FDM 3D打印中支撐的添加及方法研究

摘 要：熔融層積成型技術（FDM）中的支撐添加技術是決定打印零件成敗的一項關鍵技術。支撐添加的合理與否直接決定了產品的成功率及表面質量。為了快速合理地選用支撐的添加方法，本文從支撐添加原理出發，結合當前3D打印業內使用的軟件進行系統分析，為FDM 3D打印支撐的添加提供重要的實際參考價值。

關鍵詞：熔融沉積；3D打印；Simplify3d；Meshmixer；Magics

1 引言

3D打印（3DP）即快速成型技術的一種，又稱增材制造技術，是以數字模型文件為基礎，利用特殊耗材（膠水、樹脂或粉末等），按照由電腦預先設計好的三維立體模型，通過黏結劑的沉積將每層粉末黏結成型，最終打印出3D實體。根據技術原理不同[1]，目前流行的快速成型技術有多種，而其中應用于3D打印機的技術分為熔融層積成型技術（FDM）、立體光固化成型技術（SLA）、粉末粘結技術（3DP）、選區激光燒結（SLS）、分層實體制造技術（LOM）等。其中采用FDM技術的3D打印機機械結構最簡單、設計也最容易，制造成本、維護成本和材料成本也最低，因此不僅在醫療、教學、模具制造和原型制造等領域有廣泛的應用，而且在家用桌面級3D打印機中也應用最廣。

上述五種3D打印技術中，又以熔融層積成型技術（FDM）和立體光固化成型技術（SLA）需要考慮添加打印支撐結構，其余三種則不需要考慮打印支撐結構。在FDM 3D打印技術中，合理地添加支撐不僅能保持零件形狀、減少零件的翹曲變形、防止零件懸空部分的塌陷，而且可以減少打印時間和材料。本文將從FDM 3D打印中支撐的添加原理出發，系統地對Simplify3d、Meshmixer、Magics三款軟件分別為STL文件添加支撐的方法進行研究。

2 FDM 3D打印中支撐的添加原則及類型

在3D打印的過程中，給模型添加支撐是必不可少的環節。支撐添加的好與壞，直接決定了模型最后能否別成功打印。

2.1 支撐的添加原則

45度角原則。根據重力原理，不難得知，當一個物體的某個面與垂直線的角度大于45度且懸空時，就有可能發生墜落。對于FDM 3D打印，也是如此，雖然在打印過程中，材料經過熔化后，會出現一定的粘附性，但是，材料也有可能在沒有完全固化之前，因本身的重力而墜落，從而導致打印失敗。

因此支撐的臨界角如果大于設置的角度，底部則需要支撐，在設置時需根據具體的情況（如模型大小、價格、后處理等）加以注意。

2.2 支撐的添加類型

根據模型本身的特點，將模型的支撐類型分為完全支撐、部分支撐和不加支撐這三種。

① 完全支撐

在本研究中所使用的Simplify3d切片軟件中，系統會根據45度角原理，計算出模型所有需要添加支撐的點，自動為模型添加支撐。在加工中，下述兩種模型適合添加完全支撐：

（1）模型結構復雜、枝角較多，重心分散，沒有一定的規律性；

（2）模型某些部位較纖細，且懸空部分較多。

② 部分支撐

部分支撐指的是在模型的某個點或某些部位添加支撐。該種支撐在打印中使用較多，常用手動添加的模式解決。在保證模型能被成功打印的前提下，一般采取的策略是支撐加的越少越好。這樣，不僅可以減少打印時間和材料，而且便于打印件的支撐去除。

③ 不加支撐

當模型“下大上小”，整體呈現圓柱狀、圓錐狀或者是方狀體，底盤較大；或者模型的構造極為簡單時，可以不添加支撐。

3 本研究中支撐添加的方法

3.1 Simplify3d軟件的柱狀支撐設計

Simplify3d軟件是德國3D打印公司German RepRap在2014年7月推出的一款全功能3D打印軟件。Simplify3d可取代Repetier-Host和Slic3r軟件，支持導入不同類型的文件，可縮放3D模型、修復模型代碼、創建G代碼并管理3D打印過程。在FDM 3D打印工藝中，Simplify3d軟件中支撐結構的截面形狀為矩形，支撐類型為柱狀。在軟件中可以方便地完成支撐填充率、支撐柱大小、最大懸垂角度（一般設為45°）等參數的設置，自動生成支撐結構。對于復雜造型產品，Simplify3d軟件的支撐生成可以自動完成，再手工修改優化支撐結構。

在具體案例研究中發現，經優化后的模型不僅打印時間大為減少，而且原材料消耗也節省了。

3.2 Meshmixer軟件的樹狀支撐設計

在3D打印中，遇到懸空造型是沒辦法完全避免的。在這些案例中，常常會依靠支撐材來支撐懸空的部分。大部分的3D打印軟件都有自動生成支撐的功能，但能夠調整參數的并不多，這樣就導致了在一些懸空件中采用半支撐會撐不到，全支撐又太難拆又耗時的尷尬。Meshimixer軟件是Autodesk公司推出的3D打印軟件[2]，其中Overhangs模塊專門生成支撐材。在Overhangs模塊中可以依照打印需求自動生成符合模型需要的支撐結構，支撐類型為樹狀支撐，也可以手動將支撐材做好，有效地減少支撐材的消耗跟時間。在本研究案例中，支撐結構的截面形狀設為圓柱，支撐位置、支撐截面尺寸、支撐密度等進行了優化更改，從而優化了模型的打印工藝。

3.3 Magics軟件的部分懸空件支撐設計

Magics軟件是比利時Materialise公司推出的3D打印商業化軟件。該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。在復雜造型產品中，Magics軟件可以自動生成片式支撐，再手動修改優化支撐結構，不在本研究之列。在部分懸空件中，使用Magics軟件可以非常方便地對STL文件添加加支撐，提高打印質量和成功率。

4 結論

Simplify3d、Meshmixer、Magics三款軟件是3D打印中常見的三款軟件，功能不同，適用范圍也不同，本文系統地對其進行了比較，為后續FDM 3D打印支撐的添加工作帶來便利。

參考文獻：

[1]FDM快速成型工藝支撐結構參數的實驗研究.范孝良，李傳帥等[J].中國工程機械學報，2016（14），520—524.

[2]3D打印中的模型去支撐劃分方法.魏瀟然，耿國華等[J].西安電子科技大學學報，2016（43），180—185.