FDM 3D打印支撐結(jié)構(gòu)及易于剝離方法的研究

盧帥 晁艷普

摘? 要：熔融沉積成型3D打印在成型具有大跨度結(jié)構(gòu)、外伸結(jié)構(gòu)等懸空特征的模型時(shí)有添加輔助支撐結(jié)構(gòu)的必要性。文章針對(duì)FDM成型技術(shù)中支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，提出了熔融沉積成型3D打印支撐結(jié)構(gòu)與實(shí)體模型易于剝離的方法，科研實(shí)踐表明該方法對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的可去除性有較好的改善效果。

關(guān)鍵詞：FDM;3D打印;支撐結(jié)構(gòu);易于剝離

中圖分類(lèi)號(hào)：TH-3? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）09-0122-02

Abstract： FDM 3D printing is necessary to add auxiliary support structure when forming a model with large span structure and overhanging structure. Based on FDM molding technology of the supporting structure are studied， put forward the fused deposition molding 3 d printing support structure and entity model easy to stripping method， scientific research and practice show that this method can remove sex of support structure has good improvement effect.

Keywords： Fused Deposition Modeling; 3D Printing; support structure; easy stripping

引言

熔融沉積式（FDM）3D打印原理是打印機(jī)接收到由切片軟件處理的3D數(shù)據(jù)，將材料熔化沉積，是一種分層制造、逐層累積的過(guò)程。熔融沉積成型工藝要求在對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行堆積成形的同時(shí)就設(shè)置好支撐，支撐結(jié)構(gòu)對(duì)提高具有懸空特征結(jié)構(gòu)的模型表面質(zhì)量具有重要作用，其不足之處是成型后與實(shí)體難以剝離。因此，在FDM快速成型工藝過(guò)程當(dāng)中，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的研究有非常重要的作用。

1 熔融沉積成型3D打印添加支撐結(jié)構(gòu)的必要性

熔融沉積式3D打印機(jī)是三自由度結(jié)構(gòu)，X軸和Y軸所構(gòu)成的平面是模型切片分層輪廓截面以及模型內(nèi)部填充路徑所在平面，每成型一層，底座平臺(tái)相對(duì)于噴頭結(jié)構(gòu)沿Z軸放向下降一定片層高度。由于成型耗材受重力影響，每成型一層就必須在上一層打印布局的基礎(chǔ)上給予支撐。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件模型，其在成型過(guò)程中，片層截面輪廓變化明顯，如果上一層不能為下一層提供支撐定位，會(huì)嚴(yán)重影響模型的成型質(zhì)量甚至無(wú)法成型。因此，支撐結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)體模型的形狀精度、尺寸精度、表面質(zhì)量及其后處理具有十分重要的作用，支撐結(jié)構(gòu)是模型成型的關(guān)鍵。

2 熔融沉積成型支撐結(jié)構(gòu)類(lèi)型及生成方法

2.1 支撐結(jié)構(gòu)類(lèi)型

FDM支撐結(jié)構(gòu)成型類(lèi)型可分為以下幾類(lèi)：（1）基礎(chǔ)支撐?；A(chǔ)支撐是為模型成型過(guò)程中提供基本支撐并調(diào)節(jié)工作平面的局部平整度，便于模型成型后從工作臺(tái)上剝離下來(lái)，從而使模型底部的表面質(zhì)量更好?；A(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)的形狀和大小以模型最大包圍面向Z軸方向的投影再作適量擴(kuò)展。對(duì)于某些特殊結(jié)構(gòu)的模型部件，可根據(jù)工作平臺(tái)不能與模型成型底面相接觸的原則設(shè)計(jì)，盡量減少添加不必要的支撐部分。（2）整體支撐。整體支撐是通過(guò)完全包圍的方式成型整個(gè)模型，不用考慮模型本身的復(fù)雜程度，而且成型過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單。整體支撐能保證模型的成型質(zhì)量，但對(duì)后處理帶來(lái)很大的麻煩，同時(shí)也造成支撐材料的大量浪費(fèi)和成型時(shí)間的增多。（3）局部支撐。局部支撐根據(jù)模型的結(jié)構(gòu)，在需要添加支撐的表面添加支撐，是整體支撐基礎(chǔ)上的一種改進(jìn)。另外，在成型過(guò)程當(dāng)中，成型材料在熔融狀態(tài)下?lián)碛幸欢ǖ恼承?，熔融材料本身?yè)碛幸欢ǖ淖灾文芰?，在支撐臨界角范圍內(nèi)也不需要添加支撐結(jié)構(gòu)。

