FDM 3D打印中支撑的添加及方法研究

2018-04-01曹昭平武汉技师学院机械制造工程系湖北武汉430000

丝路艺术 2018年6期

曹昭平（武汉技师学院机械制造工程系，湖北武汉 430000）

1 引言

3D打印（3DP）即快速成型技术的一种，又称增材制造技术，是以数字模型文件为基础，利用特殊耗材（胶水、树脂或粉末等），按照由电脑预先设计好的三维立体模型，通过黏结剂的沉积将每层粉末黏结成型，最终打印出3D实体。根据技术原理不同[1]，目前流行的快速成型技术有多种，而其中应用于3D打印机的技术分为熔融层积成型技术（FDM）、立体光固化成型技术（SLA）、粉末粘结技术（3DP）、选区激光烧结（SLS）、分层实体制造技术（LOM）等。其中采用FDM技术的3D打印机机械结构最简单、设计也最容易，制造成本、维护成本和材料成本也最低，因此不仅在医疗、教学、模具制造和原型制造等领域有广泛的应用，而且在家用桌面级3D打印机中也应用最广。

上述五种3D打印技术中，又以熔融层积成型技术（FDM）和立体光固化成型技术（SLA）需要考虑添加打印支撑结构，其余三种则不需要考虑打印支撑结构。在FDM 3D打印技术中，合理地添加支撑不仅能保持零件形状、减少零件的翘曲变形、防止零件悬空部分的塌陷，而且可以减少打印时间和材料。本文将从FDM 3D打印中支撑的添加原理出发，系统地对Simplify3d、Meshmixer、Magics三款软件分别为STL文件添加支撑的方法进行研究。

2 FDM 3D打印中支撑的添加原则及类型

在3D打印的过程中，给模型添加支撑是必不可少的环节。支撑添加的好与坏，直接决定了模型最后能否别成功打印。

2.1 支撑的添加原则

45度角原则。根据重力原理，不难得知，当一个物体的某个面与垂直线的角度大于45度且悬空时，就有可能发生坠落。对于FDM 3D打印，也是如此，虽然在打印过程中，材料经过熔化后，会出现一定的粘附性，但是，材料也有可能在没有完全固化之前，因本身的重力而坠落，从而导致打印失败。

因此支撑的临界角如果大于设置的角度，底部则需要支撑，在设置时需根据具体的情况（如模型大小、价格、后处理等）加以注意。

2.2 支撑的添加类型

根据模型本身的特点，将模型的支撑类型分为完全支撑、部分支撑和不加支撑这三种。

① 完全支撑

在本研究中所使用的Simplify3d切片软件中，系统会根据45度角原理，计算出模型所有需要添加支撑的点，自动为模型添加支撑。在加工中，下述两种模型适合添加完全支撑：

（1）模型结构复杂、枝角较多，重心分散，没有一定的规律性；

（2）模型某些部位较纤细，且悬空部分较多。

② 部分支撑

部分支撑指的是在模型的某个点或某些部位添加支撑。该种支撑在打印中使用较多，常用手动添加的模式解决。在保证模型能被成功打印的前提下，一般采取的策略是支撑加的越少越好。这样，不仅可以减少打印时间和材料，而且便于打印件的支撑去除。

③ 不加支撑

当模型“下大上小”，整体呈现圆柱状、圆锥状或者是方状体，底盘较大；或者模型的构造极为简单时，可以不添加支撑。

3 本研究中支撑添加的方法

3.1 Simplify3d软件的柱状支撑设计

Simplify3d软件是德国3D打印公司German RepRap在2014年7月推出的一款全功能3D打印软件。Simplify3d可取代Repetier-Host和Slic3r软件，支持导入不同类型的文件，可缩放3D模型、修复模型代码、创建G代码并管理3D打印过程。在FDM 3D打印工艺中，Simplify3d软件中支撑结构的截面形状为矩形，支撑类型为柱状。在软件中可以方便地完成支撑填充率、支撑柱大小、最大悬垂角度（一般设为45°）等参数的设置，自动生成支撑结构。对于复杂造型产品，Simplify3d软件的支撑生成可以自动完成，再手工修改优化支撑结构。

在具体案例研究中发现，经优化后的模型不仅打印时间大为减少，而且原材料消耗也节省了。

3.2 Meshmixer软件的树状支撑设计

在3D打印中，遇到悬空造型是没办法完全避免的。在这些案例中，常常会依靠支撑材来支撑悬空的部分。大部分的3D打印软件都有自动生成支撑的功能，但能够调整参数的并不多，这样就导致了在一些悬空件中采用半支撑会撑不到，全支撑又太难拆又耗时的尴尬。Meshimixer软件是Autodesk公司推出的3D打印软件[2]，其中Overhangs模块专门生成支撑材。在Overhangs模块中可以依照打印需求自动生成符合模型需要的支撑结构，支撑类型为树状支撑，也可以手动将支撑材做好，有效地减少支撑材的消耗跟时间。在本研究案例中，支撑结构的截面形状设为圆柱，支撑位置、支撑截面尺寸、支撑密度等进行了优化更改，从而优化了模型的打印工艺。

3.3 Magics软件的部分悬空件支撑设计

Magics软件是比利时Materialise公司推出的3D打印商业化软件。该软件能够将不同格式的CAD文件转化输出到3D打印快速成型、快速模具制造，在修复优化3D模型、分析零件、快速生成3D打印工艺中的支撑结构方面具备全面的设计与建模能力。在复杂造型产品中，Magics软件可以自动生成片式支撑，再手动修改优化支撑结构，不在本研究之列。在部分悬空件中，使用Magics软件可以非常方便地对STL文件添加加支撑，提高打印质量和成功率。