浅谈FDM-3D打印机的支撑及其发展
时间：2021-01-25 08:01:18 来源：达达文档网 本文已影响 人 
摘 要：FDM-3D打印在成型具有悬空结构的模型时必须添加辅助的支撑结构。为保证模型的质量，减少打印时间，支撑的位置和形状是当前研究的重点对象。
关键词：FDM;支撑结构;优化研究;
引言
随着科学技术的发展，越来越多的新兴技术应用到社会中，3D打印技术在其中异军突起。3D打印属于增材制造的一种，区别于以往的减材制造，舍去了传统的刀具、夹具和昂贵的机床设备，大量减少了加工过程的工艺和工序，在 3D打印设备上能够快速、准确地制造出传统加工方法难以加工的具有复杂结构的零件，能够极大地缩短制造周期和加工工序。但在 FDM-3D打印在成型具有大跨度结构、外伸结构等悬空特征的模型时，零件容易出现变形、翘曲、坍塌等一系列问题，导致最终打印成形失败，为了解决这些问题，需要添加支撑结构辅助制造。
1 FDM打印中常用支撑的结构类型和生成方式
1.1FDM打印技术的支撑主要有以下几类：
a）基础支撑：主要为模型加工过程提供基础的支撑并用于校正工作平台的局部不平整，方便模型打印完成后从平台上取下，使模型底部表面平滑、整齐，并且基础支撑能够缓冲平台底板与打印模型的温度差异，在打印“薄件”时能有效的减少翘曲现象。
b）整体支撑：通过完全包围的方式成型整个模型，不用考虑模型本身的复杂程度，而且整个生成计算过程相对简单，在3D打印发展的初期使用频率较高。整体支撑能保证模型的成型质量，但会给后期处理带来很大的麻烦，同时也会造成打印材料的大量浪费和打印成型时间的增加。
c）局部支撑：是在整体支撑基础上的一种改进措施，根据模型的结构和放置位置方向，在需要的表面添加支撑。局部支撑的添加符合45°角原则[1]，即由于受重力作用的影响，当一个物体某个面与垂直线的角度大于45°且悬空时，则有可能发生坠落。打印过程中，材料需要经过“硬-软-硬”的相变过程，在材料没有凝固之前，因自身重力影响且没有其它支撑而下坠，导致打印模型失败。因此，支撑的临界角如果大于设置的角度，底部则需要添加局部支撑，用于稳定突出或者悬空的模型结构。
1.2FDM打印支撑的生成方式：
a）手动添加支撑。
b）自动生成支撑。
2 FDM-3D打印中自动生成支撑的研究发展现状及成果信息
目前支撑结构的主要研究内容：
2.1添加支撑结构位置的确定
a）Meshmixer、Magics、Cura 等一些常用软件采用基于模型表面的倾斜角度进行分析，根据模型三角面片的法矢与 Z轴正向夹角的大小来确定是否需要添加支撑结构。该方法具有良好的通用性，计算简单，容易实现。
b）分析模型切片的布尔运算判断待支撑区域。
谢明师等[2]提出利用二维图形裁剪库对3D 打印过程中生成的上下两层切片轮廓进行布尔运算，得到当前层的支撑区域，使用逆向分層的思想方法得到模型的全部支撑区域。
邢银龙[3]等提出了一种基于数字图像处理技术自动识别需要支撑区域，并生成支撑的方法 。把支撑区定义为模型处于悬空部分在其正下方的投影区，在上层结构向下层结构投影时，如果两层的投影差集不为空集时，说明至少存在一个支撑区域;若为空集时，说明此层无支撑区域。
2.2生成支撑结构形状及算法
现有的三自由度FDM-3D打印机结构简单，且这类打印机的切片软件和系统控制软件开源度非常高。在软、硬件不断升级情况下，简单、可靠的机构可实现较小的精度误差，越来越多的研究者投入到FDM-3D打印的研究中去，支撑形状与算法的优化设计也越来越好。根据支撑形状特征，将支撑结构分为两类：投影支撑;多层级支撑。
2.2.1投影支撑
a）块状支撑块状支撑是最简单的投影支撑结构，主要用于大平面支撑。在获得待支撑区域后，将支撑区域投影形成实体的支撑块，生成方法简单，但支撑结构密实，所需支撑材料较多，散热差且浪费打印时间。
