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3D打印機(jī)的神奇之處在于，能夠?qū)?fù)雜的設(shè)計(jì)通過(guò)層層疊加的方式打印出立體實(shí)物來(lái)，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(fù)雜模型要想成型是離不開(kāi)支撐的。因?yàn)閺牧W(xué)角度分析，立體物之所以能夠存在，很多部分是需要支撐點(diǎn)的。

當(dāng)你擁有一臺(tái)3D打印機(jī)的時(shí)候就會(huì)明白，去除支撐是多么地令人沮喪和費(fèi)時(shí)費(fèi)力。作為一名有3D打印機(jī)操作經(jīng)驗(yàn)的人，我有一個(gè)不好的習(xí)慣，那就是只喜歡3D打印不需要支撐結(jié)構(gòu)的3D對(duì)象，說(shuō)實(shí)話，很討厭每次打印完了還得費(fèi)勁去收拾清理。當(dāng)然不是每個(gè)人都像我一樣，有些人就很享受花幾個(gè)小時(shí)用刀、砂紙或者其他工具去掉支撐材料。不過(guò)，在去除支撐的時(shí)候，由于力度把握不好，很容易傷到打印對(duì)象，以至于其他很多人都像我一樣，很怕聽(tīng)到“支撐”這樣的字眼。

如此難去除的支撐結(jié)構(gòu)，讓我如何是好？

玩過(guò)3D打印機(jī)的朋友們都有一個(gè)困惑，當(dāng)復(fù)雜的模型被打印出來(lái)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(guò)大吧，會(huì)把模型弄壞，比如一個(gè)相對(duì)比較復(fù)雜的模型，費(fèi)了九牛二虎之力都打印出來(lái)了，到頭來(lái)卻毀在最后一關(guān)：去支撐！難道不覺(jué)得可惜嗎？那么，有沒(méi)有一種非常輕松省事的辦法，從此擺脫支撐的困擾呢？

不知道大家有沒(méi)有想過(guò)一個(gè)問(wèn)題：被打印物體的模型為什么要加上支撐結(jié)構(gòu)呢？這里還得從物理學(xué)上來(lái)解釋。由于地球具有很強(qiáng)的引力，任何置于地球的物體都無(wú)法擺脫重力的束縛，而單一的物體，如果重力過(guò)大，而支撐面又太小，就無(wú)法保持自身的平衡，這個(gè)時(shí)候就需要增加支撐點(diǎn)來(lái)抵消重力。

地球上的物體受力原理

比如，一個(gè)重量較大的物體，與地面的接觸面積過(guò)小時(shí)，往往是立不住的，容易倒下，這也是我們?cè)谝欢挛χ略黾右桓拥脑蛩凇Ｔ俦热绻糯慕ㄖ窕蕦m，由于本身的建筑主體過(guò)大，受到重力的影響，如果沒(méi)有支柱，真不知道它的穩(wěn)固性怎么樣？所以，在打印模型中添加支撐結(jié)構(gòu)，跟這個(gè)是一樣的道理。

古代建筑需要頂梁柱來(lái)支撐龐大的建筑主體

位于布拉格的宮殿布滿了石柱

層層疊加成型的技術(shù)（3D打印技術(shù)）原理要求模型的上層結(jié)構(gòu)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(shí)候就需要設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)。

●3D打印模型支撐結(jié)構(gòu)該如何選擇？

為3D模型添加支撐結(jié)構(gòu)有兩種方式：一種是在三維制圖軟件中手動(dòng)添加，還有一種是導(dǎo)入3D打印機(jī)操作軟件中自動(dòng)生成。

有些模型的支撐可通過(guò)3D軟件自動(dòng)添加

手動(dòng)添加支撐容易受到人為因素的影響，所以模型打印質(zhì)量沒(méi)保證

手動(dòng)添加支撐比較麻煩，而且還存在一些缺點(diǎn)：由于受人為因素的影響，支撐添加的質(zhì)量取決于設(shè)備操作人員的經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心，所以支撐添加的質(zhì)量難以保證，而且手動(dòng)添加支撐也不太靈活，一些參數(shù)需要改變。因此，手工添加支撐的方法應(yīng)用很少。

STL格式的文件

支撐的自動(dòng)生成技術(shù)有三種：基于STL格式文件的支撐自動(dòng)生成技術(shù)，基于層片信息的支撐自動(dòng)生成技術(shù)，基于掃描線的支撐自動(dòng)生成技術(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是，添加支撐前的模型狀態(tài)有STL、Gcode、掃描文件等三種，相較于手動(dòng)添加支撐，自動(dòng)添加支撐要簡(jiǎn)單多了。但有些時(shí)候我們卻不知道什么時(shí)候該用什么樣的支撐類型，因此也浪費(fèi)了很多寶貴的時(shí)間。一個(gè)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(wú)支撐困擾？

