本帖最后由 warrior熊 于 2024-6-21 22:34 编辑
在增材制造 (AM) 中，支撑通常用于构建过程中以加固和维护正在创建部件的结构。出于各种原因，这是必要的，具体取决于正在构建的部件的尺寸和形状。另一方面，无支撑打印是指开发完全独立于任何支撑结构3D 打印部件的生产方法。在常规的增材制造过程中，支撑的放置位置经过精心设计，可防止热应力导致的变形，促进热量从熔化材料中转移，并保护成型部件免受刮刀刮擦，刮刀刮擦可能会导致部件形状在发生撞击时发生破坏。它们还可以在构建过程中为部件提供额外的刚性，例如，将其固定在构建板上以保持其稳定。
简言之，无支撑增材制造技术（Support-Free AdditiveManufacturing）是一种不需要使用支撑结构的增材制造（3D打印）技术，且允许构建一个完全独立的部件。这种技术通过优化打印过程和设计，能够在制造过程中避免或减少对支撑结构的需求，从而提高打印效率、降低材料浪费和简化后处理步骤。其中典型的代表包括：金属3D打印方向的Velo3D公司SupportFree 工艺、基于光固化原理的CLIP技术、江南大学的无支撑陶瓷成型技术，这些案例在后面会有进一步的相关介绍。
为什么3D打印需要支撑结构？
支撑结构在3D 打印中的作用是为了防止它们因高加工温度引起的残余应力而变形，这不仅会破坏部件，还会导致重涂机崩溃，尤其是针对金属增材制造系统。所以，成型复杂构件的很多几何特征都需要支撑。在典型的金属激光 PBF 系统中，几乎总是需要支撑的几何特征是悬垂、孔和通道结构。
考虑到增材制造被认为是可以生产具有更复杂特征的更复杂部件，因此，如果得知这只能通过添加多个支撑和/或违反直觉的构建配置来实现，那么这可能会产生误导，而且坦率地说会令人失望。诚然，在聚合物 3D 打印中，支撑可能不是什么大问题，因为它们可以溶解或轻松去除。但是，对于金属 3D打印，支撑可能难以去除（即使可以接触到它们），在去除它们的表面上留下缺陷，并给整个工作流程增加大量的时间和材料成本。
悬垂结构：通常是当它们与水平面成 45 度以下时。您能想象一个典型组件中有多少个特征符合此标准？通常有很多。下面演示了当角度低于 45 度时会发生什么。
△照片由Proto Labs 提供
这个问题有三种解决方案：重新调整构建室中的部件方向、重新设计部件或添加大量支撑。许多人选择重新调整构建室中的部件方向，但这也会带来自身的问题。以圆形部件为例，例如下图所示的叶轮。
△无支撑叶轮
许多人通过将叶轮倾斜 45 度来制作此类带罩叶轮。倾斜打印的问题在于，破坏部件的轴对称性会导致许多问题。首先，任何旋转部件的圆度都至关重要。当以一定角度打印时，仅从尺寸稳定性方面来看，圆度就很容易受到影响。此外，在 L-PBF 3D 打印的情况下，由于逐层工艺，Z 方向的机械性能可能与 X/Y 平面不同。因此，通过倾斜打印，最终机械性能会随着圆圈的移动而发生变化。这在部件承受高应力的应用中尤其成问题。表面光洁度不一致是另一个问题。表面光洁度在不同倾斜度下会有所不同。如果打印的是平面的，则不存在这个问题，因为差异至少是对称的。有些人可能会说后处理会解决这个问题，这是真的——除非你有那些非常复杂的内部特征，这些特征被大力吹捧为金属增材制造的卖点。或者，磨粒流抛光是一种流行的解决方案，但它不会解决这些表面光洁度变化，除非去除大量（且通常数量不一致）的材料。
孔洞与通道结构：人们普遍认为，L-PBF 系统只能产生直径约为 8-10 毫米的水平孔和通道，之后才需要支撑。可以进行一些设计选择来尝试避免这种情况，但这些设计选择都不理想。最常见的方法是将通道改为泪滴形、椭圆形或菱形（如下所述）。
