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13D打印無支撐科技進步or無稽之談【中關村在線辦公打印頻道原創】3D打印機的神奇之處在于，能夠將復雜的設計通過層層疊加的方式打印出立體實物來，然而很多人卻不知道，并不是所有物體都可以打印成功，一些復雜模型要想成型是離不開支撐的。因為從力學角度分析，立體物之所以能夠存在，很多部分是需要支撐點的。3D打印再無支撐科技進步還是無稽之談當你擁有一臺3D打印機的時候就會明白，去除支撐是多么地令人沮喪和費時費力。作為一名有3D打印機操作經驗的人，我有一個不好的習慣，那就是只喜歡3D打印不需要支撐結構的3D對象，說實話，很討厭每次打印完了還得費勁去收拾清理。當然不是每個人都像我一樣，有些人就很享受花幾個小時用刀、砂紙或者其他工具去掉支撐材料。不過，在去除支撐的時候，由于力度把握不好，很容易傷到打印對象，以至于其他很多人都像我一樣，很怕聽到“支撐”這樣的字眼。如此難去除的支撐結構，讓我如何是好？玩過3D打印機的朋友們都有一個困惑，當復雜的模型被打印出來以后，如何掰掉支撐的確是一件讓人頭疼的事，用力太小吧，怎么也掰不掉，用力過大吧，會把模型弄壞，比如一個相對比較復雜的模型，費了九牛二虎之力都打印出來了，到頭來卻毀在最后一關：去支撐！難道不覺得可惜嗎？那么，有沒有一種非常輕松省事的辦法，從此擺脫支撐的困擾呢？2解析：3D打印為什麼需要支撐結構●解析：3D打印為什麼需要支撐結構不知道大家有沒有想過一個問題：被打印物體的模型為什麼要加上支撐結構呢？這里還得從物理學上來解釋。由于地球具有很強的引力，任何置于地球的物體都無法擺脫重力的束縛，而單一的物體，如果重力過大，而支撐面又太小，就無法保持自身的平衡，這個時候就需要增加支撐點來抵消重力。地球上的物體受力原理（圖源：baidu）比如，一個重量較大的物體，與地面的接觸面積過小時，往往是立不住的，容易倒下，這也是我們在一堵危墻之下增加一根柱子的原因所在。再比如古代的建筑，像皇宮，由于本身的建筑主體過大，受到重力的影響，如果沒有支柱，真不知道它的穩固性怎么樣？所以，在打印模型中添加支撐結構，跟這個是一樣的道理。古代建筑需要頂梁柱來支撐龐大的建筑主體（圖源：fengniao.com）位于布拉格的宮殿布滿了石柱（圖源：blog.163.com）層層疊加成型的技術（3D打印技術）原理要求模型的上層結構要有下層部分的支撐，所以，被打印模型的某些部位如果是懸空的，打印的時候就需要設計支撐結構。33D打印模型支撐結構該如何選擇？●3D打印模型支撐結構該如何選擇？為3D模型添加支撐結構有兩種方式：一種是在三維制圖軟件中手動添加，還有一種是導入3D打印機操作軟件中自動生成。有些模型的支撐可通過3D打印軟件自動添加手動添加支撐容易受到人為因素的影響，所以模型打印質量沒保證手動添加支撐比較麻煩，而且還存在一些缺點：由于受人為因素的影響，支撐添加的質量取決于設備操作人員的經驗和責任心，所以支撐添加的質量難以保證，而且手動添加支撐也不太靈活，一些參數需要改變。因此，手工添加支撐的方法應用很少。STL格式的文件支撐的自動生成技術有三種：基于STL格式文件的支撐自動生成技術，基于層片信息的支撐自動生成技術，基于掃描線的支撐自動生成技術。簡單來說就是，添加支撐前的模型狀態有STL、Gcode、掃描文件等三種，相較于手動添加支撐，自動添加支撐要簡單多了。但有些時候我們卻不知道什麼時候該用什麼樣的支撐類型，因此也浪費了很多寶貴的時間。一個模型的支撐居然引起了這么多麻煩事，那么，我們是否可以大膽想象一下：能不能讓3D打印從此再無支撐困擾？4波音公司研發空間懸浮3D打印技術●波音公司研發空間懸浮3D打印技術隨著全球對3D打印技術研究的不斷深入，各種相關技術也在不斷涌現，近日，航空巨頭波音公司研發了一項新的3D打印技術：空間懸浮3D打印技術。該技術最大的亮點在于，被打印物體會處于懸浮狀態，并且能夠360度自由旋轉。這樣，即便周圍有很多臺3D打印機，也不用怕任意堆疊材料了。有了這種技術，就完全破處了對某些形狀的3D打印限制，可實現一些復雜零部件的整體3D打印。波音公司研發的空間懸浮3D打印技術這項專利由波音在2014年7月29日提出，剛剛于不久前的2016年2月4日由美國專利商標局公布，它涉及到了許多新技術，比如反磁性材料、磁力控制等，雖然目前只是一個概念，但是一旦這個概念獲得成功，將對3D打印行業產生革命性的影響。