違背常識的“憑空造物”！盤點全球11種金屬及非金屬材料無支撐3D打印技術(shù)

南極熊導(dǎo)讀：我們都知道，由于受到地球重力的影響，3D打印的很多懸空度比較大的零件都要通過預(yù)先設(shè)計支撐結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，否則懸空結(jié)構(gòu)多會因為自重而發(fā)生坍塌。所以，無支撐3D打印一直以來都是違背常識的存在。不過，科技都是在一次次的突破人類固有的常識中取得進步的，那些之前不敢想的、不敢做的后來也都被一一實現(xiàn)。今天，南極熊就來帶你盤點一下當下已經(jīng)出現(xiàn)了的11種無支撐3D打印技術(shù)。

SLM Free Float

廠家：SLM Solutions

代表產(chǎn)品：無支撐金屬3D打印技術(shù)（FreeFloat）

發(fā)布時間：2021年6月23日

SLM Solutions于2021年6月份線上發(fā)布一款改變行業(yè)規(guī)則的跨時代產(chǎn)品——無支撐金屬3D打印技術(shù)（（Free Float），它賦予了增材技術(shù)全新的設(shè)計能力以及無與倫比的創(chuàng)造能力，為金屬增材制造帶來了更多的可能性。

這項“無支撐”技術(shù)最大的特點，就是減少甚至取消了以往打印過程中結(jié)構(gòu)件必須用到的支撐件，由于支撐機構(gòu)的存在導(dǎo)致3D打印的預(yù)處理和后處理過程非常耗時，同時也增加了材料成本以及限制了零件設(shè)計自由度。在提升金屬零部件生產(chǎn)力的同時，減少總體的材料使用，從而降低最終零部件的制造成本，實現(xiàn)工業(yè)規(guī)模的批量化生產(chǎn)。

全新亮相的Free Float無支撐技術(shù)是SLM Solutions通過不斷探索與創(chuàng)新中實現(xiàn)的又一突破，通過將多項技術(shù)的統(tǒng)一整合，最終實現(xiàn)大幅減少或消除零件打印所需的支持結(jié)構(gòu)。

△tct展會期間，SLM Solution展示的由無支撐打印技術(shù)制成的結(jié)構(gòu)件

總的來說，該技術(shù)具有以下諸多優(yōu)點：

1)      大幅減少或取消支撐結(jié)構(gòu)，減少后處理工作量

2)      擴大內(nèi)部冷卻流道的直徑，提升冷卻性能

3)      可打印更精確的薄壁結(jié)構(gòu)及更尖銳的邊緣結(jié)構(gòu)

4)      改善零部件表面光潔度

5)      減少復(fù)雜幾何圖形的翹曲情況

△SLM Solutions通過無支撐金屬3D打印技術(shù)制造出的零件

VELO3D Support Free Geometries

廠家：VELO3D

代表產(chǎn)品：Support Free Geometries無支撐金屬3D打印技術(shù)/藍寶石DMLS系統(tǒng)

發(fā)布時間：2021年9月

VELO3DMetal，成立于2014年,總部位于美國加州舊金山灣區(qū)，是一家數(shù)字制造公司，它是是一家直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）增材制造系統(tǒng)和打印準備軟件的開發(fā)商，發(fā)明了Support Free Geometries無支撐金屬3D打印技術(shù)。

該公司于2018年在國際制造技術(shù)展（IMTS）上首次披露了其藍寶石DMLS系統(tǒng)。藍寶石系統(tǒng)的關(guān)鍵是VELO3D的智能融合技術(shù)，它可以模擬和預(yù)測零件變形，消除支撐結(jié)構(gòu)。智能融合工藝通過調(diào)整零件設(shè)計來平衡變形，并配合前饋閉環(huán)熔池控制和原位計量數(shù)據(jù)來實現(xiàn)，生產(chǎn)出的零件幾乎沒有支撐結(jié)構(gòu)。

△Velo3D Sapphire 金屬3D打印機構(gòu)建室，是圓柱形的

在今年9月份的RAPID+TCT2021展會上，VELO3D在藍寶石3D生產(chǎn)打印機上引入了首個3D金屬打印的無支撐功能。 通過減少金屬增材制中對支撐結(jié)構(gòu)的需求，這可以實現(xiàn)無限的設(shè)計創(chuàng)新。此外，VELO3D開發(fā)了一個完整解決方案，包括VELO 3D制造商可以使用Flow™打印準備軟件，Sapphire®激光粉末床AM系統(tǒng)和Assure™質(zhì)量保證軟件。其3D打印專利技術(shù)SupportFree Powder Bed Fusion（無支撐粉末床金屬3D打�。﹥�(yōu)于競爭對手，因為在打印過程中不使用支撐。