●看真空狀態(tài)下如何進(jìn)行3D打印？

有3D打印機(jī)實(shí)際操控經(jīng)驗(yàn)的人都知道，對(duì)于復(fù)雜模型來(lái)說(shuō)，打印之前我們會(huì)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(gè)不加支撐結(jié)構(gòu)的物體，打印出來(lái)質(zhì)量就差遠(yuǎn)了。而空間懸浮3D打印技術(shù)的出現(xiàn)完全顛覆了原有的打印操作，將來(lái)的某一天，我們?cè)谟?D打印機(jī)制造復(fù)雜幾何形態(tài)的時(shí)候，可能再也不需要支撐材料的幫助了。試想一下，一個(gè)物體，懸浮在空中，無(wú)論你用FDM技術(shù)、SLA技術(shù)還是SLS技術(shù)，它都能穩(wěn)定地保持著自己在制造過(guò)程中的結(jié)構(gòu)。

真空狀態(tài)下，打印材料會(huì)漂浮在打印平臺(tái)上，通過(guò)空間懸浮3D打印技術(shù)將其融化，然后噴嘴、激光束或者UV光線在打印每一層的時(shí)候，物體會(huì)跟著同步進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和位移，最后打印出新的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)單理解就是，之前打印是通過(guò)移動(dòng)打印頭的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)物體的打印，懸浮3D打印技術(shù)將改變這種狀態(tài)，改成噴頭不動(dòng)，讓模型自己動(dòng)起來(lái)。

打印的模型通過(guò)反重力裝置懸浮，在打印之初就需要設(shè)置好模型的參數(shù)，包括模型的大小、表面特征、打印角度、打印速度、層厚等，當(dāng)完成模型的打印之后，你就可以把模型從失重狀態(tài)下的打印艙中取出來(lái)。這聽(tīng)起來(lái)似乎有點(diǎn)不現(xiàn)實(shí)。不過(guò)，我們可以大膽想象一下，讓一切變得可能才是所有創(chuàng)新發(fā)明存在的意義所在！如今，全球最新的三項(xiàng)打印技術(shù)，正在指引我們無(wú)限接近上文中描述的想象。

●反重力3D打印技術(shù)無(wú)需任何支撐

現(xiàn)在的3D打印技術(shù)受到重力的限制，只能在水平操控平臺(tái)上完成打印，來(lái)自西班牙加泰羅尼亞高等建筑學(xué)院（IAAC）和荷蘭阿姆斯特丹Joris Laarman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(shù)，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(jié)構(gòu)。

“MATAERIAL”反重力3D打印技術(shù)

由圖可見(jiàn)，這個(gè)機(jī)械臂不像3D打印器械，反倒像建筑工地上面的打樁機(jī)，仔細(xì)觀察其打印軌跡便可發(fā)現(xiàn)，打印物不是立在某一水平面上，而是懸浮在空中！通過(guò)中和重力的影響，該團(tuán)隊(duì)突破了現(xiàn)有的3D打印物理極限，實(shí)現(xiàn)了任何角度任何方向上的打印。盡管打印也需要一個(gè)支點(diǎn)，但是，跟現(xiàn)有的技術(shù)相比，已經(jīng)是很大的進(jìn)步了。

“MATAERIAL”技術(shù)用三維曲線代替二維打印層

“MATAERIAL”是一種全新的加層制造技術(shù)。此前的夾層制造技術(shù)受到重力和打印環(huán)境的影響，無(wú)法在不規(guī)則和非水平的表面完成打印。而這種技術(shù)通過(guò)新型擠壓技術(shù)，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(jié)構(gòu)的應(yīng)力線，讓3D打印更加靈活。

MATAERIAL技術(shù)的出現(xiàn)，使得無(wú)需支撐材料即可實(shí)現(xiàn)3D打印

MATAERIAL技術(shù)的出現(xiàn)，使得無(wú)需支撐材料即可實(shí)現(xiàn)3D打印，通過(guò)新型擠壓技術(shù)，打印出來(lái)的曲線不受重力影響，從而可以打印出懸空的結(jié)構(gòu)。由于擺脫了重力限制，這種工藝可以在任意表面進(jìn)行3D打印，用3D曲線代替2D打印層，可以更好地控制制造過(guò)程。這種技術(shù)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。

無(wú)錨選擇性激光燒結(jié)的去支撐化

如果把3D打印平臺(tái)比成一片海洋，那么，3D打印里的支撐就像一個(gè)“錨”，船舶只有通過(guò)拋錨才能實(shí)現(xiàn)位置的固定，打印也一樣，只有具備穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)，打印出來(lái)的模型質(zhì)量才夠高。

激光燒結(jié)過(guò)程

位于英格蘭第四大城市謝菲爾德市的謝菲爾德大學(xué)增材制造研究中心（ADAM）的Neil教授和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新的激光燒結(jié)技術(shù)，通過(guò)把低溫熔體金屬粉末燒結(jié)成3D打印模型，進(jìn)而擺脫支撐對(duì)3D打印結(jié)構(gòu)的束縛，這種技術(shù)被稱為“無(wú)錨的選擇性激光燒結(jié)技術(shù)”。

