據(jù)悉，增材制造（AM）工藝需要使用支撐件來印刷具有懸垂特征的零件。這些使用相同或不同材料的附加支撐物是材料的浪費(fèi)，因?yàn)樗鼈冃枰?D打印過程之后移除，并且無法重復(fù)使用。這對于基于噴嘴的材料擠壓工藝，支撐件的印刷也是費(fèi)時(shí)的。目前，來自南加州大學(xué)和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種新型的可重復(fù)使用支架，以解決AM中與支撐相關(guān)的挑戰(zhàn)。

增材制造（AM）技術(shù)使用基于層的制造工藝。印刷材料只能沉積在現(xiàn)有表面的頂部。對于具有懸垂結(jié)構(gòu)的三維（3D）復(fù)雜零件，此限制是有問題的，因?yàn)槿绻麤]有直接在懸垂結(jié)構(gòu)下方的支撐，則無法打印此類懸垂。諸如熔絲制造(fused filament fapication, FFF) 和立體光刻設(shè)備之類的增材制造工藝通過為懸垂物創(chuàng)建額外的支撐結(jié)構(gòu)來解決此問題。3D打印的支持物可以使用相同或不同的材料，例如水溶性材料甚至是冰。但打印完成后，這些支撐物必須手動(dòng)取下，可能導(dǎo)致形狀不正確或表面粗糙。支撐物制成的材料通常無法重復(fù)使用，因此被丟棄，這加劇了3D打印廢料的問題。因此，支撐件的生成對于AM技術(shù)來說是一個(gè)關(guān)鍵問題，因?yàn)?D打印的支撐件會(huì)導(dǎo)致更長的制造時(shí)間、更多的材料浪費(fèi)以及額外的后處理時(shí)間。

減少所需支撐的大多數(shù)現(xiàn)有解決方案都是基于幾何的方法。這些方法可以分為三類。對于給定的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）模型，一種方法是選擇CAD模型的合適方向以減少支撐體積。除了支撐體積之外，這些研究還考慮了其他幾個(gè)方面，例如表面質(zhì)量、制造時(shí)間、零件精度或接觸面積。第二種方法是通過修改CAD模型本身來減少3D打印的支撐。來自威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究人員曾提出一種基于支持量約束的拓?fù)鋬?yōu)化方法。另一種直接的方法是將3D模型分成多個(gè)小塊，以減少所需的支持，并減少可能超過打印托盤大小的大型模型的打印時(shí)間。但是，這兩種方法都需要更改構(gòu)建方向或手動(dòng)組裝多個(gè)小零件，這對于許多應(yīng)用程序可能是成問題的。在該項(xiàng)工作中，我們假設(shè)輸入的CAD模型不會(huì)被修改；同樣，用戶已經(jīng)選擇了模型的構(gòu)建方向，并且不會(huì)更改。

最后一種方法是通過開發(fā)更好的支撐結(jié)構(gòu)并優(yōu)化支撐的布局來減少3D打印的支架。最常見的支撐形狀是垂直的固體壁狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)連接傾斜角度大于閾值（例如，在像MakerBot和Simplify3D之類的商業(yè)軟件系統(tǒng)中使用的45 ）表面小平面的垂直固體壁狀結(jié)構(gòu)。這種類型的支撐以增加打印時(shí)間和材料為代價(jià)來確保可靠性，而不是垂直的墻狀支撐。來自華中科技大學(xué)的研究人員曾提出一種傾斜的壁狀支撐結(jié)構(gòu)，其中垂直壁狀支撐的中間部分的尺寸減小了。同樣，來自英國埃克塞特大學(xué)的研究人員曾采用密度可變的蜂窩狀結(jié)構(gòu)以減少支撐體積。與經(jīng)典的外部支撐物接觸建筑平臺(tái)不同，來自意大利羅馬大學(xué)的Cacace等人提出了一種算法，該算法將所有外部支撐轉(zhuǎn)換為內(nèi)部支撐，并將支撐的兩端連接到零件本身。因此，減少了支撐體積和打印時(shí)間。但是，該方法僅適用于倒角特征。對于懸臂特征，此方法的材料消耗比傳統(tǒng)外部支撐的材料消耗大。

無論支撐結(jié)構(gòu)和布局如何優(yōu)化，3D打印的支撐都是材料的浪費(fèi)，因?yàn)樗鼈儽仨毐灰瞥⑶以诖蛴∵^程之后不能被重復(fù)使用。此外，對于材料擠出過程，印刷速度由于印刷這些支持物所需的額外時(shí)間而大大降低。來自南加州大學(xué)和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL)的研究人員首次創(chuàng)造了一種低成本的可重復(fù)使用的用于3D打印（如FFF工藝）的支撐結(jié)構(gòu)，它由一組柔性針陣列組成，以減少3D打印機(jī)打印這些浪費(fèi)的支撐物的需求，從而大大提高了成本效益和可持續(xù)性。這項(xiàng)研究的主要領(lǐng)導(dǎo)人南加州大學(xué)Yong Chen教授，相關(guān)成果2021年發(fā)表在Additive Manufacturing上。



圖1. 體操運(yùn)動(dòng)員用例。(a). 具有可重復(fù)使用支持的打印結(jié)果。(b). 沒有可重復(fù)使用支持的打印結(jié)果。(c). 移去支撐物后的裝配體。(d). a中第178層的刀具路徑-用白色虛線標(biāo)記（印刷時(shí)間：19 s；擠出長度：5 mm）(e). b中第178層的刀具路徑-用白色虛線標(biāo)記（打印時(shí)間：37 s；擠出長度：11 mm）。



