FDM 3D打印中支撐的添加及方法研究

曹昭平（武漢技師學(xué)院 機械制造工程系，湖北 武漢 430000）

1 引言

3D打?。?DP）即快速成型技術(shù)的一種，又稱增材制造技術(shù)，是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，利用特殊耗材（膠水、樹脂或粉末等），按照由電腦預(yù)先設(shè)計好的三維立體模型，通過黏結(jié)劑的沉積將每層粉末黏結(jié)成型，最終打印出3D實體。根據(jù)技術(shù)原理不同[1]，目前流行的快速成型技術(shù)有多種，而其中應(yīng)用于3D打印機的技術(shù)分為熔融層積成型技術(shù)（FDM）、立體光固化成型技術(shù)（SLA）、粉末粘結(jié)技術(shù)（3DP）、選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）、分層實體制造技術(shù)（LOM）等。其中采用FDM技術(shù)的3D打印機機械結(jié)構(gòu)最簡單、設(shè)計也最容易，制造成本、維護(hù)成本和材料成本也最低，因此不僅在醫(yī)療、教學(xué)、模具制造和原型制造等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，而且在家用桌面級3D打印機中也應(yīng)用最廣。

上述五種3D打印技術(shù)中，又以熔融層積成型技術(shù)（FDM）和立體光固化成型技術(shù)（SLA）需要考慮添加打印支撐結(jié)構(gòu)，其余三種則不需要考慮打印支撐結(jié)構(gòu)。在FDM 3D打印技術(shù)中，合理地添加支撐不僅能保持零件形狀、減少零件的翹曲變形、防止零件懸空部分的塌陷，而且可以減少打印時間和材料。本文將從FDM 3D打印中支撐的添加原理出發(fā)，系統(tǒng)地對Simplify3d、Meshmixer、Magics三款軟件分別為STL文件添加支撐的方法進(jìn)行研究。

2 FDM 3D打印中支撐的添加原則及類型

在3D打印的過程中，給模型添加支撐是必不可少的環(huán)節(jié)。支撐添加的好與壞，直接決定了模型最后能否別成功打印。

2.1 支撐的添加原則

45度角原則。根據(jù)重力原理，不難得知，當(dāng)一個物體的某個面與垂直線的角度大于45度且懸空時，就有可能發(fā)生墜落。對于FDM 3D打印，也是如此，雖然在打印過程中，材料經(jīng)過熔化后，會出現(xiàn)一定的粘附性，但是，材料也有可能在沒有完全固化之前，因本身的重力而墜落，從而導(dǎo)致打印失敗。

因此支撐的臨界角如果大于設(shè)置的角度，底部則需要支撐，在設(shè)置時需根據(jù)具體的情況（如模型大小、價格、后處理等）加以注意。

2.2 支撐的添加類型

根據(jù)模型本身的特點，將模型的支撐類型分為完全支撐、部分支撐和不加支撐這三種。

① 完全支撐

在本研究中所使用的Simplify3d切片軟件中，系統(tǒng)會根據(jù)45度角原理，計算出模型所有需要添加支撐的點，自動為模型添加支撐。在加工中，下述兩種模型適合添加完全支撐：

（1）模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、枝角較多，重心分散，沒有一定的規(guī)律性；

（2）模型某些部位較纖細(xì)，且懸空部分較多。

② 部分支撐

部分支撐指的是在模型的某個點或某些部位添加支撐。該種支撐在打印中使用較多，常用手動添加的模式解決。在保證模型能被成功打印的前提下，一般采取的策略是支撐加的越少越好。這樣，不僅可以減少打印時間和材料，而且便于打印件的支撐去除。

③ 不加支撐

當(dāng)模型“下大上小”，整體呈現(xiàn)圓柱狀、圓錐狀或者是方狀體，底盤較大；或者模型的構(gòu)造極為簡單時，可以不添加支撐。

3 本研究中支撐添加的方法

3.1 Simplify3d軟件的柱狀支撐設(shè)計

Simplify3d軟件是德國3D打印公司German RepRap在2014年7月推出的一款全功能3D打印軟件。Simplify3d可取代Repetier-Host和Slic3r軟件，支持導(dǎo)入不同類型的文件，可縮放3D模型、修復(fù)模型代碼、創(chuàng)建G代碼并管理3D打印過程。在FDM 3D打印工藝中，Simplify3d軟件中支撐結(jié)構(gòu)的截面形狀為矩形，支撐類型為柱狀。在軟件中可以方便地完成支撐填充率、支撐柱大小、最大懸垂角度（一般設(shè)為45°）等參數(shù)的設(shè)置，自動生成支撐結(jié)構(gòu)。對于復(fù)雜造型產(chǎn)品，Simplify3d軟件的支撐生成可以自動完成，再手工修改優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)。

在具體案例研究中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)優(yōu)化后的模型不僅打印時間大為減少，而且原材料消耗也節(jié)省了。

3.2 Meshmixer軟件的樹狀支撐設(shè)計

在3D打印中，遇到懸空造型是沒辦法完全避免的。在這些案例中，常常會依靠支撐材來支撐懸空的部分。大部分的3D打印軟件都有自動生成支撐的功能，但能夠調(diào)整參數(shù)的并不多，這樣就導(dǎo)致了在一些懸空件中采用半支撐會撐不到，全支撐又太難拆又耗時的尷尬。Meshimixer軟件是Autodesk公司推出的3D打印軟件[2]，其中Overhangs模塊專門生成支撐材。在Overhangs模塊中可以依照打印需求自動生成符合模型需要的支撐結(jié)構(gòu)，支撐類型為樹狀支撐，也可以手動將支撐材做好，有效地減少支撐材的消耗跟時間。在本研究案例中，支撐結(jié)構(gòu)的截面形狀設(shè)為圓柱，支撐位置、支撐截面尺寸、支撐密度等進(jìn)行了優(yōu)化更改，從而優(yōu)化了模型的打印工藝。

3.3 Magics軟件的部分懸空件支撐設(shè)計

Magics軟件是比利時Materialise公司推出的3D打印商業(yè)化軟件。該軟件能夠?qū)⒉煌袷降腃AD文件轉(zhuǎn)化輸出到3D打印快速成型、快速模具制造，在修復(fù)優(yōu)化3D模型、分析零件、快速生成3D打印工藝中的支撐結(jié)構(gòu)方面具備全面的設(shè)計與建模能力。在復(fù)雜造型產(chǎn)品中，Magics軟件可以自動生成片式支撐，再手動修改優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)，不在本研究之列。在部分懸空件中，使用Magics軟件可以非常方便地對STL文件添加加支撐，提高打印質(zhì)量和成功率。

4 結(jié)論

Simplify3d、Meshmixer、Magics三款軟件是3D打印中常見的三款軟件，功能不同，適用范圍也不同，本文系統(tǒng)地對其進(jìn)行了比較，為后續(xù)FDM 3D打印支撐的添加工作帶來便利。