3D打印中支撐結(jié)構(gòu)因素的技術(shù)分析

樊　佳

(廣東省理工職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣東　廣州　510500)

0　引言

3D打印技術(shù)作為一種新型的快速成型方法已不是什么新鮮的話題，如FDM、SLA、DLP、SLS、SLM、3DP技術(shù)，它們都存在著各自的優(yōu)勢。但不管是哪種方法，都不可避免地要面對打印模型支撐的設(shè)置及去除問題。有過3D打印經(jīng)驗的人都知道，打印支撐的設(shè)置對打印模型表面精度的影響非常大，同時對打印完成后模型支撐的后處理也非常重要。因此，支撐問題可以說是3D打印技術(shù)中急需解決的一個難點問題。

縱觀3D打印技術(shù)的前沿發(fā)展動態(tài)不難發(fā)現(xiàn)，對于支撐問題的解決方法也是花樣百出，層出不窮。例如，西班牙泰羅尼亞高等建筑學(xué)院和荷蘭阿姆斯特丹工作室的科研人員研制出一種名為“MATAERIAL”的反重力3D打印技術(shù)，在不借助任何支撐材料的情況下可以在任意表面打印3D結(jié)構(gòu)。 其原理就是通過中和重力的影響，讓打印物不是立在某一水平面上，而是懸浮在空中，實現(xiàn)了任何角度任何方向上的打印。盡管這種方法打印時也需要一個支點，但與現(xiàn)有的技術(shù)相比，反重力3D打印技術(shù)概念的提出已經(jīng)是非常大的進(jìn)步了。又如，在3D激光燒結(jié)技術(shù)中，為了擺脫支撐對3D打印結(jié)構(gòu)的束縛，英格蘭謝菲爾德市的謝菲爾德大學(xué)增材制造研究中心的Neil教授和他的團(tuán)隊已經(jīng)開發(fā)出一種“無錨的選擇性激光燒結(jié)技術(shù)”。還有以色列一家公司研發(fā)了一種獨特的“分布式凝膠打印技術(shù)”，這種技術(shù)專門針對大型物件，尤其是需要很多支撐的懸挑和多角結(jié)構(gòu)。本文以FDM(熔融沉積成型)打印技術(shù)為例，通過實驗分析的方式分析在KISSlicer切片軟件中支撐參數(shù)的設(shè)置與打印模型表面精度的關(guān)系，以及面對不同結(jié)構(gòu)特點的打印模型，KISSlicer切片軟件中支撐參數(shù)該如何設(shè)置，才能夠?qū)?D打印效果達(dá)到最優(yōu)化。

1　FDM打印技術(shù)中支撐設(shè)置問題

3D打印技術(shù)中的FDM(熔融沉積成型)技術(shù)是指利用高溫將材料融化成液態(tài)，通過打印頭擠出后固化，最后在立體空間上排列形成立體實物。它的原理其實就是將三維實體進(jìn)行切片處理，通過一層一層的堆疊，最終完成三維實體模型的過程。但在堆疊熔融的塑料時，若碰到如圖1所示的模型形狀時，由于物體重力的影響，斜邊處于懸空狀態(tài)，在材料還未固化之前，就會因自身重力影響而墜落，最終導(dǎo)致模型無法打印成型。于是，我們可以考慮在這種斜邊壁的下方多打印出一些小支柱，用來解決斜邊壁因自身重力的影響而發(fā)生墜落的問題。它的原理類似于一些大型建筑物或橋梁結(jié)構(gòu)都會在中間部位設(shè)計一些支柱，支撐起建筑物自身的重力結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)建筑物或橋梁的穩(wěn)固性。那么，當(dāng)打印模型表面的傾斜角度超過多少就必須添加支撐，是我們必須要搞清楚的問題。

從物理學(xué)的角度分析，根據(jù)重力原理如果一個物體的某個面與垂直線的角度大于45°且懸空，就有可能發(fā)生墜落，因此，在3D打印過程中應(yīng)該遵循45°角的原則。也就是說，當(dāng)模型表面的傾斜角度不超過45°時，可以不考慮添加支撐；當(dāng)模型表面傾斜角度大于45°時，則必須添加支撐結(jié)構(gòu)。模型表面的傾斜角度是指Z軸(豎直)方向與模型斜面的夾角，如圖2所示。

2　支撐角度設(shè)置為45°時不同傾斜角模型的3D打印實驗

為了檢驗45°角的原則能否作為3D打印中支撐設(shè)置的判斷依據(jù)，本文借助KISSlicer切片軟件，并利用FDM桌面打印機(jī)進(jìn)行一項實驗。

圖1三維打印模型圖23D打印模型的傾斜角度

首先，構(gòu)思確定3個外型結(jié)構(gòu)相同的簡單模型(如圖3所示)，高度均設(shè)置為20 mm，三者的區(qū)別在于斜邊的傾斜角分別為15°、45°、75°；接著利用三維繪圖軟件(如Pro/E)分別將圖3所示的3個模型繪制成三維圖形，并保存輸出為STL文件格式；接著分別把3個圖形導(dǎo)入到KISSlicer切片軟件中，需要注意的是，在切片操作的過程中，要確保所有的參數(shù)設(shè)置都保持不變，支撐角度都設(shè)置為45°，再進(jìn)行切片處理并保存輸出，生成3個gcode格式文件；最后，將此3個模型的gcode文件拷貝入SD卡，利用FDM打印機(jī)通過讀取SD卡中的文件進(jìn)行模型打印。最終打印出的模型效果如圖4所示。

