卢帅 晁艳普

摘  要：熔融沉积成型3D打印在成型具有大跨度结构、外伸结构等悬空特征的模型时有添加辅助支撑结构的必要性。文章针对FDM成型技术中支撑结构进行了研究，提出了熔融沉积成型3D打印支撑结构与实体模型易于剥离的方法，科研实践表明该方法对支撑结构的可去除性有较好的改善效果。

关键词：FDM;3D打印;支撑结构;易于剥离

中图分类号：TH-3         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）09-0122-02

Abstract： FDM 3D printing is necessary to add auxiliary support structure when forming a model with large span structure and overhanging structure. Based on FDM molding technology of the supporting structure are studied， put forward the fused deposition molding 3 d printing support structure and entity model easy to stripping method， scientific research and practice show that this method can remove sex of support structure has good improvement effect.

Keywords： Fused Deposition Modeling; 3D Printing; support structure; easy stripping

引言

熔融沉积式（FDM）3D打印原理是打印机接收到由切片软件处理的3D数据，将材料熔化沉积，是一种分层制造、逐层累积的过程。熔融沉积成型工艺要求在对数字模型进行堆积成形的同时就设置好支撑，支撑结构对提高具有悬空特征结构的模型表面质量具有重要作用，其不足之处是成型后与实体难以剥离。因此，在FDM快速成型工艺过程当中，对支撑结构的研究有非常重要的作用。

1 熔融沉积成型3D打印添加支撑结构的必要性

熔融沉积式3D打印机是三自由度结构，X轴和Y轴所构成的平面是模型切片分层轮廓截面以及模型内部填充路径所在平面，每成型一层，底座平台相对于喷头结构沿Z轴放向下降一定片层高度。由于成型耗材受重力影响，每成型一层就必须在上一层打印布局的基础上给予支撑。对于结构复杂的零部件模型，其在成型过程中，片层截面轮廓变化明显，如果上一层不能为下一层提供支撐定位，会严重影响模型的成型质量甚至无法成型。因此，支撑结构对实体模型的形状精度、尺寸精度、表面质量及其后处理具有十分重要的作用，支撑结构是模型成型的关键。

2 熔融沉积成型支撑结构类型及生成方法

2.1 支撑结构类型

FDM支撑结构成型类型可分为以下几类：（1）基础支撑。基础支撑是为模型成型过程中提供基本支撑并调节工作平面的局部平整度，便于模型成型后从工作台上剥离下来，从而使模型底部的表面质量更好。基础支撑结构的形状和大小以模型最大包围面向Z轴方向的投影再作适量扩展。对于某些特殊结构的模型部件，可根据工作平台不能与模型成型底面相接触的原则设计，尽量减少添加不必要的支撑部分。（2）整体支撑。整体支撑是通过完全包围的方式成型整个模型，不用考虑模型本身的复杂程度，而且成型过程相对简单。整体支撑能保证模型的成型质量，但对后处理带来很大的麻烦，同时也造成支撑材料的大量浪费和成型时间的增多。（3）局部支撑。局部支撑根据模型的结构，在需要添加支撑的表面添加支撑，是整体支撑基础上的一种改进。另外，在成型过程当中，成型材料在熔融状态下拥有一定的粘性，熔融材料本身拥有一定的自支撑能力，在支撑临界角范围内也不需要添加支撑结构。

2.2 熔融沉积成型支撑结构的生成方法

（1）手动添加支撑。通过CAD软件获得零部件的数字模型，对数字模型进行转换实现格式共享，再对模型进行切片分层和堆积成型，通过设定模型最优的成型方向，确保最少支撑结构的添加。通过分层处理获得每个层片的二维轮廓和结构，同时生成每个层片的数控加工指令，通过逐层加工，三维实体零部件加工完成之后，最后再把支撑材料通过设备或工具进行剥离。（2）自动生成方式。该方式是通过算法自动添加支撑，生成支撑比较全面，对算法的要求比较高。总体来讲，关于生成算法可分为以下三类：a.扫描线支撑结构自动生成算法。这种算法首先需要对数字模型进行切片分层处理，对切片分层二维结构进行扫描，得出每层的扫描直线段，然后通过线段的和、差、并、补运算自上向下生成支撑结构的扫描线。b.切片支撑结构自动生成算法。该算法首先对数字模型进行切片分层，并以此为基础进行支撑结构的主动添加，添加的切片结构分为实体切片结构和支撑切片结构。这种支撑算法需要对层片结构进行偏置和布尔运算，提高了算法的复杂程度。c.STL模型支撑结构自动生成算法。该算法是对模型所有三角面片的法向矢量进行判断，并对所有面片进行分类，即需要添加支撑的三角面片和不需添加支撑的三角面片。把需要添加支撑的三角面片及其相邻面片合并成若干待支撑区域，在待支撑区域上自动生成合适的支撑结构，然后将总体进行分层切片处理。

3 熔融沉积成型支撑结构剥离方法与措施

3.1 支撑结构剥离方法概述

熔融沉积成型工艺中常用的支撑剥离方法有手工剥离、加热剥离和化学剥离。手工剥离是指用工具如斜口钳、刻刀等手工把支撑材料从成型零件上剥离下来。加热剥离是指当成型材料熔点较高而支撑材料熔点较低时，利用熔点差对零件模型进行加热使支撑材料优先熔化而保留实体模型。化学剥离是指当支撑材料可以溶解于某种化学溶剂而成型材料不受任何损伤时，可利用此化学溶剂使支撑材料溶解进而与实体模型相分离。目前，大部分的成型件依然采用手工剥离，工件的表面质量往往会受到影响。如可能会出现工具划痕，也有可能用做支撑的材料与模型结合过于紧密，以至于难以去除，强制去除后会在零件表面留下刮痕和凹坑，破坏表面的平整度，这种情况下需对成型后的模型进行后处理，如打磨、抛光等，以提高模型的表面质量。