3D打印中支撑结构因素的技术分析

2018年2月

机械工程与自动化

MECHANICAL ENGINEERING &. AUTOMATION

No. 1Feb.

文章编号：1672-13(2018)01-0030-03

3D打印中支撑结构因素的技术分析

樊佳

(广东省理工职业技术学校，广东广州510500)

摘要：以FDM (熔融沉积成型）打印技术为例，通过实验分析的方式分析了在KISSlicer切片软件中支撑参 数的设置与打印模型表面精度的关系；并通过这种实践经验值的方式研究了面对不同结构特点的打印模型，

KISSlicer切片软件中支撑参数该如何设置，才能够将3D打印效果达到最优化。关键词：3D打印；支撑问题；倾斜角度 中图分类号：TP391.7

文献标识码：A

〇引言

片软件中支撑参数该如何设置，才能够将3D打印效 果达到最优化。

1 FDM打印技术中支撑设置问题

3D打印技术作为一种新型的快速成型方法已不 是什么新鲜的话题，如FDM、SLA、DLP、SLS、SLM、 3DP技术，它们都存在着各自的优势。但不管是哪种 方法，都不可避免地要面对打印模型支撑的设置及去 除问题。有过3D打印经验的人都知道，打印支撑的 设置对打印模型表面精度的影响非常大，同时对打印 完成后模型支撑的后处理也非常重要。因此，支撑问题 可以说是3D打印技术中急需解决的一个难点问题。

纵观3D打印技术的前沿发展动态不难发现，对 于支撑问题的解决方法也是花样百出，层出不穷。例 如，西班牙泰罗尼亚高等建筑学院和荷兰阿姆斯特丹 工作室的科研人员研制出一种名为“MAT AERIAL” 的反重力3D打印技术，在不借助任何支撑材料的情 况下可以在任意表面打印3D结构。其原理就是通过 中和重力的影响，让打印物不是立在某一水平面上，而 是悬浮在空中，实现了任何角度任何方向上的打印。 尽管这种方法打印时也需要一个支点，但与现有的技 术相比，反重力3D打印技术概念的提出已经是非常 大的进步了。又如，在3D激光烧结技术中，为了摆脱 支撑对3D打印结构的束缚，英格兰谢菲尔德市的谢 菲尔德大学增材制造研究中心的Neil教授和他的团 队已经开发出一种“无锚的选择性激光烧结技术”。还 有以色列一家公司研发了一种独特的“分布式凝胶打 印技术”，这种技术专门针对大型物件，尤其是需要很多 支撑的悬挑和多角结构。本文以FDM(熔融沉积成型） 打印技术为例，通过实验分析的方式分析在KISSlicer 切片软件中支撑参数的设置与打印模型表面精度的关 系，以及面对不同结构特点的打印模型，KISSlicer切

收稿日期：2017-08-16;修订日期：2017-12-06

3D打印技术中的FDM(熔融沉积成型）技术是指 利用高温将材料融化成液态，通过打印头挤出后固化，

最后在立体空间上排列形成立体实物。它的原理其实 就是将三维实体进行切片处理，通过一层一层的堆叠， 最终完成三维实体模型的过程。但在堆叠熔融的塑料 时，若碰到如图1所示的模型形状时，由于物体重力的 影响，斜边处于悬空状态，在材料还未固化之前，就会 因自身重力影响而坠落，最终导致模型无法打印成型。 于是，我们可以考虑在这种斜边壁的下方多打印出一 些小支柱，用来解决斜边壁因自身重力的影响而发生 坠落的问题。它的原理类似于一些大型建筑物或桥梁 结构都会在中间部位设计一些支柱，支撑起建筑物自 身的重力结构，从而增强建筑物或桥梁的稳固性。那 么，当打印模型表面的倾斜角度超过多少就必须添加 支撑，是我们必须要搞清楚的问题。

从物理学的角度分析，根据重力原理如果一个物 体的某个面与垂直线的角度大于45°且悬空，就有可 能发生坠落，因此，在3D打印过程中应该遵循45°角 的原则。也就是说，当模型表面的倾斜角度不超过 45°时，可以不考虑添加支撑；当模型表面倾斜角度大 于45°时，则必须添加支撑结构。模型表面的倾斜角度 是指Z轴(竖直)方向与模型斜面的夹角，如图2所示。

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支撑角度设置为45°时不同倾斜角模型的3D打印 实验

为了检验45°角的原则能否作为3D打印中支撑 设置的判断依据，本文借助KISSlicer切片软件，并利

作者简介：樊佳（1984-)，女，湖北黄同人，讲师，硕士，现从事机械类专业教学工作。

2018年第1期

樊佳：3D打印中支撑结构因素的技术分析

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用FDM桌面打印机进行一项实验。

。模型实体

打印模型的精度就会越高。因此，在利用3D打印产

品时，在不影响产品使用功能的前提下，产品设计时应 尽量避免产品结构的倾斜角度大于45°，即选用0°〜 45°最为合适。

3

支撑角度与打印模型支撑体生成的关系

图1三维打印模型 图2 3D打印模型的倾斜角度

首先，构思确定3个外型结构相同的简单模型（如 图3所示），高度均设置为20 mm，三者的区别在于斜 实践证明，对于模型的倾斜角度我们应遵循以上 论证的45°角的原则。除此之外，打印切片软件中支撑 角度的设置值直接关系到模型中不同倾斜角度侧的支 撑体生成情况。举例说明，如图6所示，若把KISSlicer 切片软件中支撑角度设置为90°，那么只有当模型表 边的倾斜角分别为15°、45°、75°;接着利用三维绘图软 件(如Pm/E)分别将图3所示的3个模型绘制成三维 图形，并保存输出为STL文件格式；接着分别把3个 图形导入到KISSlicer切片软件中，需要注意的是，在 切片操作的过程中，要确保所有的参数设置都保持不 变，支撑角度都设置为45°，再进行切片处理并保存输 出，生成3个geode格式文件；最后，将此3个模型的 geode文件拷贝入SD卡，利用FDM打印机通过读取 SD卡中的文件进行模型打印。最终打印出的模型效 果如图4所示。