圖3　三維打印實驗?zāi)Ｐ?/p>

圖4　最終3D打印出的模型

比較打印完成的3個不同傾斜角度的模型實體，不難發(fā)現(xiàn)，傾斜角度為15°的模型雖沒有支撐結(jié)構(gòu)，側(cè)壁表面平整，精度較高；傾斜角度為45°的模型，也沒有打印支撐結(jié)構(gòu)，但側(cè)壁表面不如15°模型的精度高；而傾斜角度為75°的模型則有打印支撐結(jié)構(gòu)，但支撐材料非常緊密地粘著在模型側(cè)壁的外表面(如圖5所示)基本無法處理干凈，直接導(dǎo)致模型達(dá)不到普通產(chǎn)品的合格標(biāo)準(zhǔn)，而成為廢品，也就是說傾斜角度為75°的模型最終是打印失敗的。

圖5　傾斜角度為75°打印失敗的模型

通過本組實驗證明：對于FDM打印技術(shù)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中的傾斜角度越小，打印時支撐越少或是無需支撐，打印模型的精度就會越高。因此，在利用3D打印產(chǎn)品時，在不影響產(chǎn)品使用功能的前提下，產(chǎn)品設(shè)計時應(yīng)盡量避免產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的傾斜角度大于45°，即選用0°～45°最為合適。

3　支撐角度與打印模型支撐體生成的關(guān)系

實踐證明，對于模型的傾斜角度我們應(yīng)遵循以上論證的45°角的原則。除此之外，打印切片軟件中支撐角度的設(shè)置值直接關(guān)系到模型中不同傾斜角度側(cè)的支撐體生成情況。舉例說明，如圖6所示，若把KISSlicer切片軟件中支撐角度設(shè)置為90°，那么只有當(dāng)模型表面傾斜角度為90°時，才會生成支撐體；如圖7所示，若把KISSlicer切片軟件中支撐角度設(shè)置為70°，那么模型表面傾斜角度為70°～90°時，才會生成支撐體；如圖8所示，若把KISSlicer切片軟件中支撐角度設(shè)置為45°，那么模型表面傾斜角度為45°～90°時，才會生成支撐體。由圖6～圖8可以看出，設(shè)置的角度越小，支撐體就會越多。

圖6　支撐角度設(shè)置為90°時打印模型的支撐體結(jié)構(gòu)

圖7　支撐角度設(shè)置為70°時打印模型的支撐體結(jié)構(gòu)

圖8　支撐角度設(shè)置為45°時打印模型的支撐體結(jié)構(gòu)

4　傾斜角相同時支撐角度設(shè)置不同的3D打印實驗

選擇一個傾斜角度為30°的模型結(jié)構(gòu)(如圖9所示)，但在對模型切片的過程中分別將支撐角度設(shè)置為15°、30°、45°，其他所有參數(shù)設(shè)置保持不變，然后進(jìn)行切片保存輸出，生成3個gcode格式打印文件；同樣傳輸?shù)紽DM桌面打印機(jī)進(jìn)行打印，最終打印完成的模型實體如圖10所示。

通過這組實驗我們發(fā)現(xiàn)，支撐角度設(shè)置越小，打印的支撐體就會越多，也就是說材料消耗也會越多。但對比3組模型發(fā)現(xiàn)，模型表面的精度沒有太大的區(qū)別，說明并不是打印支撐越多，模型表面的精度就會越高。經(jīng)過反復(fù)不斷地實驗最終發(fā)現(xiàn)：支撐角度的大小應(yīng)根據(jù)模型傾斜角度的大小來確定。一般情況下，支撐角度應(yīng)該要比模型傾斜角度略小一些。這樣打印出來的模型才是最理想的狀態(tài)，節(jié)省材料的同時使支撐材料從模型表面的脫落變得非常容易，因此也不會影響到模型表面的精度，從而使模型能夠達(dá)到產(chǎn)品表面精度標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖9　傾斜角度為30°的三維模型

圖10　傾斜角度為30°不同支撐角度模型的最終打印效果

5　結(jié)語

綜上所述，3D打印技術(shù)中的支撐問題是一個非常復(fù)雜而又非常關(guān)鍵的問題，它將會成為3D打印技術(shù)能否實現(xiàn)質(zhì)的飛躍的一個決定性因素。根據(jù)目前的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀來看，還沒有一個非常有效可行的方法能夠非常完美地解決打印過程中支撐的除去問題。因此，這個問題值得我們進(jìn)一步去深入研究探索，相信在不久的將來，完全可以實現(xiàn)3D打印的無支撐化，不僅僅不需要我們在模型的后處理上花費大量的時間和精力，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)制造業(yè)真正的“零損耗”。因此，無支撐的3D打印技術(shù)完全有可能實現(xiàn)，值得我們?nèi)テ诖?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]伍詠暉,李愛平,張曙.三維打印成形技術(shù)的新進(jìn)展[J].機(jī)械制造,2005(12):62-64.

[2]譚永生.FDM快速成型技術(shù)及其應(yīng)用[J].航空制造技術(shù),2000(1):26-28.

[3]邵宇．3D打印技術(shù)的發(fā)展與產(chǎn)品設(shè)計民主化[J]．工業(yè)設(shè)計,2013(3):65-67.