據悉，增材製造（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，因為(wei) 它們(men) 需要在3D打印過程之後移除，並且無法重複使用。這對於(yu) 基於(yu) 噴嘴的材料擠壓工藝，支撐件的印刷也是費時的。目前，來自南加州大學和洛桑聯邦理工學院的研究人員已經開發出一種新型的可重複使用支架，以解決(jue) AM中與(yu) 支撐相關(guan) 的挑戰。

　　增材製造（AM）技術使用基於(yu) 層的製造工藝。印刷材料隻能沉積在現有表麵的頂部。對於(yu) 具有懸垂結構的三維（3D）複雜零件，此限製是有問題的，因為(wei) 如果沒有直接在懸垂結構下方的支撐，則無法打印此類懸垂。諸如熔絲(si) 製造(fused filament fabrication, FFF) 和立體(ti) 光刻設備之類的增材製造工藝通過為(wei) 懸垂物創建額外的支撐結構來解決(jue) 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。但打印完成後，這些支撐物必須手動取下，可能導致形狀不正確或表麵粗糙。支撐物製成的材料通常無法重複使用，因此被丟(diu) 棄，這加劇了3D打印廢料的問題。因此，支撐件的生成對於(yu) AM技術來說是一個(ge) 關(guan) 鍵問題，因為(wei) 3D打印的支撐件會(hui) 導致更長的製造時間、更多的材料浪費以及額外的後處理時間。

　　減少所需支撐的大多數現有解決(jue) 方案都是基於(yu) 幾何的方法。這些方法可以分為(wei) 三類。對於(yu) 給定的計算機輔助設計（CAD）模型，一種方法是選擇CAD模型的合適方向以減少支撐體(ti) 積。除了支撐體(ti) 積之外，這些研究還考慮了其他幾個(ge) 方麵，例如表麵質量、製造時間、零件精度或接觸麵積。第二種方法是通過修改CAD模型本身來減少3D打印的支撐。來自威斯康星大學麥迪遜分校的研究人員曾提出一種基於(yu) 支持量約束的拓撲優(you) 化方法。另一種直接的方法是將3D模型分成多個(ge) 小塊，以減少所需的支持，並減少可能超過打印托盤大小的大型模型的打印時間。但是，這兩(liang) 種方法都需要更改構建方向或手動組裝多個(ge) 小零件，這對於(yu) 許多應用程序可能是成問題的。在該項工作中，我們(men) 假設輸入的CAD模型不會(hui) 被修改；同樣，用戶已經選擇了模型的構建方向，並且不會(hui) 更改。

　　最後一種方法是通過開發更好的支撐結構並優(you) 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(ti) 壁狀結構，該結構連接傾(qing) 斜角度大於(yu) 閾值（例如，在像MakerBot和Simplify3D之類的商業(ye) 軟件係統中使用的45º）表麵小平麵的垂直固體(ti) 壁狀結構。這種類型的支撐以增加打印時間和材料為(wei) 代價(jia) 來確保可靠性，而不是垂直的牆狀支撐。來自華中科技大學的研究人員曾提出一種傾(qing) 斜的壁狀支撐結構，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的研究人員曾采用密度可變的蜂窩狀結構以減少支撐體(ti) 積。與(yu) 經典的外部支撐物接觸建築平台不同，來自意大利羅馬大學的Cacace等人提出了一種算法，該算法將所有外部支撐轉換為(wei) 內(nei) 部支撐，並將支撐的兩(liang) 端連接到零件本身。因此，減少了支撐體(ti) 積和打印時間。但是，該方法僅(jin) 適用於(yu) 倒角特征。對於(yu) 懸臂特征，此方法的材料消耗比傳(chuan) 統外部支撐的材料消耗大。

　　無論支撐結構和布局如何優(you) 化，3D打印的支撐都是材料的浪費，因為(wei) 它們(men) 必須被移除，並且在打印過程之後不能被重複使用。此外，對於(yu) 材料擠出過程，印刷速度由於(yu) 印刷這些支持物所需的額外時間而大大降低。來自南加州大學和洛桑聯邦理工學院（EPFL) 的研究人員首次創造了一種低成本的可重複使用的用於(yu) 3D打印（如FFF工藝）的支撐結構，它由一組柔性針陣列組成，以減少3D打印機打印這些浪費的支撐物的需求，從(cong) 而大大提高了成本效益和可持續性。這項研究的主要領導人南加州大學Yong Chen教授，相關(guan) 成果2021年發表在Additive Manufacturing上。

