支撑设置(第二期) | 一篇文章带你读懂3D打印中的支撑(上)

FDM 3D打印机的工作原理是将一层层的热塑性塑料堆积在一起,形成一个3D物体。这种方式下,每一层新层必须由前一层托住。如果模型有悬空结构,下面没有东西可以托住,就需要额外添加支撑结构,以确保打印成功。

支撑结构被认为是3D打印中无法避免的麻烦环节。一方面,对于悬空和跨桥结构,支撑是绝对需要的。另一方面,支撑增加了材料成本,增加了更多的后处理工作,甚至会损坏模型表面。因此,合理设置支撑结构是打印复杂3D模型中一个非常重要的方面。

在本系列中,我们将详细介绍所需了解的关于3D打印支撑结构的所有内容。

什么时候需要支撑结构?

一般来说,当模型有悬空或跨桥结构,下面没有东西可以托住,就需要用到支撑结构。下面用字母Y、H和T表示悬空或跨桥结构。


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Overhangs(悬空)、Bridge(跨桥)

并非所有的悬空都需要支撑—45度定律

并非所有的悬空都需要支撑。如果一个悬空倾斜的垂直角度小于45度,那么可以在打印此悬空时不用支撑。

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事实上,在连贯的层面之间,3D打印机移动的水平偏移非常小(几乎不明显)。因此,一个层面并不是完全叠加在前一层之上,而是叠加在一个很小的偏移量上。这使得打印机可以打印出垂直倾斜不太大的悬空物。任何低于45度的悬空都可以被之前的层面托住。45度通常被认为是临界角度。

这方面也可以用字母Y和T表示。字母Y的两个突出部分与垂直方向的夹角小于45度。因此,如果想打印字母Y,可以不用任何支撑结构!


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图片来源:3DHubs


而字母T的伸出部分与垂直方向成90度。因此,必须添加支撑来打印字母T,否则将打印的一团乱,如下图所示。


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图片来源:3DHubs

并非所有的跨桥都需要支撑- 5毫米定律

跟悬空一样,并非所有的跨桥都需要支撑。如果跨桥的长度小于5mm,打印机就可以打印出来,不需要支撑结构。

为了做到这一点,打印机使用了一种叫做“桥接”的技术——它将热材拉伸到很短的距离,并设法以最小的凹陷量打印出来。

但如果桥长超过5mm,这种技术就不起作用了。在这种情况下,就需要添加支撑结构。


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测试打印机不加支撑打印悬空物

如果垂直度低于45度,就不需要支撑。但情况因人而异,这在很大程度上取决于你的打印机,包括打印机性能和你正使用的材料。打印机性能不好,可能无法打印出垂直35度或40度的悬空物!

在开始打印带有悬空的模型前,最好先了解下打印机能否打印无支撑悬空物。

从3D打印库下载一个带有大量悬空的模型并测试打印。下图模型带有从20-70度的悬空,悬空增量为5度。


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确认打印开始失败的角度。这就是你的打印机在不添加支撑情况下可以打印的最大悬空角度。记录下这个角度,稍后可用来衡量哪里需要添加支撑,哪里不需要。

3D打印支撑结构的缺点

为什么我们要费心分析哪里需要支撑,哪里不需要支撑。这么麻烦是因为添加3D打印支撑结构也有一些缺点。

材料成本增加

如果在生产中使用3D打印,那么就会在意每个模型的成本。如果你是一个预算紧张的业余爱好者,你可能也会关心这个问题。


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3D打印支撑结构明显增加了模型的成本。支撑结构消耗材料,这些材料随后被拆除和丢弃。所以每一次3D打印添加支撑结构,都会增加模型的成本。

打印时间延长

因为需要打印更多的物料,支撑结构也增加了打印时间。

后处理工作增多

支撑结构不是模型的一部分。它们用于在打印过程中支撑模型。这意味着一旦打印完成,就有了额外的工作,即拆除支撑。


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图片来源:: Formlabs

在生产中,增加的人力成本会导致模型成本增加。

有毁掉模型的风险

支撑结构接连并嵌入模型表面。如果拆除3D支撑的过程中不细心,就可能会在模型表面留下瑕疵。最坏的情况,部分模型可能会随着支撑结构断裂。


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左:带支撑模型。中:支撑拆除造成损坏。右:支撑拆除损坏较小

(图片来源:3DHubs)

总之,使用支撑结构也有明显的缺点。所以尽量少用支撑结构,只在必要时添加支撑。

支撑结构的几何学

有两种常见的3D打印支撑结构:树形支撑和线/风箱形支撑。


树形支撑


树形是一个类树结构,用来支撑模型的悬空部分。这种类型的3D打印支撑只与悬空的某些位置点相连接。

使用树形支撑的优点是,更容易拆除,不会损坏悬空底面太多。但要注意的是,它只适用于非平面的悬空,如鼻尖,指尖或拱形。对于平面的悬空,树形支撑不能提供足够的稳定性。

线/风箱形支撑


这也是3D打印中较常见的支撑类型。这类型的支撑由垂直的柱子组成,这些柱子与整个悬空相接。几乎每个悬空和跨桥都能用到这种支撑。但是它更难拆除,还有可能对模型表面造成损坏。


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左:线形支撑 右:树形支撑

在下一期的推文(第三期)中,我们将继续介绍如何从CAD设计阶段到打印阶段,使用这些技巧。下期推文内容要点包括:

  • 易于拆除的支撑类型

  • 如何拆除3D打印支撑结构

  • 巧妙的设计使支撑结构最小化

  • 如何不加支撑打印悬空和跨桥

  • 支撑结构参数设置

 
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