“支撐障壁”如何破解？了解各類無支撐3D打印技術原理或有啟發(fā)

南極熊對無支撐3D打印技術的關注由來已久（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-南極熊3D打印網 - 平臺 (nanjixiong.com)），這也是近兩年迅速崛起的一個新興方向。各大廠商紛紛投入研發(fā)，力求在這一領域取得突破。然而，公眾的關注度主要集中在金屬3D打印技術上。事實上，支撐結構的使用幾乎是所有3D打印技術面臨的共同挑戰(zhàn)。因此，實現無支撐打印技術的突破，對整個3D打印行業(yè)而言，都是一個巨大的挑戰(zhàn)和機遇。

在增材制造 (AM) 中，支撐通常用于構建過程中以加固和維護正在創(chuàng)建部件的結構。出于各種原因，這是必要的，具體取決于正在構建的部件的尺寸和形狀。另一方面，無支撐打印是指開發(fā)完全獨立于任何支撐結構3D 打印部件的生產方法。在常規(guī)的增材制造過程中，支撐的放置位置經過精心設計，可防止熱應力導致的變形，促進熱量從熔化材料中轉移，并保護成型部件免受刮刀刮擦，刮刀刮擦可能會導致部件形狀在發(fā)生撞擊時發(fā)生破壞。它們還可以在構建過程中為部件提供額外的剛性，例如，將其固定在構建板上以保持其穩(wěn)定。

簡言之，無支撐增材制造技術（Support-Free AdditiveManufacturing）是一種不需要使用支撐結構的增材制造（3D打�。┘夹g，且允許構建一個完全獨立的部件。這種技術通過優(yōu)化打印過程和設計，能夠在制造過程中避免或減少對支撐結構的需求，從而提高打印效率、降低材料浪費和簡化后處理步驟。其中典型的代表包括：金屬3D打印方向的Velo3D公司SupportFree 工藝、基于光固化原理的CLIP技術、江南大學的無支撐陶瓷成型技術，這些案例在后面會有進一步的相關介紹。

為什么3D打印需要支撐結構？

支撐結構在3D 打印中的作用是為了防止它們因高加工溫度引起的殘余應力而變形，這不僅會破壞部件，還會導致重涂機崩潰，尤其是針對金屬增材制造系統(tǒng)。所以，成型復雜構件的很多幾何特征都需要支撐。在典型的金屬激光 PBF 系統(tǒng)中，幾乎總是需要支撐的幾何特征是懸垂、孔和通道結構。

考慮到增材制造被認為是可以生產具有更復雜特征的更復雜部件，因此，如果得知這只能通過添加多個支撐和/或違反直覺的構建配置來實現，那么這可能會產生誤導，而且坦率地說會令人失望。誠然，在聚合物 3D 打印中，支撐可能不是什么大問題，因為它們可以溶解或輕松去除。但是，對于金屬 3D打印，支撐可能難以去除（即使可以接觸到它們），在去除它們的表面上留下缺陷，并給整個工作流程增加大量的時間和材料成本。

懸垂結構：通常是當它們與水平面成 45 度以下時。您能想象一個典型組件中有多少個特征符合此標準？通常有很多。下面演示了當角度低于 45 度時會發(fā)生什么。

△照片由Proto Labs 提供

這個問題有三種解決方案：重新調整構建室中的部件方向、重新設計部件或添加大量支撐。許多人選擇重新調整構建室中的部件方向，但這也會帶來自身的問題。以圓形部件為例，例如下圖所示的葉輪。

△無支撐葉輪

許多人通過將葉輪傾斜 45 度來制作此類帶罩葉輪。傾斜打印的問題在于，破壞部件的軸對稱性會導致許多問題。首先，任何旋轉部件的圓度都至關重要。當以一定角度打印時，僅從尺寸穩(wěn)定性方面來看，圓度就很容易受到影響。此外，在 L-PBF 3D 打印的情況下，由于逐層工藝，Z 方向的機械性能可能與 X/Y 平面不同。因此，通過傾斜打印，最終機械性能會隨著圓圈的移動而發(fā)生變化。這在部件承受高應力的應用中尤其成問題。表面光潔度不一致是另一個問題。表面光潔度在不同傾斜度下會有所不同。如果打印的是平面的，則不存在這個問題，因為差異至少是對稱的。有些人可能會說后處理會解決這個問題，這是真的——除非你有那些非常復雜的內部特征，這些特征被大力吹捧為金屬增材制造的賣點�；蛘撸�磨粒流拋光是一種流行的解決方案，但它不會解決這些表面光潔度變化，除非去除大量（且通常數量不一致）的材料。