無(wú)錨的選擇性激光燒結(jié)技術(shù)基于冶金學(xué)中的“低共熔合金”技術(shù)，這種合金會(huì)在一個(gè)較低的溫度（低共熔點(diǎn)）急劇凝固，舉個(gè)例子，鋁的熔點(diǎn)是660攝氏度，硅的熔點(diǎn)是1414攝氏度，但是，硅鋁合金的低共熔點(diǎn)只有577攝氏度。如果它們能夠進(jìn)一步加快這一硬化過(guò)程，再?gòu)?fù)雜的幾何形態(tài)，在應(yīng)力點(diǎn)上都可以免去支撐結(jié)構(gòu)。

“低共熔合金”技術(shù)簡(jiǎn)圖

上圖顯示了“低共熔合金”技術(shù)的簡(jiǎn)略過(guò)程：先加熱粉床，混合兩種粉末；激光將兩種粉末燒結(jié)成新的共熔合金；最后把粉床溫度控制在低共熔點(diǎn)溫度上，保持模型溫度均勻冷卻。

模型需要依靠支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)件是3D打印過(guò)程中一個(gè)很大的障礙，支撐就好比是一個(gè)“錨”，模型的打印需要圍繞這個(gè)錨點(diǎn)來(lái)進(jìn)行構(gòu)建，只有這樣，機(jī)器才能打印出懸伸出去的部分，無(wú)錨選擇性激光燒結(jié)技術(shù)改變的就是傳統(tǒng)的打印方式，打印過(guò)程中，為了轉(zhuǎn)移或者減小某一結(jié)構(gòu)上過(guò)大的壓力，通常需要增加一個(gè)錨點(diǎn)（即支撐點(diǎn)），無(wú)錨選擇性激光燒結(jié)技術(shù)正好在低溫狀態(tài)下急速固化模型以減輕壓力。

●分布式凝膠打印技術(shù)的懸空打印

以色列公司MASSIVit 3D針對(duì)大型物件，研發(fā)了一種獨(dú)特的3D打印技術(shù)，尤其適合需要很多支撐的懸挑和多角的結(jié)構(gòu)。

分布式凝膠打印技術(shù)所用的打印機(jī)需要一個(gè)可移動(dòng)的起重機(jī)來(lái)輔助紫外光源照射光敏材料，一旦紫外線照射到某個(gè)區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的光敏性凝膠就會(huì)快速固化成堅(jiān)硬的聚合物，結(jié)合MASSIVit 3D公司專有的軟件和特殊光敏性凝膠，分布式凝膠打印技術(shù)可以在沒(méi)有支撐的環(huán)境下輕易打印模型的直立墻壁和天花板。

如果把FDM機(jī)器的噴頭想象成一個(gè)UV燈，這個(gè)燈沿著打印路徑飛快移動(dòng)，固化路徑上的凝膠。分布式凝膠打印技術(shù)融合了FDM和SLA技術(shù)的雙重優(yōu)點(diǎn)，它使用類似于FDM的工作方式，以SLA的工作原理進(jìn)行打印。

SLA成型技術(shù)原理

說(shuō)到這里，需要補(bǔ)充一點(diǎn)。SLA是“Stereo lithography Appearance”的縮寫(xiě)形式，即立體光固化成型法。其工作原理是使特定波長(zhǎng)與強(qiáng)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(shù)脂液體形態(tài)。以此往復(fù)，直至最終成品出現(xiàn)。作為高新的SLA成型技術(shù)有著FDM成型技術(shù)無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，其打印出的物體相對(duì)于FDM技術(shù)質(zhì)量較高、物體表面較為光滑。

FDM的工作方式：立體模型的打印

FDM是“Fused Deposition Modeling”的簡(jiǎn)寫(xiě)形式，即為熔融沉積成型。通常2D打印是在一張紙上（一個(gè)平面上）完成打印（左圖），而3D打印是完成一個(gè)立體模型的打印。FDM，通俗來(lái)講就是利用高溫將材料融化成液態(tài)，通過(guò)打印頭擠出后固化，最后在立體空間上排列形成立體實(shí)物。

總結(jié)：

3D打印技術(shù)本身就是一項(xiàng)非常節(jié)省成本的工藝技術(shù)，如果能實(shí)現(xiàn)3D打印的無(wú)支撐化，將實(shí)現(xiàn)制造業(yè)真正的“零損耗”，因此，為企業(yè)節(jié)省巨大的能源、材料和時(shí)間成本是這一技術(shù)最大的價(jià)值。

3D打印也是一項(xiàng)非常酷炫的技術(shù)，而去除支撐的過(guò)程總讓人相當(dāng)郁悶，如果這種無(wú)支撐3D打印技術(shù)得以應(yīng)用，那將意味著消費(fèi)者從此以后再也不需要在模型的后期處理上花大量時(shí)間和精力，所以，我們對(duì)這種技術(shù)的實(shí)現(xiàn)還是非常期待的。