淺談FDM-3D打印機(jī)的支撐及其發(fā)展

摘 要：FDM-3D打印在成型具有懸空結(jié)構(gòu)的模型時(shí)必須添加輔助的支撐結(jié)構(gòu)。為保證模型的質(zhì)量，減少打印時(shí)間，支撐的位置和形狀是當(dāng)前研究的重點(diǎn)對(duì)象。

關(guān)鍵詞：FDM;支撐結(jié)構(gòu);優(yōu)化研究;

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的新興技術(shù)應(yīng)用到社會(huì)中，3D打印技術(shù)在其中異軍突起。3D打印屬于增材制造的一種，區(qū)別于以往的減材制造，舍去了傳統(tǒng)的刀具、夾具和昂貴的機(jī)床設(shè)備，大量減少了加工過(guò)程的工藝和工序，在 3D打印設(shè)備上能夠快速、準(zhǔn)確地制造出傳統(tǒng)加工方法難以加工的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，能夠極大地縮短制造周期和加工工序。但在 FDM-3D打印在成型具有大跨度結(jié)構(gòu)、外伸結(jié)構(gòu)等懸空特征的模型時(shí)，零件容易出現(xiàn)變形、翹曲、坍塌等一系列問(wèn)題，導(dǎo)致最終打印成形失敗，為了解決這些問(wèn)題，需要添加支撐結(jié)構(gòu)輔助制造。

1 FDM打印中常用支撐的結(jié)構(gòu)類型和生成方式

1.1FDM打印技術(shù)的支撐主要有以下幾類：

a）基礎(chǔ)支撐：主要為模型加工過(guò)程提供基礎(chǔ)的支撐并用于校正工作平臺(tái)的局部不平整，方便模型打印完成后從平臺(tái)上取下，使模型底部表面平滑、整齊，并且基礎(chǔ)支撐能夠緩沖平臺(tái)底板與打印模型的溫度差異，在打印“薄件”時(shí)能有效的減少翹曲現(xiàn)象。

b）整體支撐：通過(guò)完全包圍的方式成型整個(gè)模型，不用考慮模型本身的復(fù)雜程度，而且整個(gè)生成計(jì)算過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，在3D打印發(fā)展的初期使用頻率較高。整體支撐能保證模型的成型質(zhì)量，但會(huì)給后期處理帶來(lái)很大的麻煩，同時(shí)也會(huì)造成打印材料的大量浪費(fèi)和打印成型時(shí)間的增加。

c）局部支撐：是在整體支撐基礎(chǔ)上的一種改進(jìn)措施，根據(jù)模型的結(jié)構(gòu)和放置位置方向，在需要的表面添加支撐。局部支撐的添加符合45°角原則[1]，即由于受重力作用的影響，當(dāng)一個(gè)物體某個(gè)面與垂直線的角度大于45°且懸空時(shí)，則有可能發(fā)生墜落。打印過(guò)程中，材料需要經(jīng)過(guò)“硬-軟-硬”的相變過(guò)程，在材料沒(méi)有凝固之前，因自身重力影響且沒(méi)有其它支撐而下墜，導(dǎo)致打印模型失敗。因此，支撐的臨界角如果大于設(shè)置的角度，底部則需要添加局部支撐，用于穩(wěn)定突出或者懸空的模型結(jié)構(gòu)。

1.2FDM打印支撐的生成方式：

a）手動(dòng)添加支撐。

b）自動(dòng)生成支撐。

2? FDM-3D打印中自動(dòng)生成支撐的研究發(fā)展現(xiàn)狀及成果信息

目前支撐結(jié)構(gòu)的主要研究?jī)?nèi)容：

2.1添加支撐結(jié)構(gòu)位置的確定

a）Meshmixer、Magics、Cura 等一些常用軟件采用基于模型表面的傾斜角度進(jìn)行分析，根據(jù)模型三角面片的法矢與 Z軸正向夾角的大小來(lái)確定是否需要添加支撐結(jié)構(gòu)。該方法具有良好的通用性，計(jì)算簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。

b）分析模型切片的布爾運(yùn)算判斷待支撐區(qū)域。

謝明師等[2]提出利用二維圖形裁剪庫(kù)對(duì)3D 打印過(guò)程中生成的上下兩層切片輪廓進(jìn)行布爾運(yùn)算，得到當(dāng)前層的支撐區(qū)域，使用逆向分層的思想方法得到模型的全部支撐區(qū)域。