圖2. 具有三層薄板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可重復(fù)使用支撐裝置的示意圖



圖3. 基于可重復(fù)使用支持的FFF打印機(jī)的示意圖



圖4. 使用可重復(fù)使用的支撐物的FFF過程的剖視圖。(a) 金屬銷的原始狀態(tài)；(b) 在建造第一層之后金屬銷的運(yùn)動(dòng)；(c，d) 由于插入的管子而使金屬銷釘從活動(dòng)片上脫離；(e，f) 金屬銷的最終狀態(tài)。

使用融合沉積建模（FDM）工藝的傳統(tǒng)3D打印可直接在靜態(tài)金屬表面上逐層打櫻相反，新的原型使用由可移動(dòng)金屬銷釘制成的可編程，動(dòng)態(tài)控制的表面來代替印刷的支架。隨著打印機(jī)逐步構(gòu)建產(chǎn)品，銷釘會(huì)上升。陳教授表示，通過對新原型的表明，它可以節(jié)省大約35％的用于打印物體的材料。

陳教授與生物醫(yī)學(xué)醫(yī)生一起工作時(shí)，他們使用生物材料進(jìn)行3D打印以構(gòu)建組織或器官的。他們使用的許多材料非常昂貴，每個(gè)小瓶子的價(jià)格在500美元到1000美元之間。對于標(biāo)準(zhǔn)FDM打印機(jī)，材料成本約為每公斤50美元，但對于生物打印，則更是約為每克50美元。因此，如果我們可以節(jié)省用于印刷這些支撐件的材料的30％，那將是一筆巨大的成本節(jié)省用于生物醫(yī)學(xué)目的的3D打櫻

此外，除了材料浪費(fèi)對環(huán)境和成本的影響外，使用支撐物的傳統(tǒng)3D打印工藝也很耗時(shí)。當(dāng)進(jìn)行3D打印復(fù)雜形狀時(shí)，一半的時(shí)間用于構(gòu)建所需的零件，另一半的時(shí)間用于構(gòu)建支撐。因此，對于研究人員開發(fā)的該系統(tǒng)，不需要重復(fù)構(gòu)建支撐件，在打印時(shí)間方面，節(jié)省了大約40％時(shí)間。

過去開發(fā)的類似原型依賴于單個(gè)電動(dòng)機(jī)來提升每個(gè)機(jī)械支架，從而導(dǎo)致能源密集型產(chǎn)品的購買成本也高得多，因此對于3D打印機(jī)而言并不劃算。

研究團(tuán)隊(duì)的新原型機(jī)是通過移動(dòng)平臺(tái)的單個(gè)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行其每個(gè)單獨(dú)的支撐架來工作的。該平臺(tái)可同時(shí)舉起多組金屬銷，從而使其成為具有成本效益的解決方案。根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，該程序的軟件會(huì)告訴用戶他們需要在平臺(tái)的基礎(chǔ)上添加一系列金屬管的位置。然后，這些管的位置將確定哪些銷將升高到定義的高度，以最好地支撐3D打印產(chǎn)品，同時(shí)還從打印支撐件中產(chǎn)生最少的浪費(fèi)。在該過程結(jié)束時(shí)，可以輕松卸下銷，而不會(huì)損壞產(chǎn)品。



▲圖5. 原始布局和優(yōu)化布局之間的3D打印支持比較。紅色部分代表3D打印的支持。每個(gè)金屬銷都有一定的XY尺寸和可達(dá)到的Z高度，并且不能與給定的CAD模型相交。(a) 布局優(yōu)化之前的模型。(b) 布局優(yōu)化后的相同模型。(c) 布局優(yōu)化之前的橋梁模型。(d) 布局優(yōu)化后的橋梁模型。



▲圖6. 具有可重復(fù)使用支持的原型系統(tǒng)。(a) 可重復(fù)使用載體的第二層和第三層片材。(b) 具有可重復(fù)使用支持的經(jīng)過修訂的FFF 3D打印機(jī)。(c) 建筑平臺(tái)由11 x 9的金屬銷釘定義。



▲圖7. 打印用例的結(jié)果。具有可重復(fù)使用支持的四懸模型的打印結(jié)果；清理后的3D打印零件；(c)具有可重復(fù)使用支持的橋梁模型的打印結(jié)果；(d)清理后的印刷橋；(e)具有可重復(fù)使用支持的茶壺模型的打印結(jié)果；(f)沒有可重復(fù)使用的支持的茶壺的印刷結(jié)果；(g)清理后的印花茶壺；(h)帶有可重復(fù)使用支架的頭盔模型的印刷結(jié)果；(I)沒有可重復(fù)使用的支持的頭盔的印刷結(jié)果；和(j)比較(h)和(I)中的支持材料。

陳教授表示，該系統(tǒng)還可以輕松地應(yīng)用于大規(guī)模制造，例如汽車，航空航天和游艇行業(yè)。人們已經(jīng)在為大型汽車和船體以及諸如家具之類的消費(fèi)產(chǎn)品制造FDM打印機(jī)。可以想象，本來這些產(chǎn)品的制造時(shí)間是一整天。如果使用該方法可以節(jié)省一半，那么制造時(shí)間可以減少到半天。使用該方法可以為這種類型的3D打印帶來很多好處。

該團(tuán)隊(duì)最近還申請了這項(xiàng)新技術(shù)的專利。該研究是由曾任南加州大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信科學(xué)學(xué)院的訪問博士生的Ziqi Wang和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的SiyuGong共同撰寫的。