b）网状支撑由基底平面、垂线支撑、斜拉线三部分组成，以网格形式分布，密集交错排列，具有很好的结构强度和散热性能，。基底平面位于工作平台与垂线支撑之间，主要为了避免垂线支撑在孔上不能成形的情况。网状支撑因其成形速度快，节省材料，得到广泛应用，但由于与模型接触面积大，不容易去除和造成模型表面粗糙等原因，正在被新的支撑结构与算法取代。
c）陈岩[4]等提出的柱状支撑，相比传统的切片算法在能够顺利打印出模型的基础上并能够节约打印时间和材料，在打印稳定性的方面有着很大的提升，但仍存自不够完美的原因，不能够推广应用。
2.2.2多层级支撑
a）切片软件Cura的矩形截面网格状支撑结构和切片软件Meshmixer的圆柱截面树杈状支撑结构是目前最常用的自动生成支撑，但网格状支撑结构密度大，浪费打印材料和打印时间，并且难以剥离，树杈状结构的支撑在悬空面十分密集，同样难以处理。
b）魏潇然等[5]针对FDM 成形工艺，提出一种以熔丝为支撑单位的树形稀疏支撑结构，把Cura和Meshmixer的支撑结构相结合，在减少树权分支密度的同时，优化支撑结构形状。这种树杈支撑结构可在与模型接触的地方收敛成一条线，连接处采用点状连接或者错齿状，方便于支撑结构的拆除。此支撑算法采用多约束条件将问题优化分解，降低算法复杂度，所用耗材少、支撑结构稳定。
c）Dumas[6]等提出了一种脚手架结构样式的支撑结构算法。该算法在保证支撑结构稳定的同时，对悬空位置进行检测，得到需要添加支撑结构的区域，再选用横梁和柱子的基本构件来进行运算，最后再进行优化，就会得到具有较高的强度和较高的稳定性的支撑结构。
2.2.3无支撑打印
a）R Hu[7]等人提出"近似金字塔形分解"算法，把三维模型提前切割成几个不需要支撑的模块，分别打印之后再拼装起来，尽量实现无支撑结构，但这种方式会破坏模型结构的完整性，并因为打印精度的原因，会造成拼接装配时的不准确。
b）以传统多轴机床为参考的五轴混合打印机和基于多自由度机器人的打印机，能够在打印过程中随时改变模型放置，使模型当前打印位置始终处于垂直方向，改变当前熔丝的临界角，使其在固化后能够作为下一层打印的支撑，但“刀路”规划的自动软件和材料的快速成型是这类打印机的技术瓶颈。
结语
3D打印技术被誉为进入第四次工业革命的重要标志，而FDM制造技术的发展极大的促进了桌面级3D打印机的推广，越来越多的人认识、了解并能够使用这种简单的3D打印机，本文选择几种典型的支撑作了简单的介绍，支撑问题的研究将会成为FDM-3D打印技术能否实现质的飞跃的一个决定性因素。就目前的研究发展状况来看，还没有一个能够行之有效的方法能够解决打印过程中支撑出现的各种各样的问题，但是随着我们众多科学研究者的进一步探索、研究，在不久的将来，完全可以实现3D打印的无支撑化，保证模型精度的同时，能够实现制造业的“零损耗”。
参考文献：
[1] 樊 佳.3D打印中支撑结构因素的技术分析[J].机械工程与自动化，2018（1）：30-32.
[2] 谢明师，陈 鸿，杨凯祥.基于 Clipper的3D打印支撑算法与设计[J].设计与研究，2017（3）：61-63
[3] 邢银龙.基于图像技术的3D打印支撑区域算法开发[J].科技创新导报，2019（30）.
[4] 陈岩，王士讳，杨周巧.FDM三维打印的支撑结构的设计算法机.中国科学：信息科学，2015 .
本文系许昌学院科研项目“ 基于熔融沉积增材制造支撑的工艺研究”（编号2020YB024 ）
作者简介：
姓名：张贝贝（1987-07）男，汉，河南省许昌市襄城县，助教，本科，许昌学院工程训练中心，研究方向：机械加工制造。
