增材制造开创了制造可能性的新时代。3D打印技术使我们能够以前所未有的速度和精度制造以前“无法制造”的零件，这些零件具有复杂的尺寸和角度。然而，增材制造工艺的性质（其中材料是逐层添加的）通常意味着零件在打印过程中需要支撑来管理内部压力（本质上是重力）。如果没有这种支撑，增材层就无法被周围的材料支撑并塌陷，从而导致打印失败。为了应对这一挑战，我们有时必须在3D打印零件中设计支撑结构。

3D打印的钛合金支架中的支撑结构图片：TCTmagazine

3D打印中的支撑结构是什么？

支撑结构是用来支撑在打印过程中悬空的零件部分，以避免在打印过程中塌陷造成打印失败。并非所有3D打印工艺都需要支撑结构：常见的熔融沉积成形(FusedDepositinModeling,FDM)、立体光固化（StereoLithography,SLA），Stratasys的碳数字光合成?(CarbonDigitalLightSynthesis,DLS)工艺通常需要支撑，但HP公司的MultiJetFusion（一种粉末床打印工艺）则无需支撑结构。

例如，在熔融沉积成形(FDM)增材制造工艺中，加热挤压材料的片层是通过粘附到其下方的片层而从打印床上构建的，并且可能会悬垂在这些较低的片层上以创建有角度的表面。当该角度超过45°时，悬垂元件通常需要支撑，否则无支撑材料的重量将导致零件塌陷且打印失败。这即3D打印中的“45°规则“。

3D打印中的“45°规则“：左：如果悬垂与垂直方向成45°或更小，则通常不需要支撑；右：如果悬挑与垂直方向的夹角大于45°，通常需要支撑

如果需要支撑，则必须将它们集成到零件设计中，并在生产时将其打印到零件中。这意味着需要考虑3D打印过程以及随后的支撑结构去除后处理过程中所需的额外时间和材料。

例外：并非所有增材制造方法都需要支撑结构。熔融沉积成形(FDM)等3D打印技术通过在打印床上添加材料层来打印零件，而HP的MultiJetFusion(MJF)等其他3D打印技术则通过粉末床打印零件。由于粉末层是自支撑的，因此零件设计不需要包含支撑结构。

有哪些类型的支撑结构可用？

3D打印部件的支撑结构在设计和类型上各不相同，但可大致分为两类：“树”和“栅栏”。

树支撑：树支撑类似于树枝或树干，可以包围一个部件并整齐地安装在有角度的表面上，以便于拆卸。树支撑可以作为3D打印项目的一部分进行快速设计、应用和测试，从而实现快速迭代。它们的树枝状结构意味着它们可以远距离伸出来支持特定区域。

栅栏支撑：类似于墙壁，并且具有多种安装点，栅栏支撑通常采用晶格结构垂直于零件表面打印。栅栏支架比树支架更耐用且更容易拆卸，通常是装饰件或大批量生产的更好选择。

支撑结构：树支撑与栅栏支撑

什么时候应该使用增材制造支撑结构？

“45°规则”表明，45°及以上的3D打印悬伸将需要支撑，而45°以下的悬伸则不需要。

然而，45°规则应被视为一般经验法则，并且对支撑结构的需求应根据零件设计的复杂性和所使用的材料而变化。在某些情况下，桥接可以提供支撑结构的替代方案：桥接是一种将加热的添加材料拉伸短距离（通常小于5毫米）而不影响零件完整性的技术。

“YHT”原则：当设想3D打印直立字母模型时，字母Y、H和T可用于说明增材制造支撑结构的必要性。

字母Y：两个臂以45°角从字母Y延伸时，其悬垂角度不需要支撑结构。悬垂角度越超过45°，就越有可能需要支撑结构。

字母H：如果字母H的两个垂直元素彼此之间的距离在5毫米以内，则可以通过桥接来3D打印H的水平元素。如果垂直元件之间的距离超过5毫米，则水平元件可能需要支撑结构。

字母T：字母T的两个臂以90°从垂直元件延伸，需要支撑结构。

3D打印中的”YHT“原则

支撑结构：制造挑战

支撑结构在许多增材制造中是必需的，但它们会显着影响批量生产中零件的成本。同时，打印支撑增加的废料也不容忽视。拆卸支撑结构时也应小心，因为它们在拆卸时可能会损坏或在成品部件上留下痕迹。