2.2 熔融沉積成型支撐結(jié)構(gòu)的生成方法

（1）手動(dòng)添加支撐。通過(guò)CAD軟件獲得零部件的數(shù)字模型，對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)格式共享，再對(duì)模型進(jìn)行切片分層和堆積成型，通過(guò)設(shè)定模型最優(yōu)的成型方向，確保最少支撐結(jié)構(gòu)的添加。通過(guò)分層處理獲得每個(gè)層片的二維輪廓和結(jié)構(gòu)，同時(shí)生成每個(gè)層片的數(shù)控加工指令，通過(guò)逐層加工，三維實(shí)體零部件加工完成之后，最后再把支撐材料通過(guò)設(shè)備或工具進(jìn)行剝離。（2）自動(dòng)生成方式。該方式是通過(guò)算法自動(dòng)添加支撐，生成支撐比較全面，對(duì)算法的要求比較高?？傮w來(lái)講，關(guān)于生成算法可分為以下三類(lèi)：a.掃描線支撐結(jié)構(gòu)自動(dòng)生成算法。這種算法首先需要對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行切片分層處理，對(duì)切片分層二維結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，得出每層的掃描直線段，然后通過(guò)線段的和、差、并、補(bǔ)運(yùn)算自上向下生成支撐結(jié)構(gòu)的掃描線。b.切片支撐結(jié)構(gòu)自動(dòng)生成算法。該算法首先對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行切片分層，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)的主動(dòng)添加，添加的切片結(jié)構(gòu)分為實(shí)體切片結(jié)構(gòu)和支撐切片結(jié)構(gòu)。這種支撐算法需要對(duì)層片結(jié)構(gòu)進(jìn)行偏置和布爾運(yùn)算，提高了算法的復(fù)雜程度。c.STL模型支撐結(jié)構(gòu)自動(dòng)生成算法。該算法是對(duì)模型所有三角面片的法向矢量進(jìn)行判斷，并對(duì)所有面片進(jìn)行分類(lèi)，即需要添加支撐的三角面片和不需添加支撐的三角面片。把需要添加支撐的三角面片及其相鄰面片合并成若干待支撐區(qū)域，在待支撐區(qū)域上自動(dòng)生成合適的支撐結(jié)構(gòu)，然后將總體進(jìn)行分層切片處理。

3 熔融沉積成型支撐結(jié)構(gòu)剝離方法與措施

3.1 支撐結(jié)構(gòu)剝離方法概述

熔融沉積成型工藝中常用的支撐剝離方法有手工剝離、加熱剝離和化學(xué)剝離。手工剝離是指用工具如斜口鉗、刻刀等手工把支撐材料從成型零件上剝離下來(lái)。加熱剝離是指當(dāng)成型材料熔點(diǎn)較高而支撐材料熔點(diǎn)較低時(shí)，利用熔點(diǎn)差對(duì)零件模型進(jìn)行加熱使支撐材料優(yōu)先熔化而保留實(shí)體模型?；瘜W(xué)剝離是指當(dāng)支撐材料可以溶解于某種化學(xué)溶劑而成型材料不受任何損傷時(shí)，可利用此化學(xué)溶劑使支撐材料溶解進(jìn)而與實(shí)體模型相分離。目前，大部分的成型件依然采用手工剝離，工件的表面質(zhì)量往往會(huì)受到影響。如可能會(huì)出現(xiàn)工具劃痕，也有可能用做支撐的材料與模型結(jié)合過(guò)于緊密，以至于難以去除，強(qiáng)制去除后會(huì)在零件表面留下刮痕和凹坑，破壞表面的平整度，這種情況下需對(duì)成型后的模型進(jìn)行后處理，如打磨、拋光等，以提高模型的表面質(zhì)量。