孔洞與通道結構：人們普遍認為，L-PBF 系統(tǒng)只能產生直徑約為 8-10 毫米的水平孔和通道，之后才需要支撐�？梢赃M行一些設計選擇來嘗試避免這種情況，但這些設計選擇都不理想。最常見的方法是將通道改為淚滴形、橢圓形或菱形（如下所述）。

有幾個原因可以解釋為什么這樣做并不可取。首先，設計中引入孔和通道的主要原因是：促進流體（液體或氣體）的流動。在大多數情況下，圓形是流體流動最有效的形狀，而上述形狀肯定會對流體動力學產生不利影響。此外，淚滴形的頂部和菱形的角是嚴重的應力集中器，當涉及到加壓流體時，這是一個大問題。有些人可能會建議將這些角倒圓，但這并不能完全消除應力集中器，而只是減輕了應力集中器的數量。順便說一句，這對流體動力學的情況肯定沒有幫助。

不同3D打印的無支撐成形原理

無支撐增材制造技術在不同的3D打印技術中采用了不同的方法和原理，以實現無需支撐結構的打印。以下我們總結了幾種主流3D打印技術及其無支撐成形的原理，以期給予3D打印行業(yè)的相關從業(yè)者一些啟發(fā)和思考：

1. 激光粉末床融合（PowderBed Fusion，PBF）

原理：基于粉床鋪展原理的PBF技術包括選擇性激光燒結（Selective Laser Sintering，SLS）、選區(qū)激光熔化（SLM）和電子束熔融（EBM），是通過激光或電子束燒結粉末材料。打印過程中，未燒結的粉末可充當自然支撐，支撐住打印過程中形成的懸垂結構。目前，市面上曝光的無支撐金屬打印案例大都是在工藝優(yōu)化的基礎上實現的。金屬的無支撐打印技術具有多種優(yōu)勢：

• 可以處理多種材料，包括金屬和聚合物。
• 高精度和良好的力學性能。
• 可以打印復雜的幾何形狀和內部結構。
• 未燒結的粉末可以回收利用，減少材料浪費。
• 縮短生產周期，節(jié)省后處理資源
  

有關SLM技術無支撐打印研究最為普遍，因為它具有極強的應用價值。例如，常規(guī)的SLM設備工藝參數控制軟件在一個打印任務里只能固定一個工藝參數，在成形輪廓、下表面等懸垂部分時如果沒有支撐牽扯，就很容易被往復運動的刮刀“絆到”甚至刮走，導致零件變形。所以，需要實時可變激光光斑直徑、可變掃描速度、可變激光功率的工藝控制軟件，在成形這些特殊部位時轉換為定制的工藝參數：慢掃描速度，高激光功率，促進這些區(qū)域的冶金結合。然而，這需要國內控制軟件和設備開發(fā)商做出進一步的軟硬件和設備升級才能實現。國外的無支撐打印技術研發(fā)起步較早，開發(fā)SupportFree工藝的Velo3D公司是較早的一批無支撐打印工藝的探索者，它可以完全不借助支撐件打印出小到幾分之一度的角度。因此，就上圖提及的葉輪而言，它可以平整地打印出來，無需內部支撐，從而保持部件軸對稱，并大大減少后處理�；蛘�，使用 Velo3D SupportFree 工藝，也可以生產內徑最大可達 100 毫米（~4 英寸）的孔和通道。允許內徑增加 10 倍，大大打開了日益復雜的內部通道的設計窗口，真正實現了設計針對功能而非可制造性的優(yōu)化。

SLS技術是使用高功率激光燒結粉末材料（如尼龍、金屬粉末），將其逐層固化成形。超快聚合物 3D 打印技術（SLS）服務商Nexa3D公司開發(fā)了一種名為ColdMetalFusion的金屬3D打印技術。ColdMetalFusion技術是一種使用聚合物 SLS 技術和粉末來 3D 打印金屬部件的工業(yè)化工藝，所使用的粉末原料將金屬成分結合在聚合物外部中，在激光燒結過程中充當粘合劑，能夠快速生產無支撐的生坯零件。

