無支撐3D打印能否實(shí)現(xiàn)？

導(dǎo)讀：增材制造 (AM) 中的無支撐結(jié)構(gòu)是指在3D打印中不使用支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行部件制造的生產(chǎn)方式。支撐結(jié)構(gòu)在3D打印過程中常常需要，比如在懸臂結(jié)構(gòu)、精細(xì)結(jié)構(gòu)等處添加支撐，以加強(qiáng)部件結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，保證打印的順利進(jìn)行。支撐的大小和結(jié)構(gòu)通常取決于打印零件的大小和形狀。這些支撐被技術(shù)人員巧妙地”放置“，以防止因熱應(yīng)力而變形，并保護(hù)成型部件免受重涂刮刀的損壞。支撐還可以在構(gòu)建過程中為零件提供額外的剛度，將其連接到構(gòu)建板上以保持其穩(wěn)定。但是支撐結(jié)構(gòu)在后續(xù)去除過程中會(huì)較為復(fù)雜和耗時(shí)，而且會(huì)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(zhì)上是在3D打印過程中，取消支撐結(jié)構(gòu)，允許部件完全獨(dú)立地構(gòu)，提高打印精度。那么無支撐打印真的能實(shí)現(xiàn)嗎？



支撐3D打印的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)



支撐件本質(zhì)上是在零件下方人為添加的小型凸起結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)的零件和帶有孔的零件。例如，當(dāng)打印斜坡的底部時(shí)，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(jié)構(gòu)外部，重力將開始將其”拉下“。45°規(guī)則目前懸垂打印中公認(rèn)的規(guī)則，該規(guī)則認(rèn)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(fù)雜應(yīng)用程序的要求，但它們是以材料、打印時(shí)間和額外的后處理步驟為代價(jià)的。

●缺點(diǎn)一：打印時(shí)間
每個(gè)支撐都需要隨著構(gòu)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(huì)導(dǎo)致更長的打印時(shí)間，從而降低效率并使用更多能源，以多種方式影響構(gòu)建成本。

●缺點(diǎn)二：材料消耗
由于支撐的構(gòu)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(huì)影響時(shí)間和成本。

●缺點(diǎn)三：后處理
大多數(shù) 3D 打印部件都會(huì)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(gè)步驟。與沒有支撐的結(jié)構(gòu)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(gè)耗時(shí)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(nèi)部。雖然這不會(huì)影響零件的正常工作，但它們會(huì)增加零件重量并影響零件的整體性能。


△帶有藍(lán)色傳統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)的葉輪和這種無支撐葉輪的先進(jìn)設(shè)計(jì)可減少 15% 的材料。（圖片由 EOS 提供。）

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

●縮短生產(chǎn)時(shí)間：
如果打印機(jī)中的激光不需要不斷地向支撐層提供能量，則構(gòu)建時(shí)間會(huì)隨著每個(gè)支撐層的移除而減少。公司可以顯著減少生產(chǎn)時(shí)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(duì)交貨時(shí)間產(chǎn)生積極影響。后處理中花費(fèi)的大量時(shí)間都集中在移除支撐上，包括之后表面處理。無支持的構(gòu)建將消除如此密集的后處理調(diào)整，從而更快、更經(jīng)濟(jì)地完成零件。

●減少材料使用和對(duì)環(huán)境的影響：
考慮到可持續(xù)性和負(fù)責(zé)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(fèi)。這也減少了能源消耗，降低了 3D 打印的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境成本。

免支撐3D打印是否能實(shí)現(xiàn)？
現(xiàn)實(shí)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(huì)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(biāo)。


△葉輪在 EOS M 290 上使用優(yōu)化工藝構(gòu)建，沒有內(nèi)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(gè)懸垂角度。沒有支撐，由于打印過程中曝光引起的殘余應(yīng)力，懸垂部分有翹曲的風(fēng)險(xiǎn)，從而限制了金屬增材制造系統(tǒng)的用戶。由于行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者的創(chuàng)新思維，關(guān)鍵的45度角現(xiàn)在正在受到質(zhì)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(zhì)量的情況下以更大的角度打印懸垂和橋接。

此次帶護(hù)罩的葉輪的案例就是突破了懸垂角度的限制，實(shí)現(xiàn)了無支撐構(gòu)造。這個(gè)特殊項(xiàng)目還完全消除了內(nèi)部支撐，大大降低了后處理程序的復(fù)雜性，并將總體生產(chǎn)成本降低了35%。流程開發(fā)團(tuán)隊(duì)從此類創(chuàng)新項(xiàng)目中獲取了研究成果，并將其應(yīng)用到3D打印軟件的標(biāo)準(zhǔn)流程中，這意味著任何用戶都能輕松上手進(jìn)行無支撐打印。