邢銀龍[3]等提出了一種基于數(shù)字圖像處理技術(shù)自動(dòng)識(shí)別需要支撐區(qū)域，并生成支撐的方法 。把支撐區(qū)定義為模型處于懸空部分在其正下方的投影區(qū)，在上層結(jié)構(gòu)向下層結(jié)構(gòu)投影時(shí)，如果兩層的投影差集不為空集時(shí)，說(shuō)明至少存在一個(gè)支撐區(qū)域;若為空集時(shí)，說(shuō)明此層無(wú)支撐區(qū)域。

2.2生成支撐結(jié)構(gòu)形狀及算法

現(xiàn)有的三自由度FDM-3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且這類打印機(jī)的切片軟件和系統(tǒng)控制軟件開源度非常高。在軟、硬件不斷升級(jí)情況下，簡(jiǎn)單、可靠的機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)較小的精度誤差，越來(lái)越多的研究者投入到FDM-3D打印的研究中去，支撐形狀與算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)也越來(lái)越好。根據(jù)支撐形狀特征，將支撐結(jié)構(gòu)分為兩類：投影支撐;多層級(jí)支撐。

2.2.1投影支撐

a）塊狀支撐塊狀支撐是最簡(jiǎn)單的投影支撐結(jié)構(gòu)，主要用于大平面支撐。在獲得待支撐區(qū)域后，將支撐區(qū)域投影形成實(shí)體的支撐塊，生成方法簡(jiǎn)單，但支撐結(jié)構(gòu)密實(shí)，所需支撐材料較多，散熱差且浪費(fèi)打印時(shí)間。

b）網(wǎng)狀支撐由基底平面、垂線支撐、斜拉線三部分組成，以網(wǎng)格形式分布，密集交錯(cuò)排列，具有很好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和散熱性能，。基底平面位于工作平臺(tái)與垂線支撐之間，主要為了避免垂線支撐在孔上不能成形的情況。網(wǎng)狀支撐因其成形速度快，節(jié)省材料，得到廣泛應(yīng)用，但由于與模型接觸面積大，不容易去除和造成模型表面粗糙等原因，正在被新的支撐結(jié)構(gòu)與算法取代。

c）陳巖[4]等提出的柱狀支撐，相比傳統(tǒng)的切片算法在能夠順利打印出模型的基礎(chǔ)上并能夠節(jié)約打印時(shí)間和材料，在打印穩(wěn)定性的方面有著很大的提升，但仍存自不夠完美的原因，不能夠推廣應(yīng)用。

2.2.2多層級(jí)支撐

a）切片軟件Cura的矩形截面網(wǎng)格狀支撐結(jié)構(gòu)和切片軟件Meshmixer的圓柱截面樹杈狀支撐結(jié)構(gòu)是目前最常用的自動(dòng)生成支撐，但網(wǎng)格狀支撐結(jié)構(gòu)密度大，浪費(fèi)打印材料和打印時(shí)間，并且難以剝離，樹杈狀結(jié)構(gòu)的支撐在懸空面十分密集，同樣難以處理。

b）魏瀟然等[5]針對(duì)FDM 成形工藝，提出一種以熔絲為支撐單位的樹形稀疏支撐結(jié)構(gòu)，把Cura和Meshmixer的支撐結(jié)構(gòu)相結(jié)合，在減少樹權(quán)分支密度的同時(shí)，優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)形狀。這種樹杈支撐結(jié)構(gòu)可在與模型接觸的地方收斂成一條線，連接處采用點(diǎn)狀連接或者錯(cuò)齒狀，方便于支撐結(jié)構(gòu)的拆除。此支撐算法采用多約束條件將問(wèn)題優(yōu)化分解，降低算法復(fù)雜度，所用耗材少、支撐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