△使用 Cold Metal Fusion 技術 3D 打印鈦零件。

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2. 定量能量沉積（DED）金屬打印技術

原理：通過定向能量源（如激光、電子束或等離子�。┤刍�材料（通常是金屬粉末或絲材），將其逐層沉積成形。通過優(yōu)化成形工藝和結構設計，使得熔融的原材料能夠及時固化并冶金結合到固體層上，進而可以制造出無需額外的支撐結構的構件。基于DED的無支撐打印技術可用于制造高強度、輕量化的復雜零部件，在航空航天、海洋軍事、汽車工業(yè)等領域有著實際的應用價值。

來自北京理工大學劉長猛教授，在國家重點研發(fā)計劃等項目支持下，帶領團隊突破了懸空結構無支撐3D打印的技術難關，提出了脈沖電弧輔助熱絲的懸空結構自由成形新工藝，建立了大型金屬點陣結構3D打印新方法。該團隊自主研制了多�。�10弧、16弧、40�。┎⑿�3D打印系列裝備，實現10米級點陣結構3D打印以及效率量級提升，形成了超大規(guī)格金屬點陣結構多弧并行3D打印技術體系。

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3. 基于片材的選擇性擴散鍵合3D打印技術

原理：這是一種思路非常獨特的鋁合金金屬3D打印技術，不需要使用鋁合金粉末，而是使用鋁片，同時涉及到粘合劑粘合工藝和激光切割工藝，不需要脫脂燒結，已經具備工業(yè)化規(guī)模生產的潛力。該技術由Alloy Enterprises開發(fā)，選擇性擴散鍵合技術涉及兩臺機器。第一個稱為 Construct，分配片狀材料并用激光切割零件的輪廓；第二臺叫Bond machine，零件經過擴散粘合過程，將材料片熔合在一起，但涂有抑制劑的區(qū)域除外。在擴散鍵合過程中，堆疊的板材變成一塊材料，其內部水平和垂直嵌套了一些零件。然后支撐材料可以脫落以暴露部件。成形過程主要分為以下5個步驟：
（1）根據零件的輪廓和特征，使用激光把鋁片切割成薄片；
（2）有選擇地噴射抑制劑以創(chuàng)建原位支撐，以防止材料層結合，形成支撐、懸垂和其他復雜的幾何形狀；
（3）在進行粘合過程之前，把切割好的板材放在一起；
（4）板材在熱和壓力下擴散粘合，形成均勻、穩(wěn)定的冶金結合；
（5）無需專業(yè)工具即可輕松地從嵌套零件中去除支撐；
優(yōu)勢：

• 具備規(guī)模化生產能力；
• 比傳統(tǒng)生產或傳統(tǒng)3D打印更經濟、更具可持續(xù)性。
  

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4. 基于光固化的樹脂打印技術

原理：常見的立體光刻（Stereolithography，SLA）技術原理是使用光敏樹脂，通過紫外光逐層固化成形。使用優(yōu)化的打印路徑和參數，盡量減少懸垂部分的長度和角度。高粘度樹脂在打印過程中具有一定的自支撐能力，能夠支撐起未固化的部分。一些改進的SLA技術（如CLIP技術）可以通過快速連續(xù)打印減少對支撐的需求。體積打印技術則通常采用逐層光固化的方式，每一層固化后提供足夠的支撐。

優(yōu)勢：

• 高精度和光滑表面。
• 可打印復雜的幾何結構。
  

連續(xù)液體界面生產（ContinuousLiquid Interface Production，CLIP）：CLIP是2015年面世的一項革命性光固化3D打印技術，斯坦福大學和美國Carbon3D公司對此有相關的研究報道。該技術是開發(fā)的一種改進的SLA技術，通過持續(xù)的氧氣滲透來抑制光聚合，形成一個液體界面，使得打印物體從液體樹脂中“拉出”。優(yōu)化的打印路徑和連續(xù)固化減少了支撐需求。該技術具有高速度和高精度，以及可打印大尺寸和復雜結構的優(yōu)勢。

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△基于微米級CLIP技術的3D打印機設置示意圖和打印過程。圖片來自《科學進展》