有几个原因可以解释为什么这样做并不可取。首先，设计中引入孔和通道的主要原因是：促进流体（液体或气体）的流动。在大多数情况下，圆形是流体流动最有效的形状，而上述形状肯定会对流体动力学产生不利影响。此外，泪滴形的顶部和菱形的角是严重的应力集中器，当涉及到加压流体时，这是一个大问题。有些人可能会建议将这些角倒圆，但这并不能完全消除应力集中器，而只是减轻了应力集中器的数量。顺便说一句，这对流体动力学的情况肯定没有帮助。
不同3D打印的无支撑成形原理
无支撑增材制造技术在不同的3D打印技术中采用了不同的方法和原理，以实现无需支撑结构的打印。以下我们总结了几种主流3D打印技术及其无支撑成形的原理，以期给予3D打印行业的相关从业者一些启发和思考：
1. 激光粉末床融合（PowderBed Fusion，PBF）
原理：基于粉床铺展原理的PBF技术包括选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）、选区激光熔化（SLM）和电子束熔融（EBM），是通过激光或电子束烧结粉末材料。打印过程中，未烧结的粉末可充当自然支撑，支撑住打印过程中形成的悬垂结构。目前，市面上曝光的无支撑金属打印案例大都是在工艺优化的基础上实现的。金属的无支撑打印技术具有多种优势： - 可以处理多种材料，包括金属和聚合物。
- 高精度和良好的力学性能。
- 可以打印复杂的几何形状和内部结构。
- 未烧结的粉末可以回收利用，减少材料浪费。
- 缩短生产周期，节省后处理资源
有关SLM技术无支撑打印研究最为普遍，因为它具有极强的应用价值。例如，常规的SLM设备工艺参数控制软件在一个打印任务里只能固定一个工艺参数，在成形轮廓、下表面等悬垂部分时如果没有支撑牵扯，就很容易被往复运动的刮刀“绊到”甚至刮走，导致零件变形。所以，需要实时可变激光光斑直径、可变扫描速度、可变激光功率的工艺控制软件，在成形这些特殊部位时转换为定制的工艺参数：慢扫描速度，高激光功率，促进这些区域的冶金结合。然而，这需要国内控制软件和设备开发商做出进一步的软硬件和设备升级才能实现。国外的无支撑打印技术研发起步较早，开发SupportFree工艺的Velo3D公司是较早的一批无支撑打印工艺的探索者，它可以完全不借助支撑件打印出小到几分之一度的角度。因此，就上图提及的叶轮而言，它可以平整地打印出来，无需内部支撑，从而保持部件轴对称，并大大减少后处理。或者，使用 Velo3D SupportFree 工艺，也可以生产内径最大可达 100 毫米（~4 英寸）的孔和通道。允许内径增加 10 倍，大大打开了日益复杂的内部通道的设计窗口，真正实现了设计针对功能而非可制造性的优化。
SLS技术是使用高功率激光烧结粉末材料（如尼龙、金属粉末），将其逐层固化成形。超快聚合物 3D 打印技术（SLS）服务商Nexa3D公司开发了一种名为ColdMetalFusion的金属3D打印技术。ColdMetalFusion技术是一种使用聚合物 SLS 技术和粉末来 3D 打印金属部件的工业化工艺，所使用的粉末原料将金属成分结合在聚合物外部中，在激光烧结过程中充当粘合剂，能够快速生产无支撑的生坯零件。
△使用 Cold Metal Fusion 技术 3D 打印钛零件。
2. 定量能量沉积（DED）金属打印技术
原理：通过定向能量源（如激光、电子束或等离子弧）熔化材料（通常是金属粉末或丝材），将其逐层沉积成形。通过优化成形工艺和结构设计，使得熔融的原材料能够及时固化并冶金结合到固体层上，进而可以制造出无需额外的支撑结构的构件。基于DED的无支撑打印技术可用于制造高强度、轻量化的复杂零部件，在航空航天、海洋军事、汽车工业等领域有着实际的应用价值。