　　圖1. 體(ti) 操運動員測試用例。(a). 具有可重複使用支持的打印結果。(b). 沒有可重複使用支持的打印結果。(c). 移去支撐物後的裝配體(ti) 。(d). a中第178層的刀具路徑-用白色虛線標記（印刷時間：19 s；擠出長度：5 mm）(e). b中第178層的刀具路徑-用白色虛線標記（打印時間：37 s；擠出長度：11 mm）。

　　圖2. 具有三層薄板結構設計的可重複使用支撐裝置的示意圖

　　圖3. 基於(yu) 可重複使用支持的FFF打印機的示意圖

　　圖4. 使用可重複使用的支撐物的FFF過程的剖視圖。(a) 金屬銷的原始狀態；(b) 在建造第一層之後金屬銷的運動；(c，d) 由於(yu) 插入的管子而使金屬銷釘從(cong) 活動片上脫離；(e，f) 金屬銷的最終狀態。

　　使用融合沉積建模（FDM）工藝的傳(chuan) 統3D打印可直接在靜態金屬表麵上逐層打印。相反，新的原型使用由可移動金屬銷釘製成的可編程，動態控製的表麵來代替印刷的支架。隨著打印機逐步構建產(chan) 品，銷釘會(hui) 上升。陳教授表示，通過對新原型的測試表明，它可以節省大約35％的用於(yu) 打印物體(ti) 的材料。

　　陳教授與(yu) 生物醫學醫生一起工作時，他們(men) 使用生物材料進行3D打印以構建組織或器官的。他們(men) 使用的許多材料非常昂貴，每個(ge) 小瓶子的價(jia) 格在500美元到1000美元之間。對於(yu) 標準FDM打印機，材料成本約為(wei) 每公斤50美元，但對於(yu) 生物打印，則更是約為(wei) 每克50美元。因此，如果我們(men) 可以節省用於(yu) 印刷這些支撐件的材料的30％，那將是一筆巨大的成本節省用於(yu) 生物醫學目的的3D打印。

　　此外，除了材料浪費對環境和成本的影響外，使用支撐物的傳(chuan) 統3D打印工藝也很耗時。當進行3D打印複雜形狀時，一半的時間用於(yu) 構建所需的零件，另一半的時間用於(yu) 構建支撐。因此，對於(yu) 研究人員開發的該係統，不需要重複構建支撐件，在打印時間方麵，節省了大約40％時間。

　　過去開發的類似原型依賴於(yu) 單個(ge) 電動機來提升每個(ge) 機械支架，從(cong) 而導致能源密集型產(chan) 品的購買(mai) 成本也高得多，因此對於(yu) 3D打印機而言並不劃算。

　　研究團隊的新原型機是通過移動平台的單個(ge) 電動機運行其每個(ge) 單獨的支撐架來工作的。該平台可同時舉(ju) 起多組金屬銷，從(cong) 而使其成為(wei) 具有成本效益的解決(jue) 方案。根據產(chan) 品設計，該程序的軟件會(hui) 告訴用戶他們(men) 需要在平台的基礎上添加一係列金屬管的位置。然後，這些管的位置將確定哪些銷將升高到定義(yi) 的高度，以最好地支撐3D打印產(chan) 品，同時還從(cong) 打印支撐件中產(chan) 生最少的浪費。在該過程結束時，可以輕鬆卸下銷，而不會(hui) 損壞產(chan) 品。

　　▲圖5. 原始布局和優(you) 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(ge) 金屬銷都有一定的XY尺寸和可達到的Z高度，並且不能與(yu) 給定的CAD模型相交。(a) 布局優(you) 化之前的模型。(b) 布局優(you) 化後的相同模型。(c) 布局優(you) 化之前的橋梁模型。(d) 布局優(you) 化後的橋梁模型。

　　▲圖6. 具有可重複使用支持的原型係統。(a) 可重複使用載體(ti) 的第二層和第三層片材。(b) 具有可重複使用支持的經過修訂的FFF 3D打印機。(c) 建築平台由11 x 9的金屬銷釘定義(yi) 。

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

　　陳教授表示，該係統還可以輕鬆地應用於(yu) 大規模製造，例如汽車，航空航天和遊艇行業(ye) 。人們(men) 已經在為(wei) 大型汽車和船體(ti) 以及諸如家具之類的消費產(chan) 品製造FDM打印機。可以想象，本來這些產(chan) 品的製造時間是一整天。如果使用該方法可以節省一半，那麽(me) 製造時間可以減少到半天。使用該方法可以為(wei) 這種類型的3D打印帶來很多好處。

　　該團隊最近還申請了這項新技術的專(zhuan) 利。該研究是由曾任南加州大學計算機科學與(yu) 通信科學學院的訪問博士生的Ziqi Wang和瑞士洛桑聯邦理工學院的SiyuGong共同撰寫(xie) 的。