△無支撐3D打印演示

Incus

廠家：Incus

代表產(chǎn)品：液態(tài)光固化金屬3D打印制造（LMM）技術(shù)

發(fā)布時間：Formnext 2019

在Formnext 2019上，Incus首次公開了其光固化金屬3D打印制造（LMM）技術(shù)。其Hammer系列機器使用光聚合技術(shù)低成本地3D打印高精度的金屬部件，例如散熱器和鉆頭，具有良好的結(jié)構(gòu)和良好的表面光滑度。

如今的制造市場，對于能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜幾何形狀進行批量生產(chǎn)和功能性原型3D打印技術(shù)的需求量很大，Incus表示，除了小批量生產(chǎn)零件外，LMM技術(shù)一種很好的低成本的技術(shù)。它在質(zhì)量上與金屬注射成型或MIM相媲美。據(jù)說其旗艦產(chǎn)品Hammer Lab35 3D打印機可以打印200克以下的零件，具有出色的機械性能，使用工業(yè)級光引擎橫向分辨率為35 μm，打印速度高達100 cm3/ h。此外，它使用的原料具有自支撐功能，允許在單個打印平臺上對不同幾何形狀進行體積優(yōu)化放置，而無需任何支撐結(jié)構(gòu)。

△無支撐液態(tài)光固化金屬3D打印機主要結(jié)構(gòu)

凝膠點膠打印技術(shù)（GDP）

以色列公司Massivit 3D針對打印大型物件，研發(fā)了一種獨特的3D打印技術(shù)，尤其適合需要很多支撐的懸挑和多角的結(jié)構(gòu)。

凝膠點膠打印技術(shù)所用的打印機需要一個可移動的起重機架來紫外光源照射光敏材料。一旦紫外線照射到某個區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的光敏性凝膠就會固化成堅固的聚合物。結(jié)合該公司的專有軟件和特殊光敏性凝膠，分布式凝膠打印技術(shù)可以在沒有支撐的情況下輕易打印直立墻壁和天花板。

這項技術(shù)結(jié)合了FDM和SLA的雙重優(yōu)點，它使用類似FDM的工作方式，以SLA的工作原理進行打印。請把FDM機器的噴頭想象成一個UV燈，這個燈沿著打印路徑飛快移動，固化路徑上的凝膠。

Xolo體積3D打印

發(fā)布者：xolo公司

代表產(chǎn)品：無需支撐的光固化3D打印——X線照相體積3D打印技術(shù)

發(fā)布時間：2020年12月

△X交叉光片照相體積光固化3D打印機

2020年12月23日，德國科學(xué)家在頂級期刊《nature》上重磅發(fā)布了一篇名為“xolography for linear volumetric 3D printing”的論文，并就這項技術(shù)創(chuàng)立了一家名為xolo的公司。這篇論文中公布了一種被稱為X線照相體積的3D打印技術(shù)，該技術(shù)允許以高達25微米的特征分辨率和55立方毫米/秒的固化速度3D打印物體。

xolography的方法并不像其他3D打印過程那樣依靠堆疊來3D打印對象，它是通過很多不同的角度將“射線光片”投射到透明樹脂桶中，然后選擇光的波長來激活被稱為雙色光引發(fā)劑(DCPIs)的分子，進而引發(fā)樹脂聚合，使單層薄片固化。Xolo還表示無論模型有多么復(fù)雜，X線照相光固化3D打印技術(shù)都不需要支撐結(jié)構(gòu)。這是因為打印作業(yè)的松散部分暫時被周圍的粘性樹脂支撐。

Xolo解析說，光敏樹脂材料單體的交聯(lián)，會導(dǎo)致密度變化，從而導(dǎo)致零件在重力作用下的下沉速率不同。樹脂的高打印速度和粘度使這種影響最小化，因此零件的下沉僅在制造完成后才變得明顯。

更為重要的是，論文表明該項技術(shù)的打印速度是雙光子3D打印技術(shù)的10,000-100,000倍。而且雙光子技術(shù)只能打印一些很小的物體，并且打印速度非常慢。但X線體積3D打印意味著大約每小時可以3D打印固化一升材料；如果使用更強大的激光光源和更精細的樹脂，打印速度將大大提高。

△X交叉光片照相體積3D打印技術(shù)原理

德國Fraunhofer研究所

發(fā)布者：德國Fraunhofer研究所與Rapid Shape公司

代表產(chǎn)品：TwoCure（雙固化）的全新樹脂3D打印技術(shù)

發(fā)布時間：2017年11月

△TwoCure技術(shù)的打印成品

2017年11月，德國Fraunhofer研究所與Rapid Shape公司合作研發(fā)了出了一種名為TwoCure（雙固化）的全新樹脂3D打印技術(shù)，而使用它完全不需要打印支撐結(jié)構(gòu)。

