3D 打印支撑结构：完整指南
3D 打印支撑结构：完整指南
支撑结构是3D打印中一个至关重要的元素，它确保了复杂几何形状的可打印性，并防止零件在打印过程中发生变形或坍塌。本文将为您详细介绍支撑结构在不同3D打印技术中的应用、设计方法以及如何最大限度地减少其使用，帮助您更好地掌握3D打印技术。
什么是支撑结构？
支撑结构在3D打印过程中扮演着关键角色，主要用于确保零件的稳定性和形状准确性。它们类似于建筑中的脚手架，在打印完成后需要被移除。支撑结构主要用于处理具有悬垂、孔洞和桥接等复杂特征的零件，这些特征在没有支撑的情况下很容易坍塌。此外，在金属3D打印等高温工艺中，支撑结构还起到散热的作用，帮助减少残余应力。
什么时候需要支撑结构？
不同3D打印技术对支撑结构的需求存在差异：
- 光固化成型（SLA）：需要支撑结构以确保零件固定在打印床上并防止翘曲。
- 熔融沉积建模（FDM）：当悬垂角度超过45度或存在大于5毫米的桥接特征时需要支撑。
- 材料喷射：无论角度如何，悬垂都需要支撑，但这些支撑通常由可溶解材料制成，易于去除。
- 选择性激光烧结（SLS）和粘合剂喷射：由于打印部件被封装在松散的粉末中，通常不需要额外的支撑结构。
金属3D打印中的支撑结构
粉末床融合技术（SLM、DMLS、EBM）
采用金属粉末床融合技术时，支撑结构主要用于确保零件固定在基板上并减轻残余应力。支撑通常设计为晶格结构，以优化散热效果并节省材料成本。
直接能量沉积（DED）
与粉末床融合技术类似，使用DED技术打印的零件也需要支撑结构以确保稳定性。支撑结构的设计需要平衡精度需求与成本和后处理时间。
立体光刻（SLA）中的支撑结构
SLA技术中使用的支撑结构非常薄，仅略微接触零件，便于手动移除。然而，去除支撑后通常需要打磨以获得光滑的表面光洁度。
熔融沉积建模（FDM）中的支撑结构
FDM工艺中，每一层都略微突出以与前一层粘合。角度在45度以内的特征可以不使用支撑，而超过45度的悬垂则需要支撑。支撑结构可以采用点阵或树状结构，以优化材料使用。
支撑结构的缺点
尽管支撑结构对3D打印至关重要，但它们也带来了一些问题：
- 材料成本增加：支撑结构需要额外的材料，且通常无法重复使用。
- 设计限制：手动移除支撑时需要考虑工具可达性，这可能限制某些复杂几何形状的设计。
- 生产时间延长：设计支撑结构和后续的移除过程都需要额外的时间。
- 表面质量影响：支撑结构的移除可能会在零件表面留下痕迹，影响美观和尺寸精度。
减少支撑结构使用量的策略
为了优化3D打印过程，可以采取以下策略减少支撑结构的使用：
- 优化零件方向：通过调整零件的打印方向，可以减少所需的支撑结构数量。
- 优化支撑设计：使用拓扑优化和晶格结构等技术，可以减少支撑材料的使用量。
- 使用圆角和倒角：将大于45度的悬垂转换为小于或等于45度的角度，可以减少对支撑的需求。
- 拆分零件：对于复杂模型，可以将其拆分为多个部分分别打印，然后组装，这样可以显著减少支撑结构的使用。
未来发展趋势
随着3D打印技术的进步，支撑结构的使用正在发生变化。例如，Desktop Metal开发了“可分离支撑”技术，使用陶瓷粉末作为界面层，使支撑结构更容易移除。Velo3D则通过智能融合技术，将金属零件的支撑需求减少了五倍。这些创新正在逐步改变支撑结构在3D打印中的角色，使其从“必要之恶”转变为更高效、更智能的辅助工具。