FDM 3D打印支撐結構及易于剝離方法的研究

盧帥 晁艷普

摘? 要：熔融沉積成型3D打印在成型具有大跨度結構、外伸結構等懸空特征的模型時有添加輔助支撐結構的必要性。文章針對FDM成型技術中支撐結構進行了研究，提出了熔融沉積成型3D打印支撐結構與實體模型易于剝離的方法，科研實踐表明該方法對支撐結構的可去除性有較好的改善效果。

關鍵詞：FDM;3D打印;支撐結構;易于剝離

中圖分類號：TH-3? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）09-0122-02

Abstract： FDM 3D printing is necessary to add auxiliary support structure when forming a model with large span structure and overhanging structure. Based on FDM molding technology of the supporting structure are studied， put forward the fused deposition molding 3 d printing support structure and entity model easy to stripping method， scientific research and practice show that this method can remove sex of support structure has good improvement effect.

Keywords： Fused Deposition Modeling; 3D Printing; support structure; easy stripping

引言

熔融沉積式（FDM）3D打印原理是打印機接收到由切片軟件處理的3D數據，將材料熔化沉積，是一種分層制造、逐層累積的過程。熔融沉積成型工藝要求在對數字模型進行堆積成形的同時就設置好支撐，支撐結構對提高具有懸空特征結構的模型表面質量具有重要作用，其不足之處是成型后與實體難以剝離。因此，在FDM快速成型工藝過程當中，對支撐結構的研究有非常重要的作用。

1 熔融沉積成型3D打印添加支撐結構的必要性

熔融沉積式3D打印機是三自由度結構，X軸和Y軸所構成的平面是模型切片分層輪廓截面以及模型內部填充路徑所在平面，每成型一層，底座平臺相對于噴頭結構沿Z軸放向下降一定片層高度。由于成型耗材受重力影響，每成型一層就必須在上一層打印布局的基礎上給予支撐。對于結構復雜的零部件模型，其在成型過程中，片層截面輪廓變化明顯，如果上一層不能為下一層提供支撐定位，會嚴重影響模型的成型質量甚至無法成型。因此，支撐結構對實體模型的形狀精度、尺寸精度、表面質量及其后處理具有十分重要的作用，支撐結構是模型成型的關鍵。

2 熔融沉積成型支撐結構類型及生成方法

2.1 支撐結構類型

FDM支撐結構成型類型可分為以下幾類：（1）基礎支撐。基礎支撐是為模型成型過程中提供基本支撐并調節(jié)工作平面的局部平整度，便于模型成型后從工作臺上剝離下來，從而使模型底部的表面質量更好。基礎支撐結構的形狀和大小以模型最大包圍面向Z軸方向的投影再作適量擴展。對于某些特殊結構的模型部件，可根據工作平臺不能與模型成型底面相接觸的原則設計，盡量減少添加不必要的支撐部分。（2）整體支撐。整體支撐是通過完全包圍的方式成型整個模型，不用考慮模型本身的復雜程度，而且成型過程相對簡單。整體支撐能保證模型的成型質量，但對后處理帶來很大的麻煩，同時也造成支撐材料的大量浪費和成型時間的增多。（3）局部支撐。局部支撐根據模型的結構，在需要添加支撐的表面添加支撐，是整體支撐基礎上的一種改進。另外，在成型過程當中，成型材料在熔融狀態(tài)下擁有一定的粘性，熔融材料本身擁有一定的自支撐能力，在支撐臨界角范圍內也不需要添加支撐結構。

2.2 熔融沉積成型支撐結構的生成方法

（1）手動添加支撐。通過CAD軟件獲得零部件的數字模型，對數字模型進行轉換實現格式共享，再對模型進行切片分層和堆積成型，通過設定模型最優(yōu)的成型方向，確保最少支撐結構的添加。通過分層處理獲得每個層片的二維輪廓和結構，同時生成每個層片的數控加工指令，通過逐層加工，三維實體零部件加工完成之后，最后再把支撐材料通過設備或工具進行剝離。（2）自動生成方式。該方式是通過算法自動添加支撐，生成支撐比較全面，對算法的要求比較高。總體來講，關于生成算法可分為以下三類：a.掃描線支撐結構自動生成算法。這種算法首先需要對數字模型進行切片分層處理，對切片分層二維結構進行掃描，得出每層的掃描直線段，然后通過線段的和、差、并、補運算自上向下生成支撐結構的掃描線。b.切片支撐結構自動生成算法。該算法首先對數字模型進行切片分層，并以此為基礎進行支撐結構的主動添加，添加的切片結構分為實體切片結構和支撐切片結構。這種支撐算法需要對層片結構進行偏置和布爾運算，提高了算法的復雜程度。c.STL模型支撐結構自動生成算法。該算法是對模型所有三角面片的法向矢量進行判斷，并對所有面片進行分類，即需要添加支撐的三角面片和不需添加支撐的三角面片。把需要添加支撐的三角面片及其相鄰面片合并成若干待支撐區(qū)域，在待支撐區(qū)域上自動生成合適的支撐結構，然后將總體進行分層切片處理。

3 熔融沉積成型支撐結構剝離方法與措施

3.1 支撐結構剝離方法概述

熔融沉積成型工藝中常用的支撐剝離方法有手工剝離、加熱剝離和化學剝離。手工剝離是指用工具如斜口鉗、刻刀等手工把支撐材料從成型零件上剝離下來。加熱剝離是指當成型材料熔點較高而支撐材料熔點較低時，利用熔點差對零件模型進行加熱使支撐材料優(yōu)先熔化而保留實體模型。化學剝離是指當支撐材料可以溶解于某種化學溶劑而成型材料不受任何損傷時，可利用此化學溶劑使支撐材料溶解進而與實體模型相分離。目前，大部分的成型件依然采用手工剝離，工件的表面質量往往會受到影響。如可能會出現工具劃痕，也有可能用做支撐的材料與模型結合過于緊密，以至于難以去除，強制去除后會在零件表面留下刮痕和凹坑，破壞表面的平整度，這種情況下需對成型后的模型進行后處理，如打磨、拋光等，以提高模型的表面質量。