 发表于 2017-3-22 16:13:17 | 显示全部楼层
4. PolyJet技术的支撑结构

材料喷射技术类似于喷墨印刷,但是这些3D打印机不是将墨滴喷到纸上,而是将液体光敏树脂喷射到构建平台上采用紫外光进行固化。

4.1 材料喷射技术何时需要支撑材料

该技术打印零件时,无论倾角多大,在有悬空的位置都需要添加支撑。支撑在后处理过程中可通过水枪、超声波浴或者喷砂去除。

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去除PolyJet水溶性支撑材料

与FDM技术不同,材料喷射技术的支撑不会损害零件外观、表面质量以及技术特性,经过适当的后处理加支撑的位置与未加支撑的位置并没有明显区别。

4.2 PolyJet技术的零件设计规则

由于在后处理期间会用到电动工具(如水刀、喷砂机等),复杂的模型可能会被损坏,因此需要遵循PolyJet技术的零件设计规则,以避免上述问题。如果零件中复杂的特征或细线,建议采用SLS工艺打印。

5. SLS工艺支撑类型

SLS工艺采用激光熔化粉末,在打印过程中由于粉末可以作为支撑,因此零件本身不需添加支撑。这给出了更多的设计自由度,同时也增加了打印时间和成本。零件的后处理需要等到成型室冷却之后进行,包括使用气枪清理多余的粘粉等多个步骤。

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SLS工艺中粉末作为自然支撑很容易去除
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 楼主| 发表于 2017-3-27 08:07:10 | 显示全部楼层
6. 粘结剂喷射技术支撑结构

粘结剂喷射技术类似SLS工艺,只不过是采用喷射胶水来粘接粉末而非使用激光熔化,与SLS工艺一样,该技术同样不需要支撑结构,在后处理过程中也需要使用气枪清理周围粘接的粉末,需要多个步骤。

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清理粘结剂喷射技术制造零件的表面余粉

7. 金属打印支撑结构

金属打印支撑是为了将打印工件与工件平台牢固的固定在一起,当倾角大于35度时可以不添加支撑。当需要添加支撑的时候,应该确保添加支撑的角度、位置等因素,以方便在后处理过程中易于去除。

2.jpg
金属打印支撑结构

支撑的添加不会影响零件的性能,通过适当的后处理支撑可以被去除。

金属打印何时需要添加支撑?金属打印后处理的步骤取决于所需要的零件表面光洁度,支撑去除后需要喷砂、手工抛光等。

8. 经验总结

下表总结了每种工艺是否需要支撑的情况:

打印技术 需要支撑
FDM 取决于模型
SLA和DLP 取决于模型
SLS 不需要
PolyJet 需要,去除容易
粘合剂喷射 不需要
金属印刷 需要

支撑往往对零件的外观造成影响,支撑去除之后需要通过后处理来改善零件表面质量。

支撑需要的越多,支撑的设计就越复杂,可以通过改变打印方向来优化支撑数量减少制造成本和打印时间。
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