3D打印中可重复使用的支架可带来巨大经济效益

据悉，增材制造（AM）工艺需要使用支撑件来印刷具有悬垂特征的零件。这些使用相同或不同材料的附加支撑物是材料的浪费，因为它们需要在3D打印过程之后移除，并且无法重复使用。这对于基于喷嘴的材料挤压工艺，支撑件的印刷也是费时的。目前，来自南加州大学和洛桑联邦理工学院的研究人员已经开发出一种新型的可重复使用支架，以解决AM中与支撑相关的挑战。

增材制造（AM）技术使用基于层的制造工艺。印刷材料只能沉积在现有表面的顶部。对于具有悬垂结构的三维（3D）复杂零件，此限制是有问题的，因为如果没有直接在悬垂结构下方的支撑，则无法打印此类悬垂。诸如熔丝制造(fused filament fapication, FFF) 和立体光刻设备之类的增材制造工艺通过为悬垂物创建额外的支撑结构来解决此问题。3D打印的支持物可以使用相同或不同的材料，例如水溶性材料甚至是冰。但打印完成后，这些支撑物必须手动取下，可能导致形状不正确或表面粗糙。支撑物制成的材料通常无法重复使用，因此被丢弃，这加剧了3D打印废料的问题。因此，支撑件的生成对于AM技术来说是一个关键问题，因为3D打印的支撑件会导致更长的制造时间、更多的材料浪费以及额外的后处理时间。

减少所需支撑的大多数现有解决方案都是基于几何的方法。这些方法可以分为三类。对于给定的计算机辅助设计（CAD）模型，一种方法是选择CAD模型的合适方向以减少支撑体积。除了支撑体积之外，这些研究还考虑了其他几个方面，例如表面质量、制造时间、零件精度或接触面积。第二种方法是通过修改CAD模型本身来减少3D打印的支撑。来自威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员曾提出一种基于支持量约束的拓扑优化方法。另一种直接的方法是将3D模型分成多个小块，以减少所需的支持，并减少可能超过打印托盘大小的大型模型的打印时间。但是，这两种方法都需要更改构建方向或手动组装多个小零件，这对于许多应用程序可能是成问题的。在该项工作中，我们假设输入的CAD模型不会被修改；同样，用户已经选择了模型的构建方向，并且不会更改。

最后一种方法是通过开发更好的支撑结构并优化支撑的布局来减少3D打印的支架。最常见的支撑形状是垂直的固体壁状结构，该结构连接倾斜角度大于阈值（例如，在像MakerBot和Simplify3D之类的商业软件系统中使用的45 ）表面小平面的垂直固体壁状结构。这种类型的支撑以增加打印时间和材料为代价来确保可靠性，而不是垂直的墙状支撑。来自华中科技大学的研究人员曾提出一种倾斜的壁状支撑结构，其中垂直壁状支撑的中间部分的尺寸减小了。同样，来自英国埃克塞特大学的研究人员曾采用密度可变的蜂窝状结构以减少支撑体积。与经典的外部支撑物接触建筑平台不同，来自意大利罗马大学的Cacace等人提出了一种算法，该算法将所有外部支撑转换为内部支撑，并将支撑的两端连接到零件本身。因此，减少了支撑体积和打印时间。但是，该方法仅适用于倒角特征。对于悬臂特征，此方法的材料消耗比传统外部支撑的材料消耗大。

无论支撑结构和布局如何优化，3D打印的支撑都是材料的浪费，因为它们必须被移除，并且在打印过程之后不能被重复使用。此外，对于材料挤出过程，印刷速度由于印刷这些支持物所需的额外时间而大大降低。来自南加州大学和洛桑联邦理工学院（EPFL)的研究人员首次创造了一种低成本的可重复使用的用于3D打印（如FFF工艺）的支撑结构，它由一组柔性针阵列组成，以减少3D打印机打印这些浪费的支撑物的需求，从而大大提高了成本效益和可持续性。这项研究的主要领导人南加州大学Yong Chen教授，相关成果2021年发表在Additive Manufacturing上。



