無支撐3D打印能否實現(xiàn)？

導讀：增材制造 (AM) 中的無支撐結構是指在3D打印中不使用支撐結構進行部件制造的生產(chǎn)方式。支撐結構在3D打印過程中常常需要，比如在懸臂結構、精細結構等處添加支撐，以加強部件結構的強度，保證打印的順利進行。支撐的大小和結構通常取決于打印零件的大小和形狀。這些支撐被技術人員巧妙地”放置“，以防止因熱應力而變形，并保護成型部件免受重涂刮刀的損壞。支撐還可以在構建過程中為零件提供額外的剛度，將其連接到構建板上以保持其穩(wěn)定。但是支撐結構在后續(xù)去除過程中會較為復雜和耗時，而且會降低打印零件的精度。研究人員已經(jīng)提出了無支撐打印的概念，本質上是在3D打印過程中，取消支撐結構，允許部件完全獨立地構，提高打印精度。那么無支撐打印真的能實現(xiàn)嗎？



支撐3D打印的優(yōu)點和缺點



支撐件本質上是在零件下方人為添加的小型凸起結構。在某些情況下，如果沒有正確的支撐，零件將無法完全成型，最常見的原因是帶有懸垂結構的零件和帶有孔的零件。例如，當打印斜坡的底部時，如上圖所示，隨后的每一層都稍微超出前一層一部分。這就引發(fā)了一些問題：一些部件延伸到結構外部，重力將開始將其”拉下“。45°規(guī)則目前懸垂打印中公認的規(guī)則，該規(guī)則認為小于或等于 45° 的斜率可以打印，比45°大的斜率要加支撐。雖然使用支撐支持仍然是許多復雜應用程序的要求，但它們是以材料、打印時間和額外的后處理步驟為代價的。

●缺點一：打印時間
每個支撐都需要隨著構建的每一層逐步打印，就像零件本身是逐層創(chuàng)建的一樣。這會導致更長的打印時間，從而降低效率并使用更多能源，以多種方式影響構建成本。

●缺點二：材料消耗
由于支撐的構造方式與正在建造的其余部分相同，這意味著需要額外的材料來制造它們。支撐在后處理中從最終產(chǎn)品中移除并作為廢料處理，這會影響時間和成本。

●缺點三：后處理
大多數(shù) 3D 打印部件都會經(jīng)過后處理階段，根據(jù)完成部件的要求，該階段可能包含多個步驟。與沒有支撐的結構的零件相比，擁有更多支撐的建筑需要更長、更密集的后處理過程。這個耗時的過程不僅需要人工，而且還需要額外的成本。在某些情況下，有些支撐還不能去除，殘留在零件內部。雖然這不會影響零件的正常工作，但它們會增加零件重量并影響零件的整體性能。


△帶有藍色傳統(tǒng)支撐結構的葉輪和這種無支撐葉輪的先進設計可減少 15% 的材料。（圖片由 EOS 提供。）

無支撐打印的優(yōu)勢
利用無支撐3D打印，AM工藝可以在經(jīng)濟、環(huán)境和生產(chǎn)時間方面得到改進。具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

●縮短生產(chǎn)時間：
如果打印機中的激光不需要不斷地向支撐層提供能量，則構建時間會隨著每個支撐層的移除而減少。公司可以顯著減少生產(chǎn)時間。

●節(jié)省后處理資源：
沒有支撐意味著后處理過程可以完全不考慮去除步驟，從而對交貨時間產(chǎn)生積極影響。后處理中花費的大量時間都集中在移除支撐上，包括之后表面處理。無支持的構建將消除如此密集的后處理調整，從而更快、更經(jīng)濟地完成零件。

●減少材料使用和對環(huán)境的影響：
考慮到可持續(xù)性和負責任的制造，很明顯，不使用支撐，甚​​至減少支撐的尺寸和數(shù)量將意味著更少的材料浪費。這也減少了能源消耗，降低了 3D 打印的經(jīng)濟和環(huán)境成本。

免支撐3D打印是否能實現(xiàn)？
現(xiàn)實情況是，100% 無支撐增材制造目前不可能適用于所有幾何形狀的零件，但這并不是說它不會在未來出現(xiàn)。南極熊獲悉，EOS Additive Minds最近取得了一些成果，以接近無支持打印的最終目標。


△葉輪在 EOS M 290 上使用優(yōu)化工藝構建，沒有內部支撐，成本降低了 35%。（圖片由 EOS 提供。）

金屬 AM 的限制可能是在沒有支撐的情況下無法打印某個懸垂角度。沒有支撐，由于打印過程中曝光引起的殘余應力，懸垂部分有翹曲的風險，從而限制了金屬增材制造系統(tǒng)的用戶。由于行業(yè)領導者的創(chuàng)新思維，關鍵的45度角現(xiàn)在正在受到質疑和挑戰(zhàn)。許多軟件和參數(shù)包現(xiàn)已可用，使用戶能夠在不影響零件質量的情況下以更大的角度打印懸垂和橋接。

此次帶護罩的葉輪的案例就是突破了懸垂角度的限制，實現(xiàn)了無支撐構造。這個特殊項目還完全消除了內部支撐，大大降低了后處理程序的復雜性，并將總體生產(chǎn)成本降低了35%。流程開發(fā)團隊從此類創(chuàng)新項目中獲取了研究成果，并將其應用到3D打印軟件的標準流程中，這意味著任何用戶都能輕松上手進行無支撐打印。