3D打印材料是可以旋轉的，3D打印機甚至可以將材料添加到對象表面的底部看到這里，您的第一反應可能就是，這種“懸浮”技術非常適在太空使用。我們都知道，作為地球上的任何東西，都無法擺脫重力的束縛，所以在打印物體時，就需要一個打印床作為支撐，以自上而下的方式打印物體，而波音公司的這項技術將徹底擺脫這種限制，有了這項技術，被打印物體的每個部分都是懸浮的。這就意味著，今后的3D打印物體可能再也不需要支撐結構了。磁懸浮需要“超級冷卻物體，然后將其置于磁場中，用磁力來控制。”那么，這項技術中最關鍵的部分——懸浮是怎么實現的呢？波音公司給出的說法是：聲懸浮、磁懸浮、量子懸浮，以及靜電懸浮。其中的磁懸浮需要“超級冷卻物體，然后將其置于磁場中，用磁力來控制。”整套系統將大量采用自動化控制，能感知到物體的空間位置，然后基于此對其進行操控和穩定。空間懸浮3D打印技術原理簡圖顯而易見，這種技術與我們之前見到的3D打印技術都不同，它利用多個打印機同時擠出具有抗磁性的材料，而且這種材料在進行超級冷卻以后會變成超導體。實際上，由于3D打印對象被磁場支持著，打印機可以將材料沉積在對象的任何一邊，傳統的3D打印機只能進行自上而下的打印，空間懸浮3D打印技術完全可以不受這種順序的束縛。5看真空狀態下如何進行3D打印？●看真空狀態下如何進行3D打印？有3D打印機實際操控經驗的人都知道，對于復雜模型來說，打印之前我們會利用軟件在模型上加上各種支撐，目的是為了讓打印出的物體更加完美。顯然，一個不加支撐結構的物體，打印出來質量就差遠了。而空間懸浮3D打印技術的出現完全顛覆了原有的打印操作，將來的某一天，我們在用3D打印機制造復雜幾何形態的時候，可能再也不需要支撐材料的幫助了。試想一下，一個物體，懸浮在空中，無論你用FDM技術、SLA技術還是SLS技術，它都能穩定地保持著自己在制造過程中的結構。真空狀態下，打印材料會漂浮在打印平臺上，通過空間懸浮3D打印技術將其融化，然后噴嘴、激光束或者UV光線在打印每一層的時候，物體會跟著同步進行旋轉和位移，最后打印出新的復雜結構。簡單理解就是，之前打印是通過移動打印頭的方式來實現物體的打印，懸浮3D打印技術將改變這種狀態，改成噴頭不動，讓模型自己動起來。打印的模型通過反重力裝置懸浮，在打印之初就需要設置好模型的參數，包括模型的大小、表面特征、打印角度、打印速度、層厚等，當完成模型的打印之后，你就可以把模型從失重狀態下的打印艙中取出來。這聽起來似乎有點不現實。不過，我們可以大膽想象一下，讓一切變得可能才是所有創新發明存在的意義所在！如今，全球最新的三項打印技術，正在指引我們無限接近上文中描述的想象。6反重力3D打印技術無需任何支撐●反重力3D打印技術無需任何支撐現在的3D打印技術受到重力的限制，只能在水平操控平臺上完成打印，來自西班牙加泰羅尼亞高等建筑學院（IAAC）和荷蘭阿姆斯特丹JorisLaarman工作室的一群科研人員研制出一種名為“MATAERIAL”的反重力3D打印技術，在不借助任何支撐材料的情況下，可以在任意表面打印3D結構。“MATAERIAL”反重力3D打印技術（圖源：zhihu.com）由圖可見，這個機械臂不像3D打印器械，反倒像建筑工地上面的打樁機，仔細觀察其打印軌跡便可發現，打印物不是立在某一水平面上，而是懸浮在空中！通過中和重力的影響，該團隊突破了現有的3D打印物理極限，實現了任何角度任何方向上的打印。盡管打印也需要一個支點，但是，跟現有的技術相比，已經是很大的進步了。“MATAERIAL”技術用三維曲線代替二維打印層（圖源：zhihu.com）“MATAERIAL”是一種全新的加層制造技術。此前的夾層制造技術受到重力和打印環境的影響，無法在不規則和非水平的表面完成打印。而這種技術通過新型擠壓技術，用三維曲線代替二維打印層，三維曲線可以很好地符合打印結構的應力線，讓3D打印更加靈活。MATAERIAL技術的出現，使得無需支撐材料即可實現3D打印（圖源：zhihu.com）MATAERIAL技術的出現，使得無需支撐材料即可實現3D打印，通過新型擠壓技術，打印出來的曲線不受重力影響，從而可以打印出懸空的結構。由于擺脫了重力限制，這種工藝可以在任意表面進行3D打印，用3D曲線代替2D打印層，可以更好地控制制造過程。