来自北京理工大学刘长猛教授，在国家重点研发计划等项目支持下，带领团队突破了悬空结构无支撑3D打印的技术难关，提出了脉冲电弧辅助热丝的悬空结构自由成形新工艺，建立了大型金属点阵结构3D打印新方法。该团队自主研制了多弧（10弧、16弧、40弧）并行3D打印系列装备，实现10米级点阵结构3D打印以及效率量级提升，形成了超大规格金属点阵结构多弧并行3D打印技术体系。
相关介绍：
3. 基于片材的选择性扩散键合3D打印技术
原理：这是一种思路非常独特的铝合金金属3D打印技术，不需要使用铝合金粉末，而是使用铝片，同时涉及到粘合剂粘合工艺和激光切割工艺，不需要脱脂烧结，已经具备工业化规模生产的潜力。该技术由Alloy Enterprises开发，选择性扩散键合技术涉及两台机器。第一个称为 Construct，分配片状材料并用激光切割零件的轮廓；第二台叫Bond machine，零件经过扩散粘合过程，将材料片熔合在一起，但涂有抑制剂的区域除外。在扩散键合过程中，堆叠的板材变成一块材料，其内部水平和垂直嵌套了一些零件。然后支撑材料可以脱落以暴露部件。成形过程主要分为以下5个步骤：
（1）根据零件的轮廓和特征，使用激光把铝片切割成薄片；
（2）有选择地喷射抑制剂以创建原位支撑，以防止材料层结合，形成支撑、悬垂和其他复杂的几何形状；
（3）在进行粘合过程之前，把切割好的板材放在一起；
（4）板材在热和压力下扩散粘合，形成均匀、稳定的冶金结合；
（5）无需专业工具即可轻松地从嵌套零件中去除支撑；
优势：
- 具备规模化生产能力；
- 比传统生产或传统3D打印更经济、更具可持续性。
相关阅读：（1）【新提醒】片材铝合金3D打印新技术：原位支撑、无需脱脂烧结，Alloy完成A轮融资2600万美元-南极熊3D打印网 - 平台 (nanjixiong.com)
4. 基于光固化的树脂打印技术
原理：常见的立体光刻（Stereolithography，SLA）技术原理是使用光敏树脂，通过紫外光逐层固化成形。使用优化的打印路径和参数，尽量减少悬垂部分的长度和角度。高粘度树脂在打印过程中具有一定的自支撑能力，能够支撑起未固化的部分。一些改进的SLA技术（如CLIP技术）可以通过快速连续打印减少对支撑的需求。体积打印技术则通常采用逐层光固化的方式，每一层固化后提供足够的支撑。 优势：
连续液体界面生产（ContinuousLiquid Interface Production，CLIP）：CLIP是2015年面世的一项革命性光固化3D打印技术，斯坦福大学和美国Carbon3D公司对此有相关的研究报道。该技术是开发的一种改进的SLA技术，通过持续的氧气渗透来抑制光聚合，形成一个液体界面，使得打印物体从液体树脂中“拉出”。优化的打印路径和连续固化减少了支撑需求。该技术具有高速度和高精度，以及可打印大尺寸和复杂结构的优势。 相关介绍：
△基于微米级CLIP技术的3D打印机设置示意图和打印过程。图片来自《科学进展》
体积打印（Volumetricadditive manufacturing）：该技术原理是操纵不同角度的光线，从虚拟模型创建3D实体。算法是最重要的部分，需要获取3D虚拟对象并以不同角度分解它，然后重新投影它，以在树脂中创建3D对象，这一切都基于生成投影图像的复杂算法。该技术可以在瞬间同时形成物体的所有几何部分，使得打印速度非常快。由于这种光固化材料采用粘高粘度的树脂，因此也不需要额外的支撑结构。
这项革命性的技术曾于2019年2月登上全球顶级学术期刊《Science》，题为：“Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction”。该技术的在于CAL算法，其工作原理就像反向计算机断层（CT）扫描一样，在CT机中，X射线管在患者周围旋转，拍摄人体内部器官的照片。然后，计算机再利用这些投影重构出一幅3D画面。在计算机模拟一个3D物体的情况下，研究人员从多个不同角度计算出物体的形状，然后将由此产生的2D图像输入一台普通的幻灯片投影仪。投影仪将图像投射到一个装着丙烯酸酯（一种合成树脂）的圆柱形容器中。当投影仪通过全方位覆盖的图像旋转时，容器也以相应的角度旋转，使用DLP光源对转动容器内特定位置的树脂固化。