图1. 体操运动员用例。(a). 具有可重复使用支持的打印结果。(b). 没有可重复使用支持的打印结果。(c). 移去支撑物后的装配体。(d). a中第178层的刀具路径-用白色虚线标记（印刷时间：19 s；挤出长度：5 mm）(e). b中第178层的刀具路径-用白色虚线标记（打印时间：37 s；挤出长度：11 mm）。



图2. 具有三层薄板结构设计的可重复使用支撑装置的示意图



图3. 基于可重复使用支持的FFF打印机的示意图



图4. 使用可重复使用的支撑物的FFF过程的剖视图。(a) 金属销的原始状态；(b) 在建造第一层之后金属销的运动；(c，d) 由于插入的管子而使金属销钉从活动片上脱离；(e，f) 金属销的最终状态。

使用融合沉积建模（FDM）工艺的传统3D打印可直接在静态金属表面上逐层打樱相反，新的原型使用由可移动金属销钉制成的可编程，动态控制的表面来代替印刷的支架。随着打印机逐步构建产品，销钉会上升。陈教授表示，通过对新原型的表明，它可以节省大约35％的用于打印物体的材料。

陈教授与生物医学医生一起工作时，他们使用生物材料进行3D打印以构建组织或器官的。他们使用的许多材料非常昂贵，每个小瓶子的价格在500美元到1000美元之间。对于标准FDM打印机，材料成本约为每公斤50美元，但对于生物打印，则更是约为每克50美元。因此，如果我们可以节省用于印刷这些支撑件的材料的30％，那将是一笔巨大的成本节省用于生物医学目的的3D打樱

此外，除了材料浪费对环境和成本的影响外，使用支撑物的传统3D打印工艺也很耗时。当进行3D打印复杂形状时，一半的时间用于构建所需的零件，另一半的时间用于构建支撑。因此，对于研究人员开发的该系统，不需要重复构建支撑件，在打印时间方面，节省了大约40％时间。

过去开发的类似原型依赖于单个电动机来提升每个机械支架，从而导致能源密集型产品的购买成本也高得多，因此对于3D打印机而言并不划算。

研究团队的新原型机是通过移动平台的单个电动机运行其每个单独的支撑架来工作的。该平台可同时举起多组金属销，从而使其成为具有成本效益的解决方案。根据产品设计，该程序的软件会告诉用户他们需要在平台的基础上添加一系列金属管的位置。然后，这些管的位置将确定哪些销将升高到定义的高度，以最好地支撑3D打印产品，同时还从打印支撑件中产生最少的浪费。在该过程结束时，可以轻松卸下销，而不会损坏产品。



▲图5. 原始布局和优化布局之间的3D打印支持比较。红色部分代表3D打印的支持。每个金属销都有一定的XY尺寸和可达到的Z高度，并且不能与给定的CAD模型相交。(a) 布局优化之前的模型。(b) 布局优化后的相同模型。(c) 布局优化之前的桥梁模型。(d) 布局优化后的桥梁模型。



▲图6. 具有可重复使用支持的原型系统。(a) 可重复使用载体的第二层和第三层片材。(b) 具有可重复使用支持的经过修订的FFF 3D打印机。(c) 建筑平台由11 x 9的金属销钉定义。



▲图7. 打印用例的结果。具有可重复使用支持的四悬模型的打印结果；清理后的3D打印零件；(c)具有可重复使用支持的桥梁模型的打印结果；(d)清理后的印刷桥；(e)具有可重复使用支持的茶壶模型的打印结果；(f)没有可重复使用的支持的茶壶的印刷结果；(g)清理后的印花茶壶；(h)带有可重复使用支架的头盔模型的印刷结果；(I)没有可重复使用的支持的头盔的印刷结果；和(j)比较(h)和(I)中的支持材料。

陈教授表示，该系统还可以轻松地应用于大规模制造，例如汽车，航空航天和游艇行业。人们已经在为大型汽车和船体以及诸如家具之类的消费产品制造FDM打印机。可以想象，本来这些产品的制造时间是一整天。如果使用该方法可以节省一半，那么制造时间可以减少到半天。使用该方法可以为这种类型的3D打印带来很多好处。

该团队最近还申请了这项新技术的专利。该研究是由曾任南加州大学计算机科学与通信科学学院的访问博士生的Ziqi Wang和瑞士洛桑联邦理工学院的SiyuGong共同撰写的。