這種技術可讓用戶在打印材料中注入彩色燃料，并控制顏色的打印路徑。7無錨選擇性激光燒結的去支撐化●無錨選擇性激光燒結的去支撐化如果把3D打印平臺比成一片海洋，那么，3D打印里的支撐就像一個“錨”，船舶只有通過拋錨才能實現位置的固定，打印也一樣，只有具備穩定的支撐結構，打印出來的模型質量才夠高。激光燒結過程（圖源：extremetech）位于英格蘭第四大城市謝菲爾德市的謝菲爾德大學增材制造研究中心（ADAM）的Neil教授和他的團隊已經開發出一種新的激光燒結技術，通過把低溫熔體金屬粉末燒結成3D打印模型，進而擺脫支撐對3D打印結構的束縛，這種技術被稱為“無錨的選擇性激光燒結技術”。無錨的選擇性激光燒結技術基于冶金學中的“低共熔合金”技術，這種合金會在一個較低的溫度（低共熔點）急劇凝固，舉個例子，鋁的熔點是660攝氏度，硅的熔點是1414攝氏度，但是，硅鋁合金的低共熔點只有577攝氏度。如果它們能夠進一步加快這一硬化過程，再復雜的幾何形態，在應力點上都可以免去支撐結構。“低共熔合金”技術簡圖上圖顯示了“低共熔合金”技術的簡略過程：先加熱粉床，混合兩種粉末；激光將兩種粉末燒結成新的共熔合金；最后把粉床溫度控制在低共熔點溫度上，保持模型溫度均勻冷卻。模型需要依靠支撐結構進行構件是3D打印過程中一個很大的障礙，支撐就好比是一個“錨”，模型的打印需要圍繞這個錨點來進行構建，只有這樣，機器才能打印出懸伸出去的部分，無錨選擇性激光燒結技術改變的就是傳統的打印方式，打印過程中，為了轉移或者減小某一結構上過大的壓力，通常需要增加一個錨點（即支撐點），無錨選擇性激光燒結技術正好在低溫狀態下急速固化模型以減輕壓力。8分布式凝膠打印技術的懸空打印●分布式凝膠打印技術的懸空打印以色列公司MASSIVit3D針對大型物件，研發了一種獨特的3D打印技術，尤其適合需要很多支撐的懸挑和多角的結構。分布式凝膠打印技術所用的打印機需要一個可移動的起重機來輔助紫外光源照射光敏材料，一旦紫外線照射到某個區域，該區域內的光敏性凝膠就會快速固化成堅硬的聚合物，結合MASSIVit3D公司專有的軟件和特殊光敏性凝膠，分布式凝膠打印技術可以在沒有支撐的環境下輕易打印模型的直立墻壁和天花板。如果把FDM機器的噴頭想象成一個UV燈，這個燈沿著打印路徑飛快移動，固化路徑上的凝膠。分布式凝膠打印技術融合了FDM和SLA技術的雙重優點，它使用類似于FDM的工作方式，以SLA的工作原理進行打印。SLA成型技術原理說到這里，需要補充一點。SLA是“StereolithographyAppearance”的縮寫形式，即立體光固化成型法。其工作原理是使特定波長與強度的激光聚焦到光固化材料表面，被聚焦的地方形成固體未被聚焦的地方依舊是光敏樹脂液體形態。以此往復，直至最終成品出現。作為高新的SLA成型技術有著FDM成型技術無可比擬的優勢，其打印出的物體相對于FDM技術質量較高、物體表面較為光滑。FDM的工作方式：立體模型的打印（如右圖）FDM是“FusedDepositionModeling”的簡寫形式，即為熔融沉積成型。通常2D打印是在一張紙上（一個平面上）完成打印（左圖），而3D打印是完成一個立體模型的打印（右圖）。FDM，通俗來講就是利用高溫將材料融化成液態，通過打印頭擠出后固化，最后在立體空間上排列形成立體實物。總結：3D打印技術本身就是一項非常節省成本的工藝技術，如果能實現3D打印的無支撐化，將實現制造業真正的“零損耗”，因此，為企業節省巨大的能源、材料和時間成本是這一技術最大的價值。3D打印也是一項非常酷炫的技術，而去除支撐的過程總讓人相當郁悶，如果這種無支撐3D打印技術得以應用，那將意味著消費者從此以后再也不需要在模型的后期處理上花大量時間和精力，所以，我們對這種技術的實現還是非常期待的。返回分頁閱讀本文導航第1頁：3D打印無支撐科技進步or無稽之談第2頁：解析：3D打印為什麼需要支撐結構第3頁：3D打印模型支撐結構該如何選擇？第4頁：波音公司研發空間懸浮3D打印技術第5頁：看真空狀態下如何進行3D打印？第6頁：反重力3D打印技術無需任何支撐第7頁：無錨選擇性激光燒結的去支撐化第8頁：分布式凝膠打印技術的懸空打印

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