體積打印（Volumetricadditive manufacturing）：該技術原理是操縱不同角度的光線，從虛擬模型創(chuàng)建3D實體。算法是最重要的部分，需要獲取3D虛擬對象并以不同角度分解它，然后重新投影它，以在樹脂中創(chuàng)建3D對象，這一切都基于生成投影圖像的復雜算法。該技術可以在瞬間同時形成物體的所有幾何部分，使得打印速度非�？�。由于這種光固化材料采用粘高粘度的樹脂，因此也不需要額外的支撐結構。

這項革命性的技術曾于2019年2月登上全球頂級學術期刊《Science》，題為：“Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction”。該技術的在于CAL算法，其工作原理就像反向計算機斷層（CT）掃描一樣，在CT機中，X射線管在患者周圍旋轉，拍攝人體內部器官的照片。然后，計算機再利用這些投影重構出一幅3D畫面。在計算機模擬一個3D物體的情況下，研究人員從多個不同角度計算出物體的形狀，然后將由此產生的2D圖像輸入一臺普通的幻燈片投影儀。投影儀將圖像投射到一個裝著丙烯酸酯（一種合成樹脂）的圓柱形容器中。當投影儀通過全方位覆蓋的圖像旋轉時，容器也以相應的角度旋轉，使用DLP光源對轉動容器內特定位置的樹脂固化。

△“容積3D打印技術”機理

2020年12月，頂級期刊《nature》上重磅發(fā)布了另一篇論文：“Xolography for linear volumetric 3D printing”，可以理解為X線照相體積3D打印技術，文章作者來自德國勃蘭登堡應用技術大學。xolography技術原理是一種雙光體積式3D打印工藝，與立體光刻技術一樣，利用光固化光刻膠。然而，在立體光刻技術中，當光投射到裝有樹脂的大桶中時，會沿著整個光路進行固化，而Xolography工藝則需要兩種不同波長的光來聚合。藍光和紅光相交并同時與樹脂中的雙色光引發(fā)劑相遇，就會發(fā)生固化。與最先進的體積3D打印方法相比，此技術的分辨率約為無反饋優(yōu)化的計算機軸向平版打印技術的十倍，并且體積生成速率比雙光子聚合3D打印技術高出四到五個數量級。

△X交叉光片照相體積3D打印樣品，物體直接在樹脂槽中凝固完成

在2022年，斯坦福和哈佛大學的研究人員開發(fā)了一種新的體積3D打印方法，聲稱能夠在不需要任何支撐結構的情況下制造樹脂部件，技術成果以題為“Triplet fusion upconversion nanocapsules for volumetric 3D printing”的論文再次登上《nature》頂刊。斯坦福3D打印的方法看起來很像傳統(tǒng)的立體光刻 (SLA)。激光束照射在大桶中的樹脂上，當它暴露在藍光下時會固化。然而，該團隊聲稱，他們并不僅僅使用標準的藍色激光，因為這樣會沿著穿透光束的整個長度固化樹脂。相反，他們利用了一種特殊的樹脂，其中含有直徑僅為80納米的光轉換納米粒子。納米粒子的設計目的是在達到臨界能量閾值時，將紅光轉換為藍光。而這只有在激光，處于最大焦點時才能實現。因此，該技術改用標準紅色激光，并具有稀釋和聚焦紅色激光的機制。該設置消除了僅能在表面層固化的可能，從而可以通過將紅色激光聚焦在XYZ坐標上固化樹脂槽中的各個點。該團隊表示，換句話說，一個或多個激光器可以圍繞大桶旋轉，相當于同時從任意方向進行體積打印，從而實現制造任意幾何形狀時，無需支撐。

△最大焦點是樹脂將紅光變成藍光，從而固化材料的地方。圖片來自斯坦福大學

在商業(yè)化方面，Vitro3D公司、德國Xolo公司（xolography技術的開發(fā)者）是近幾年有見報道的致力于將體積打印技術商用的公司。

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5. 熔融沉積成型（FusedDeposition Modeling，FDM）

原理：FDM技術通過加熱熔融熱塑性材料，逐層沉積成形。通過優(yōu)化打印路徑，減少懸垂部分可以實現一定程度上的無支撐成形。此外，使用專門設計的自支撐幾何形狀，如斜面、拱形等，也可以打印無需支撐材料的結構。