TwoCure技術(shù)的奧秘在于采用了“光固化”和“熱固化”兩種方法，正如其名所示。實際工作時，它會像DLP（數(shù)字光處理）技術(shù)一樣，用投影儀將對象的橫截面影像投射到樹脂上，實現(xiàn)“光固化”，逐層打印出物體。但同時，它還會通過加熱“熱固化”沒有被“光固化”部分的樹脂（也是逐層），令其變?yōu)橐环N類似“蠟”的狀態(tài)。而在整個過程中，這部分就起到了支撐的作用。

△TwoCure技術(shù)原理

BlackBelt

發(fā)布者：BlackBelt

代表產(chǎn)品：傳送帶3D打印機

與普通打印機相比，BlackBelt最大的不同有兩點：第一，就是用傳送帶替換了垂直升降平臺（Z軸），所以能實現(xiàn)連續(xù)打印和超長打印。正如下面的圖片所示，在末端加上一個收集器，就能在無需人工看護的情況下實現(xiàn)連續(xù)打印。而放置一個滾筒架，就能進一步提高打印長度，理論上可以達到無限。需要指出的是，傳送帶是用碳纖維復(fù)合材料制作的，粘性很強，并且經(jīng)過了嚴格的測試，所以可以確保打印過程中打印件的穩(wěn)定。

第二，則是將打印頭的運動平面（X、Y軸）由水平改為了傾斜，所以打印大部分形狀都不需要支撐，但在打印某些形狀時還是需要首先打印一個起支撐作用的“起始結(jié)構(gòu)”。正如下圖這架戰(zhàn)斗機，其前端與傳送帶并不接觸，所以打印前就需要首先打印一個楔形結(jié)構(gòu)（紅色部分）。據(jù)開發(fā)人員介紹，BlackBelt的最佳打印角度是45°，但這個數(shù)字也可以根據(jù)具體需求調(diào)整為15°、 25°和34°。

MIT凝膠3D打印

發(fā)布者：MIT

代表技術(shù)：快速液體打�。≧LP）

著名美國高校麻省理工學(xué)院（MIT）的最新研究——快速液體打�。≧LP），由該校自組裝實驗室（Self-Assembly Lab）與密歇根家具制造商Steelcase聯(lián)合開發(fā)，該項技術(shù)最大的亮點就是打印完全不需要支撐，并且尺寸可以非常大，因為其整個過程并不是發(fā)生在空氣中，而是在凝膠中，就像下面這樣：

凝膠在打印過程中起到了支撐和穩(wěn)定的作用。實際打印時，噴嘴會擠出兩種液態(tài)聚氨酯材料。隨后，該材料便會在化學(xué)作用下在幾分鐘之內(nèi)固化。最后只要將固化的結(jié)構(gòu)取出再沖洗干凈，你就得到最終產(chǎn)品了。

由于盛放凝膠的容器可以做得很大，這種方法的打印尺寸自然也就可以很大。而且，因為凝膠會充滿整個容器，所以打印任何結(jié)構(gòu)都可以一次成型。另外，這種方法能使用的原材料也不只是聚氨酯，還有橡膠、塑料等其它常見的工業(yè)原料。所以，它有望令當前的3D打印行業(yè)發(fā)生很大改變，最終應(yīng)用到許多行業(yè)中，尤其是定制辦公家具方面。

波音公司空間懸浮3D打印技術(shù)

發(fā)布者：波音公司

代表技術(shù)：空間懸浮3D打印技術(shù)

發(fā)布時間：2016年2月4日

△空間懸浮3D打印技術(shù)原理簡圖

航空巨頭波音公司曾研發(fā)了一項新的3D打印技術(shù)：空間懸浮3D打印技術(shù)。該技術(shù)最大的亮點在于，被打印物體會處于懸浮狀態(tài)，并且能夠360度自由旋轉(zhuǎn)。這樣，即便周圍有很多臺3D打印機，也不用怕任意堆疊材料了。有了這種技術(shù)，就完全破處了對某些形狀的3D打印限制，可實現(xiàn)一些復(fù)雜零部件的整體3D打印。

△3D打印材料是可以旋轉(zhuǎn)的，3D打印機甚至可以將材料添加到對象表面的底部

△波音公司研發(fā)的空間懸浮3D打印技術(shù)

我們都知道，作為地球上的任何東西，都無法擺脫重力的束縛，所以在打印物體時，就需要一個打印床作為支撐，以自上而下的方式打印物體，而波音公司的這項技術(shù)將徹底擺脫這種限制。它利用多個打印機同時擠出具有抗磁性的材料，而且這種材料在進行超級冷卻以后會變成超導(dǎo)體。實際上，由于3D打印對象被磁場支持著，打印機可以將材料沉積在對象的任何一邊，傳統(tǒng)的3D打印機只能進行自上而下的打印，空間懸浮3D打印技術(shù)完全可以不受這種順序的束縛。有了這項技術(shù)，被打印物體的每個部分都是懸浮的。這就意味著，今后的3D打印物體可能再也不需要支撐結(jié)構(gòu)了。