图3三维打印实验模型

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【][】

U)倾斜角度15°

(b)倾■角^45° (c)倾斜角度75°

图4最终3D打印出的模型

比较打印完成的3个不同倾斜角度的模型实体， 不难发现，倾斜角度为15°的模型虽没有支撑结构，侧 壁表面平整，精度较高；倾斜角度为45°的模型，也没 有打印支撑结构，但侧壁表面不如15°模型的精度高； 而倾斜角度为75°的模型则有打印支撑结构，但支撑 材料非常紧密地粘着在模型侧壁的外表面（如图5所 示)基本无法处理干净，直接导致模型达不到普通产品 的合格标准，而成为废品，也就是说倾斜角度为75°的 模型最终是打印失败的。

图5倾斜角慶为75°打印失败的模型

通过本组实验证明：对于FDM打印技术，产品结 构中的倾斜角度越小，打印时支撑越少或是无需支撑，

面倾斜角度为90°时，才会生成支撑体;如图7所示，若 把KISSlicer切片软件中支撑角度设置为70°，那么模 型表面倾斜角度为70°〜90°时，才会生成支撑体;如图 8所示，若把KISSlicer切片软件中支撑角度设置为 45°，那么模型表面倾斜角度为45°〜90°时，才会生成 支撑体。由图6〜图8可以看出，设置的角度越小，支 撑体就会越多。

模型表面倾斜角度为 90°处都会生成支撑体

娜0 C度〕

_

(a)输入参数

图6

支撑角度设置为90°时打印模型的支撑体结构

模型7实体_

niiiiiis0

:支撑体

U)输入参数

(b)生成效果图7支撑角度设置为70°时打印模型的支撑体结构

模型$体

53

*关闭嫌1:•.⑷

90m

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支撑体

(a)输入参数

图8

支撑角度设置为45°时打印模型的支撑体结构

4倾斜角相同时支撑角度设置不同的3D打印实验

选择一个倾斜角度为30°的模型结构（如图9所 示），但在对模型切片的过程中分别将支撑角度设置为 15°、30°、45°，其他所有参数设置保持不变，然后进行切 片保存输出，生成3个geode格式打印文件；同样传输 到FDM桌面打印机进行打印，最终打印完成的模型 实体如图10所示。

通过这组实验我们发现，支撑角度设置越小，打印 的支撑体就会越多，也就是说材料消耗也会越多。但 对比3组模型发现，模型表面的精度没有太大的区别， 说明并不是打印支撑越多，模型表面的精度就会越高。 经过反复不断地实验最终发现：支撑角度的大小应根

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•机械工程与自动化2018年第1期

据模型倾斜角度的大小来确定。一般情况下，支撑角 度应该要比模型倾斜角度略小一些。这样打印出来的 模型才是最理想的状态，节省材料的同时使支撑材料 从模型表面的脱落变得非常容易，因此也不会影响到 模型表面的精度，从而使模型能够达到产品表面精度 标准的要求。

5结语

综上所述，3D打印技术中的支撑问题是一个非常 复杂而又非常关键的问题，它将会成为3D打印技术 能否实现质的飞跃的一个决定性因素。根据目前的技 术发展现状来看，还没有一个非常有效可行的方法能 够非常完美地解决打印过程中支撑的除去问题。因 此，这个问题值得我们进一步去深入研究探索，相信在 不久的将来，完全可以实现3D打印的无支撑化，不仅 仅不需要我们在模型的后处理上花费大量的时间和精 力，同时也能够实现制造业真正的“零损耗”。因此，无 支撑的3D打印技术完全有可能实现，值得我们去

图9倾斜角度为30°的三维模型

期待。

参考文献：

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[2]

U)支撑角度15° (b)支撑角度30° (c)支撑角度45°

图10倾斜角度为30°不同支撑角度模型的最终打印效果

[3]

术，2000(1) :26-28.计，2013(3) :65-67.

Analysis on Support Structure Factors in 3D Printing

FAN Jia

(Guangdong Vocational School of Polytechnic, Guangzhou 510500, China)

Abstract： Taking fused deposition modelling (FDM) printing technology as an example, this paper analysed the relationship between

the settled supporting parameters and the surface accuracy of printing model by KISSlicer software based on experimental analysis

method. Additionally, printing models that faced to varieties of structure characteristics has been studied. By adjusting the supporting parameters in KISSlicer, the optimal effect of 3D printing would be obtained.Key words： 3D printing； support problem； angle of inclination(上接第29页）

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Consistency Study of Spectrum and Time-History Analysis in Anti-Seismic Design

AN Kun

(Shaanxi Special Equipment Inspection Center，Xi’an 710048，China)

Abstract： To solve the problem of selection of anti-seismic (AS) design method of high-rise structures, based on ^Code for Seismic

Design of BuiIdings9 taking tower parking space as a research object, this paper calculated the displacement, stress and inter-story

displacement angle with finite element method by software ANSYS and comparatively analysed the results by using two typical methods： response spectrum as well as time analysis. The result shows that both of the relative error of the numerical results among AS analysis for parking space by the two methods are within 10%，which meets the practical requirement. Hence it verifies the consistency within the two methods in the design, so that it provides an important theoretical support and practical guidance for the applications of the two methods in AS design of structures.Key words： anti-seismic analysis； tower space parking； response spectrum method； time analysis method； inter-story displacement angle