技術優(yōu)勢：

（1) 低成本，適用范圍廣。

（2) 使用不同顏色和類型的材料，適合多樣化應用。

2022年，瑞士溫特圖爾的應用科學大學開了一款名為RotBot的3D打印機，它是一臺經過改進的 Prusa MK3，帶有一個 DUET 控制板，它有一個完全可旋轉的 45° 傾斜打印頭，能夠在沒有任何支撐的情況下打印懸垂的結構。

在2023年2月，南極熊發(fā)現，國外工程師StevenMcCulloch通過優(yōu)化結構設計和切片軟件，提出了弧形懸垂無支撐（Arc Overhangs）的新方法，該方法有望替代傳統(tǒng)的支撐結構，從而減少制造過程中的浪費和后期加工。

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6. 漿料擠出打�。―IW）和光固化結合

原理：這是中國江南大學的科學家在開發(fā)的一種3D打印無支撐復雜陶瓷結構的新技術。這種陶瓷 3D 打印方法結合了直接墨水書寫 (DIW) 和近紅外 (NIR) 光誘導上轉換粒子輔助光聚合。作為兩步工藝的一部分，首先施加壓力以擠出陶瓷漿料。然后在漿料從噴嘴流出時，用 980 nm NIR 激光對準漿料，通過光聚合立即固化并原位固化材料，這使得 3D 打印的陶瓷結構可以“在空間中自由拉伸而無需支撐”。

該研究在2023年以題為“3Dprinting of unsupported multi-scale and large-span ceramic via near-infraredassisted direct ink writing”的論文發(fā)表在《自然通訊》上，重點介紹了新方法對直徑從0.41 毫米到 3.50 毫米的多尺度細絲的原位固化能力。類似的方法也曾見于題為“3D Printing of Short-Carbon-Fiber-Reinforced Thermoset PolymerComposites via Frontal Polymerization”的論文中。但此類方法也僅局限于簡單線條路徑的無支撐成形，在成形更復雜的幾何構型上仍有著很大挑戰(zhàn)，并無現實的應用意義。

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7. 粘結劑噴射（BinderJetting）

原理：該技術的無支撐成形原理與基于粉末床成形的技術相似，使用粘結劑將粉末材料逐層粘結成形，未粘結的粉末材料可提供自然支撐。粘結劑噴射技術在大批量打印零件方面有著巨大的優(yōu)勢，尤其針對3C電子、汽車等行業(yè)，該技術有望實現對傳統(tǒng)注射成形技術的替代。

優(yōu)勢：

• 高速度和低成本。
• 適合大批量生產
  

2022年，來自科羅拉多大學的研究人員提出了一種“液固共印”的打印機理，相關研究內容被發(fā)表在《Additive Manufacturing》中，題目為《Liquid-solid co-printing of multi-material 3D fluidic devices via material jetting》�！耙汗坦灿　笔侵冈诙嗖牧蠂娚溥^程中對固化和非固化材料進行共沉積，利用液體作為支撐材料完成構件的無支撐成形。在這一過程中，需要用到凝固材料，如相變油墨，在沉積后不久就會硬化并表現出剪切模量的急劇增加，而非凝固材料在沉積后仍是液體。在多材料噴射3D打印的背景下，研究人員將這兩類材料結合起來，利用液體形成支撐，便于去除或者將液相材料嵌入到打印的多材料物體中。這種方法可以直接沉積化學反應物，并解決了材料噴射增材制造中的一個長期挑戰(zhàn)：如何在3D打印后清除長的曲折的內部通道。研究人員預計，多材料噴射的液固共印技術能夠打印流體邏輯電路、電化學傳感器和放大器等3D模型微小且復雜的部件。此外，來自以色列的Xjet公司是這一相關技術領域值得關注的對象，該公司的專利納米顆粒噴射（NPJ）3D打印技術具有很高的成形精度和表面光潔度。

△液固共印機制示意圖

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總結

綜上可見，無支撐打印在不同的3D打印技術類型中采用了不同的策略，通過設計優(yōu)化、材料選擇和工藝改進等多個路徑，最終都可以實現無需支撐結構的高效打印。無支撐打印技術的突破不僅提高了打印效率和質量，還減少了材料浪費和后處理步驟。盡管目前業(yè)內在工業(yè)級應用上并未完全實現100%的無支撐打印，但相信隨著技術的不斷進步，這一難題終將被完全攻克！