考虑到这些因素，理想情况下，3D打印零件的设计应尽量减少或消除对支撑结构的需求，并且在可能的情况下，应应用增材制造设计(DFAM)原则，以优化零件的质量、成本和生产时间。以下策略可能有助于减少对支撑结构的需求：

方向：打印床上零件的方向可能会影响对支撑结构的需求。例如，可以通过将零件旋转到其背面或侧面来消除悬垂。在上面的示例中，将每个3D模型字母Y、H和T侧放在打印床上将完全消除任何悬垂元素以及支撑结构或桥梁的需要。

零件几何形状：在可能的情况下，消除设计中的悬垂部分，或将其角度减小到小于45°。显然，功能要求可能使完全消除悬伸变得不可能，但可以引入替代设计元素，例如倒角、角撑板和半径，以使零件的几何形状更加自支撑。

零件分离：3D打印技术可以生产复杂的单个零件，但如果这些零件所需的支撑量降低了其质量或成本效益，则可能值得将零件分割成可以稍后组装的较小组件。例如，球形零件需要大量支撑，但通过将它们分成两半并创建一个大的平坦表面，可以完全消除对支撑的需要。

支撑密度：施加在支撑结构上的压力将决定支撑结构的强度以及打印支撑结构所需的材料量。为了确保成功且经济高效的打印，应确保支撑结构足够密集以支撑悬垂元件的尺寸。但是同时，支撑结构越密集，去除后打印就越困难。

可溶解支撑：一些3D打印技术可能能够通过辅助打印喷嘴在单独的可溶解材料中打印支撑结构。这些支撑结构可以浸入水或化学品中，进行打印后溶解，留下完整的部件。可溶解支撑可减少支撑结构拆除过程中损坏成品部件的可能性。大多数FDM增材材料具有可溶解支撑，而DLS和SLA材料则没有。

支撑设计的最新进展

金属3D打印机制造商DesktopMetal开发了“可分离支撑结构”并获得了专利。这种3D打印金属部件的支撑可以手工去除。DesktopMetal的可分离支撑通过使用陶瓷粉末作为零件表面和支撑结构之间的界面层来工作。在烧结过程之后，陶瓷层被溶解，这样支撑就可以很容易地从部件上去除。

可分离支撑结构图片：DesktopMetal

另一家旨在简化和加快3D打印部件的支撑去除步骤的公司是PostProcessTechnologies。该公司为通过FDM、SLA、PolyJet和CLIP技术增材制造的零件提供一系列自动化、免提支撑移除解决方案。

基于粉末的Sapphire系统背后的公司Velo3D为提供了一种称为IntelligentFusion的技术，该技术能够打印出复杂的金属部件，几乎没有支撑甚至为零。使用Velo3D的专有模拟软件和闭环监控，与其他粉末床金属系统相比，零件生产所需的支撑最多可减少五倍。

国内公司则在探索无支撑打印技术。苏州倍丰智能科技公司基于“Pre-Scan”的理念，开发了无支撑打印技术，该技术的实现解放了更多自由零件设计，真正实现了近净成形技术，有着极大的前景和应用。

无支撑打印技术示意图（左）及3D打印实物（右）

目前，苏州倍丰已经实现15°及以上角度的无支撑打印，在国内处于领先地位，全球也仅有少数厂家实现该技术的突破。该功能将植入到AMPROController软件中，它提供了一种灵活的新方法、一种新的数据模型，从而推动基于激光的金属增材制造突破现有的边界。新软件最大限度地利用了加速计算引擎(ACE)中的强大功能，包括直接使用本地CAD数据、处理悬臂和薄壁等难加工细节、创建可共享构建的能力以及提高3D打印质量。软件充分利用了之前宣布的3D体积零件分割技术，该技术能够检测上皮、下皮、内皮和通常逐层解决方案遗漏的零件特征。使用这种开创性的新几何无支撑打印方法，可以快速建立加工策略，以弥补过程加工相关的挑战。为航空航天超复杂叶轮构建策略和3D打印以前无法打印的零件打开了大门。

苏州倍丰智能科技有限公司是由钛合金和增材制造专家——澳大利亚工程院吴鑫华院士一手创立，从事研发生产销售全自主知识产权、高效、便捷、工业化金属3D打印机设备和符合国际适航标准的全流程密封金属粉未前后处理系统辅机系列，以及面向航空航天、地面燃机、核电能源、汽车等重点行业的3D打印工艺开发及服务。