復雜造型產品3D打印工藝中的支撐優化設計

李 風 郭景瑤 劉 旭 王 赫

（天津電子信息職業技術學院，天津 300350）

復雜造型產品3D打印工藝中的支撐優化設計

李 風 郭景瑤 劉 旭 王 赫

（天津電子信息職業技術學院，天津 300350）

光固化成型工藝是3D打印技術中的一種主流工藝，其中產品的支撐結構設計至關重要。3D打印軟件Magics、Meshmixer為光固化成型工藝提供了片式、樹狀等支撐結構。通過復雜造型產品的光固化3D打印成型的支撐結構設計實踐，結合實際3D打印樣件案例比較片式、樹狀支撐的技術特點，提出復雜造型產品3D打印工藝中的支撐選擇原則。

3D打印工藝 支撐優化 復雜造型產品 樹狀支撐 片式支撐

引言

3D打印技術，又稱“增材制造”（Additive Manufacturing）技術，其流程是對產品的三維數字化模型切片分層，然后用液態、絲狀、粉末狀等離散材料“逐層堆積打印”出產品原型。光固化成型（Stereo lithography Apparatus，SLA）工藝是3D打印技術中的一種主流工藝，是最早出現的快速原型制造工藝。因可以快速制造復雜造型的產品原型，在珠寶、鞋類、消費電子、汽車、航空航天、醫療、建筑、藝術設計等領域得到了廣泛應用。光固化成型工藝使用原材料為液態光敏樹脂，產品“逐層打印”的過程中需要在懸空部位增加支撐結構，打印結束后將支撐人工剝離。對于復雜造型產品的3D打印光固化成型工藝，有效的支撐結構設計至關重要，以利于發揮光固化成型工藝的優勢。

1 光固化成型中支撐生成方法

3D打印工藝中的支撐種類主要有基底支撐、凸出部位支撐、懸臂和懸空支撐等[1]，支撐類型主要有斜支撐、直支撐、點支撐、線支撐等[2]。目前，已經有多種3D打印軟件提供了支撐生成功能，其中Magics、Meshmixer為比較常用的兩種支撐生成軟件。

1.1 M agi cs軟件的片式支撐設計

Magics軟件是比利時Materialise公司的3D打印商業化軟件。Magics軟件能夠將不同格式的CAD文件轉化輸出到3D打印快速成型、快速模具制造，在修復優化3D模型、分析零件、快速生成3D打印工藝中的支撐結構方面具備全面的設計與建模能力。對于光固化成型工藝，Magics軟件中支撐結構的截面形狀為片式、板壁式支撐，支撐類型主要是塊狀、線狀、點狀、網狀、輪廓、肋狀、綜合、錐形等，如圖1所示，在軟件中可以方便完成支撐位置、支撐類型、支撐結構的編輯。對于復雜造型產品，Magics片式支撐設計可以自動完成，再手工修改優化支撐結構。

圖1 M agi cs軟件生成的支撐結構

1.2 M eshm i xer軟件的樹狀支撐設計

Meshmixer軟件是Autodesk公司推出的3D打印商業化軟件，其中的Overhangs模塊專門針對3D打印工藝中的支撐結構設計。Meshmixer軟件可以自動生成支撐結構，支撐類型為樹狀支撐，如圖2所示，支撐結構的截面形狀為圓柱，支撐位置、支撐截面尺寸同樣可以進行優化更改。

圖2 M eshm i xer軟件生成的支撐結構

2 光固化成型中的支撐優化設計

對于光固化成型工藝，復雜造型產品的支撐部位主要有傾斜面、懸空面、懸空線和懸空點四種特征位置，需要加適當的支撐才能制作。3D打印工藝中的支撐設計需要遵循的原則：①保證3D打印制件的支撐強度；②易于去除；③盡量避免造成內應力和變形；④支撐結構盡量簡化，減少原材料消耗。

以復雜造型的動漫人物模型產品為例，比較Magics、Meshmixer兩種軟件的支撐結構對產品成型質量的影響。選取復雜造型的燈飾產品為例，比較Magics、Meshmixer兩種軟件的片式、樹狀支撐結構對產品成型質量的影響。對選取產品模型進行光固化成型3D打印，以比較驗證不用的支撐結構優化設計。使用上海聯泰RS3500光固化3D打印設備進行模型制造，材料選用光敏樹脂DSM SOMOS 14120，常溫下密度1.10g/cm3，粘度240cps。光固化成型的切片分層厚度為0.1mm，模型的3D打印支撐結構設計（如圖3、圖4所示）經手工優化，保證強度并減少原材料消耗。

圖3 動漫人物模型產品的3D打印支撐設計

圖4 燈飾產品的3D打印支撐設計

如圖5、圖6所示，3D打印實踐證明，對于復雜造型的動漫人物模型產品，產品模型的鏤空、懸空位置相對較少，采用Meshmixer的樹狀支撐結構簡單，支撐去除比較容易，在原產品規格較小（重量小于100g）時的支撐占總重量百分比較少（10%～18%左右）；另外，支撐去除時要當心與原產品結合處，避免產品損傷。對于復雜造型的燈飾產品，由于模型鏤空、懸空位置多，采用Magics的片式支撐更加穩固，支撐占總重量百分比穩定在25%～30%，原材料消耗與產品尺寸成相對均衡的比例關系，適合于大尺寸復雜造型產品；支撐去除比較困難，尤其是鏤空結構內部支撐的去除。

圖5 生成支撐占打印后總重量的百分比圖

圖6 實際打印的產品樣圖

3 結束語

經3D打印光固化成型工藝的支撐設計分析，對復雜造型產品（動漫人物模型、燈飾產品等）的支撐進行優化設計，得到以下支撐設計原則：

（1）3D打印軟件Magics生成的片式支撐結構較好，支撐重量占比穩定，對變形影響小；支撐結構復雜，去除支撐較困難。實踐證明，適合于鏤空、懸空部位多的大尺寸復雜造型飾產品（如燈飾產品）打印。

（2）3D打印軟件Meshmixer生成的樹狀支撐結構簡單，易于去除，在產品尺寸相對較小時，支撐重量占比小；支撐與產品結合點相對緊固，有可能造成一定的內應力與變形。實踐證明，它適合于中小尺寸的復雜造型模型（如動漫人物）打印。

對復雜造型產品的3D打印光固化成型工藝，不同的產品造型結構可以設計不同的支撐類型，并可以在3D打印實踐中綜合使用，以實現復雜造型產品的支撐結構設計優化。

[1]洪軍，王崴，張宇紅，等.光固化快速成形自動支撐技術研究[J].機械工程學報，2004，40（11）：134-138.

[2]張宇紅，曾俊華，洪軍，等.大型零件光固化快速成型工藝研究[J].計算機集成制造系統，2007，13（3）：553-557.

Support Optimization Design of 3D Printing Process for Complex Product

LI Feng, GUO Jingyao, LIU Xu, WANG He
(Electronic Information Vocational Technology College, Tianjin 300350)

The light curing process is one of the main technologies in the 3D printing technology, and the design of the supporting structure is very important. 3D printing software Meshmixer, Magics for the light curing molding process provides a chip, tree and other support structure. Through the supporting structure design for complex shape product of stereolithography 3D printing forming practice, combined with the actual 3D printing sample case chip, dendriform support technical characteristics comparison, proposed in complex product modeling 3D printing technology support selection principle.

3D printing process, support optimization, complex modeling products, tree support, chip support