IAAC

發(fā)布者：西班牙加太羅尼亞國家建筑學(xué)會（IAAC）

代表產(chǎn)品：反重力建模技術(shù)

△“MATAERIAL”反重力3D打印技術(shù)

由于受到重力的限制，當下的3D打印技術(shù)只能在水平操控平臺上完成打印。來自西班牙加泰羅尼亞高等建筑學(xué)院（IAAC）和荷蘭阿姆斯特丹Joris Laarman工作室的一群科研人員研制出一種名為“MATAERIAL”的反重力3D打印技術(shù)，這項技術(shù)可以通過調(diào)整3D打印過程中，機器處理模型傾斜度、平滑度和尖銳角度的方法，讓我們不會再看到打印中的模型在自己面前轟然崩塌的慘劇。

他們的目標是反重力建模技術(shù)可以擺脫傳統(tǒng)的制造空間和支撐材料的限制，制造出幾乎所有大小和形狀的物體。這項技術(shù)可以向外擠壓熱熔型聚合物，這些聚合物材料可以在不同角度瞬間凝固成一個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，它可以輕易附著在垂直立面上進行多方向打印，打印出的曲線幾乎可以在空間中自由伸展并且無需支撐。

△“MATAERIAL”技術(shù)用三維曲線代替二維打印層

ADAM

發(fā)布者：謝菲爾德大學(xué)增材制造研究中心（ADAM）

代表技術(shù)：無錨的”選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（ASLS）

位于英格蘭第四大城市謝菲爾德市的謝菲爾德大學(xué)增材制造研究中心（ADAM）的Neil教授和他的團隊開發(fā)出一種新的激光燒結(jié)技術(shù)，通過把低溫熔體金屬粉末燒結(jié)成3D打印模型，進而擺脫支撐對3D打印結(jié)構(gòu)的束縛，這種技術(shù)被稱為“無錨的選擇性激光燒結(jié)技術(shù)”。

無錨的選擇性激光燒結(jié)技術(shù)基于冶金學(xué)中的“低共熔合金”技術(shù)，這種合金會在一個較低的溫度（低共熔點）急劇凝固，舉個例子，鋁的熔點是660攝氏度，硅的熔點是1414攝氏度，但是，硅鋁合金的低共熔點只有577攝氏度。如果它們能夠進一步加快這一硬化過程，再復(fù)雜的幾何形態(tài)，在應(yīng)力點上都可以免去支撐結(jié)構(gòu)。

△“低共熔合金”技術(shù)簡圖

上圖顯示了“低共熔合金”技術(shù)的簡略過程：先加熱粉床，混合兩種粉末；激光將兩種粉末燒結(jié)成新的共熔合金；最后把粉床溫度控制在低共熔點溫度上，保持模型溫度均勻冷卻。

模型需要依靠支撐結(jié)構(gòu)進行構(gòu)件是3D打印過程中一個很大的障礙，支撐就好比是一個“錨”，模型的打印需要圍繞這個錨點來進行構(gòu)建，只有這樣，機器才能打印出懸伸出去的部分，無錨選擇性激光燒結(jié)技術(shù)改變的就是傳統(tǒng)的打印方式，打印過程中，為了轉(zhuǎn)移或者減小某一結(jié)構(gòu)上過大的壓力，通常需要增加一個錨點（即支撐點），無錨選擇性激光燒結(jié)技術(shù)正好在低溫狀態(tài)下急速固化模型以減輕壓力。

結(jié)語

3D打印技術(shù)本身就是一項非常節(jié)省成本的工藝技術(shù)，如果能實現(xiàn)3D打印的無支撐化，將實現(xiàn)制造業(yè)真正的“零損耗”，因此，為企業(yè)節(jié)省巨大的能源、材料和時間成本是這一技術(shù)最大的價值。

盡管3D打印聽起來非常酷炫，但真正接觸過他的人都知道，它那漫長且必要、枯燥又無味的支撐去除過程總是一個讓人郁悶的問題，這也使得無數(shù)3D打印愛好者望而卻步。所以，如果這種無支撐3D打印技術(shù)真正能得以應(yīng)用，那將意味著消費者從此以后再也不需要在模型的后期處理上花大量時間和精力。南極熊認為，這也會是一項顛覆性的技術(shù)革新，所以我們對這種技術(shù)的成功應(yīng)用還是抱有非常大的期待的。