2020年12月，顶级期刊《nature》上重磅发布了另一篇论文：“Xolography for linear volumetric 3D printing”，可以理解为X线照相体积3D打印技术，文章作者来自德国勃兰登堡应用技术大学。xolography技术原理是一种双光体积式3D打印工艺，与立体光刻技术一样，利用光固化光刻胶。然而，在立体光刻技术中，当光投射到装有树脂的大桶中时，会沿着整个光路进行固化，而Xolography工艺则需要两种不同波长的光来聚合。蓝光和红光相交并同时与树脂中的双色光引发剂相遇，就会发生固化。与最先进的体积3D打印方法相比，此技术的分辨率约为无反馈优化的计算机轴向平版打印技术的十倍，并且体积生成速率比双光子聚合3D打印技术高出四到五个数量级。
△X交叉光片照相体积3D打印样品，物体直接在树脂槽中凝固完成
在2022年，斯坦福和哈佛大学的研究人员开发了一种新的体积3D打印方法，声称能够在不需要任何支撑结构的情况下制造树脂部件，技术成果以题为“Triplet fusion upconversion nanocapsules for volumetric 3D printing”的论文再次登上《nature》顶刊。斯坦福3D打印的方法看起来很像传统的立体光刻 (SLA)。激光束照射在大桶中的树脂上，当它暴露在蓝光下时会固化。然而，该团队声称，他们并不仅仅使用标准的蓝色激光，因为这样会沿着穿透光束的整个长度固化树脂。相反，他们利用了一种特殊的树脂，其中含有直径仅为80纳米的光转换纳米粒子。纳米粒子的设计目的是在达到临界能量阈值时，将红光转换为蓝光。而这只有在激光，处于最大焦点时才能实现。因此，该技术改用标准红色激光，并具有稀释和聚焦红色激光的机制。该设置消除了仅能在表面层固化的可能，从而可以通过将红色激光聚焦在XYZ坐标上固化树脂槽中的各个点。该团队表示，换句话说，一个或多个激光器可以围绕大桶旋转，相当于同时从任意方向进行体积打印，从而实现制造任意几何形状时，无需支撑。
△最大焦点是树脂将红光变成蓝光，从而固化材料的地方。图片来自斯坦福大学
在商业化方面，Vitro3D公司、德国Xolo公司（xolography技术的开发者）是近几年有见报道的致力于将体积打印技术商用的公司。
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5. 熔融沉积成型（FusedDeposition Modeling，FDM）
原理：FDM技术通过加热熔融热塑性材料，逐层沉积成形。通过优化打印路径，减少悬垂部分可以实现一定程度上的无支撑成形。此外，使用专门设计的自支撑几何形状，如斜面、拱形等，也可以打印无需支撑材料的结构。 技术优势： （1) 低成本，适用范围广。 （2) 使用不同颜色和类型的材料，适合多样化应用。
2022年，瑞士温特图尔的应用科学大学开了一款名为RotBot的3D打印机，它是一台经过改进的 Prusa MK3，带有一个 DUET 控制板，它有一个完全可旋转的 45° 倾斜打印头，能够在没有任何支撑的情况下打印悬垂的结构。
在2023年2月，南极熊发现，国外工程师StevenMcCulloch通过优化结构设计和切片软件，提出了弧形悬垂无支撑（Arc Overhangs）的新方法，该方法有望替代传统的支撑结构，从而减少制造过程中的浪费和后期加工。