c）Dumas[6]等提出了一種腳手架結(jié)構(gòu)樣式的支撐結(jié)構(gòu)算法。該算法在保證支撐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的同時(shí)，對(duì)懸空位置進(jìn)行檢測(cè)，得到需要添加支撐結(jié)構(gòu)的區(qū)域，再選用橫梁和柱子的基本構(gòu)件來(lái)進(jìn)行運(yùn)算，最后再進(jìn)行優(yōu)化，就會(huì)得到具有較高的強(qiáng)度和較高的穩(wěn)定性的支撐結(jié)構(gòu)。

2.2.3無(wú)支撐打印

a）R Hu[7]等人提出"近似金字塔形分解"算法，把三維模型提前切割成幾個(gè)不需要支撐的模塊，分別打印之后再拼裝起來(lái)，盡量實(shí)現(xiàn)無(wú)支撐結(jié)構(gòu)，但這種方式會(huì)破壞模型結(jié)構(gòu)的完整性，并因?yàn)榇蛴【鹊脑颍瑫?huì)造成拼接裝配時(shí)的不準(zhǔn)確。

b）以傳統(tǒng)多軸機(jī)床為參考的五軸混合打印機(jī)和基于多自由度機(jī)器人的打印機(jī)，能夠在打印過(guò)程中隨時(shí)改變模型放置，使模型當(dāng)前打印位置始終處于垂直方向，改變當(dāng)前熔絲的臨界角，使其在固化后能夠作為下一層打印的支撐，但“刀路”規(guī)劃的自動(dòng)軟件和材料的快速成型是這類打印機(jī)的技術(shù)瓶頸。

結(jié)語(yǔ)

3D打印技術(shù)被譽(yù)為進(jìn)入第四次工業(yè)革命的重要標(biāo)志，而FDM制造技術(shù)的發(fā)展極大的促進(jìn)了桌面級(jí)3D打印機(jī)的推廣，越來(lái)越多的人認(rèn)識(shí)、了解并能夠使用這種簡(jiǎn)單的3D打印機(jī)，本文選擇幾種典型的支撐作了簡(jiǎn)單的介紹，支撐問(wèn)題的研究將會(huì)成為FDM-3D打印技術(shù)能否實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍的一個(gè)決定性因素。就目前的研究發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，還沒(méi)有一個(gè)能夠行之有效的方法能夠解決打印過(guò)程中支撐出現(xiàn)的各種各樣的問(wèn)題，但是隨著我們眾多科學(xué)研究者的進(jìn)一步探索、研究，在不久的將來(lái)，完全可以實(shí)現(xiàn)3D打印的無(wú)支撐化，保證模型精度的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)制造業(yè)的“零損耗”。

參考文獻(xiàn)：

[1] 樊 佳.3D打印中支撐結(jié)構(gòu)因素的技術(shù)分析[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2018（1）：30-32.

[2] 謝明師，陳 鴻，楊凱祥.基于 Clipper的3D打印支撐算法與設(shè)計(jì)[J].設(shè)計(jì)與研究，2017（3）：61-63

[3] 邢銀龍.基于圖像技術(shù)的3D打印支撐區(qū)域算法開發(fā)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2019（30）.

[4] 陳巖，王士諱，楊周巧.FDM三維打印的支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)算法機(jī).中國(guó)科學(xué)：信息科學(xué)，2015 .

本文系許昌學(xué)院科研項(xiàng)目“ 基于熔融沉積增材制造支撐的工藝研究”（編號(hào)2020YB024? ）

作者簡(jiǎn)介：

姓名：張貝貝（1987-07）男，漢，河南省許昌市襄城縣，助教，本科，許昌學(xué)院工程訓(xùn)練中心，研究方向：機(jī)械加工制造。