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6. 浆料挤出打印（DIW）和光固化结合
原理：这是中国江南大学的科学家在开发的一种3D打印无支撑复杂陶瓷结构的新技术。这种陶瓷 3D 打印方法结合了直接墨水书写 (DIW) 和近红外 (NIR) 光诱导上转换粒子辅助光聚合。作为两步工艺的一部分，首先施加压力以挤出陶瓷浆料。然后在浆料从喷嘴流出时，用 980 nm NIR 激光对准浆料，通过光聚合立即固化并原位固化材料，这使得 3D 打印的陶瓷结构可以“在空间中自由拉伸而无需支撑”。
该研究在2023年以题为“3Dprinting of unsupported multi-scale and large-span ceramic via near-infraredassisted direct ink writing”的论文发表在《自然通讯》上，重点介绍了新方法对直径从0.41 毫米到 3.50 毫米的多尺度细丝的原位固化能力。类似的方法也曾见于题为“3D Printing of Short-Carbon-Fiber-Reinforced Thermoset PolymerComposites via Frontal Polymerization”的论文中。但此类方法也仅局限于简单线条路径的无支撑成形，在成形更复杂的几何构型上仍有着很大挑战，并无现实的应用意义。
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7. 粘结剂喷射（BinderJetting）
原理：该技术的无支撑成形原理与基于粉末床成形的技术相似，使用粘结剂将粉末材料逐层粘结成形，未粘结的粉末材料可提供自然支撑。粘结剂喷射技术在大批量打印零件方面有着巨大的优势，尤其针对3C电子、汽车等行业，该技术有望实现对传统注射成形技术的替代。
2022年，来自科罗拉多大学的研究人员提出了一种“液固共印”的打印机理，相关研究内容被发表在《Additive Manufacturing》中，题目为《Liquid-solid co-printing of multi-material 3D fluidic devices via material jetting》。“液固共印”是指在多材料喷射过程中对固化和非固化材料进行共沉积，利用液体作为支撑材料完成构件的无支撑成形。在这一过程中，需要用到凝固材料，如相变油墨，在沉积后不久就会硬化并表现出剪切模量的急剧增加，而非凝固材料在沉积后仍是液体。在多材料喷射3D打印的背景下，研究人员将这两类材料结合起来，利用液体形成支撑，便于去除或者将液相材料嵌入到打印的多材料物体中。这种方法可以直接沉积化学反应物，并解决了材料喷射增材制造中的一个长期挑战：如何在3D打印后清除长的曲折的内部通道。研究人员预计，多材料喷射的液固共印技术能够打印流体逻辑电路、电化学传感器和放大器等3D模型微小且复杂的部件。此外，来自以色列的Xjet公司是这一相关技术领域值得关注的对象，该公司的专利纳米颗粒喷射（NPJ）3D打印技术具有很高的成形精度和表面光洁度。
△液固共印机制示意图
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总结
综上可见，无支撑打印在不同的3D打印技术类型中采用了不同的策略，通过设计优化、材料选择和工艺改进等多个路径，最终都可以实现无需支撑结构的高效打印。无支撑打印技术的突破不仅提高了打印效率和质量，还减少了材料浪费和后处理步骤。尽管目前业内在工业级应用上并未完全实现100%的无支撑打印，但相信随着技术的不断进步，这一难题终将被完全攻克！
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