必看！3D打印支撐–終極指南
魔猴君 知識(shí)堂 387天前
支撐結(jié)構(gòu)：FDM 3D打印機(jī)的工作原理是一層一層地沉積熱塑性塑料，從而創(chuàng)建3D物體。因此，每一層都必須由下面的一層支撐。如果您的模型有一個(gè)懸空部分，而下面沒有任何支撐物，那么它很有可能會(huì)掉落甚至墜落，您需要額外的3D打印支撐結(jié)構(gòu)來確保打印成功。
支撐結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是3D打印中不可避免的禍害。一方面，它們對于具有令人討厭的懸垂或橋梁的模型來說是絕對必要的。另一方面，支撐結(jié)構(gòu)會(huì)增加材料成本，增加后期處理工作量，并可能損壞模型表面。因此，正確制作支撐物是3D打印復(fù)雜模型的一個(gè)非常重要的方面。
在本文中，魔猴網(wǎng)將和大家一起學(xué)習(xí)了解3D打印支撐結(jié)構(gòu)的所有信息。
一、何時(shí)需要？
一般來說，當(dāng)您的模型有懸空或橋梁，而下面沒有任何東西支撐時(shí)，您可能需要使用支撐物才能將其3D打印出來。下面是一些懸臂和橋梁的示例，借助字母Y、H和T進(jìn)行說明。
懸挑和橋梁，以字母Y、H和T的經(jīng)典示例進(jìn)行說明（來源：All3DP）
1、懸垂45度規(guī)則
并非所有懸垂都需要支撐。一般的經(jīng)驗(yàn)法則是：如果懸垂物的傾斜角度與垂直方向的夾角小于45度，那么就可以不使用支撐物來打印該懸垂物。
與垂直方向成45度以上的懸垂部分需要支撐結(jié)構(gòu)（來源：Raise3D）
3D打印機(jī)在連續(xù)層之間使用很小的水平偏移（幾乎看不出來）。因此，除非打印出垂直的墻壁，否則一層不會(huì)完全疊加在上一層之上。這樣，打印機(jī)就能打印出與垂直方向傾斜度不太大的懸臂。低于45度的部分可以由前一層支撐，高于45度的部分則不行。45度被認(rèn)為是失敗線。
字母Y和T最能說明這一點(diǎn)。字母Y中的兩個(gè)懸臂與垂直面的夾角低于45度。因此，如果要打印字母Y，可以不使用任何支撐物。
字母Y中的懸垂部分不需要支撐結(jié)構(gòu)。字母T中的那些確實(shí)需要它們
另一方面，字母T的懸垂部分與垂直方向成90度角。因此，您必須使用支撐物來打印字母T，否則，結(jié)果將一團(tuán)糟，如下圖所示。
如果沒有支撐結(jié)構(gòu)，字母T將無法正確打?。▉碓矗篐ubs）
請記住，45度規(guī)則是切片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)度量，用于自動(dòng)支持，以考慮許多變量并獲得令人滿意的結(jié)果。有經(jīng)驗(yàn)的用戶通常會(huì)對打印速度或冷卻速率等設(shè)置進(jìn)行微調(diào)，以增加可實(shí)現(xiàn)的懸伸角度，從而獲得成功的打印效果。通常情況下，F(xiàn)DM三維打印成型機(jī)制造商會(huì)聲稱他們的機(jī)器在默認(rèn)情況下能夠打印出更高的懸伸角度。這是因?yàn)樗麄兊臋C(jī)器配備了先進(jìn)的工藝參數(shù)和功能更強(qiáng)的硬件。但這并不意味著標(biāo)準(zhǔn)打印機(jī)和知識(shí)淵博的操作員就不能實(shí)現(xiàn)同樣的效果。
2、橋梁上的10毫米規(guī)則
就像懸臂一樣，并非所有的橋都需要支撐。這里的經(jīng)驗(yàn)法則是：如果橋的長度小于10毫米，打印機(jī)可以在沒有支撐的情況下進(jìn)行打印
為此，打印機(jī)使用了一種稱為"橋接"的技術(shù)—即在短距離內(nèi)拉伸熱材料，并在打印時(shí)盡量減少下垂。
不良的橋接會(huì)導(dǎo)致下垂和下垂（來源：Bigsteve03 via Reddit）
但是，如果橋的長度超過10毫米，這種方法就行不通了。在這種情況下，您需要增加支撐，否則會(huì)出現(xiàn)下垂。
再次強(qiáng)調(diào)，請僅將此距離視為一般經(jīng)驗(yàn)法則。調(diào)整參數(shù)，特別是主動(dòng)冷卻和打印速度，可以大大改善這一情況，并使網(wǎng)橋的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過10毫米的閾值。
二、支撐的缺點(diǎn)
1、材料成本增加
支撐結(jié)構(gòu)需要在打印后移除并丟棄額外的材料（來源：Felfil）
3D打印的支撐結(jié)構(gòu)顯然會(huì)增加模型的生產(chǎn)成本。支撐結(jié)構(gòu)會(huì)消耗材料，而這些材料隨后會(huì)被移除和丟棄。因此，您使用的每一點(diǎn)支撐材料本質(zhì)上都是浪費(fèi)，都會(huì)增加打印成本。
特別是在使用碳纖維增強(qiáng)絲等特殊材料打印時(shí)，成本會(huì)迅速上升，因此值得考慮使用雙擠出機(jī)，讓機(jī)器在不同材料之間切換。
2、增加打印持續(xù)時(shí)間
特別是不規(guī)則的設(shè)計(jì)通常需要大量的支撐結(jié)構(gòu)（來源：All3DP）
另一個(gè)成本因素是支持結(jié)構(gòu)帶來的打印時(shí)間延長。雖然FDM 3D打印機(jī)的運(yùn)營成本并不高，但打印時(shí)間會(huì)很快增加，尤其是在批量生產(chǎn)時(shí)。
另一方面，盡量減少支撐結(jié)構(gòu)并不總是最快的解決方案。如果您需要的是一次性部件，那么使用比理論上更多的支撐結(jié)構(gòu)來成功完成第一次嘗試，可能比失敗后不得不多次打印同一部件更有意義。
因此，成本的高低取決于您要生產(chǎn)多少零件、需要多少支撐結(jié)構(gòu)、打印速度以及支撐結(jié)構(gòu)的拆卸是否方便。
3、額外的后處理
支撐結(jié)構(gòu)增加了后處理工作（來源：Ultimaker）
支撐結(jié)構(gòu)不是模型的一部分。它們用于在打印過程中支撐懸空幾何體。這意味著一旦打印結(jié)束，您還需要在模型準(zhǔn)備就緒之前移除這些結(jié)構(gòu)。
在生產(chǎn)環(huán)境中，額外的工作意味著模型成本的增加。如果支撐結(jié)構(gòu)位于難以觸及的地方，不容易與實(shí)際部件分離，或者移除支撐結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致模型的部分?jǐn)嗔眩闆r就會(huì)更糟。
為了盡量減少后期處理，您可以考慮改用可溶性支撐結(jié)構(gòu)?；蛘撸部梢酝ㄟ^將支撐結(jié)構(gòu)集成到設(shè)計(jì)中或調(diào)整模型方向來完全消除支撐結(jié)構(gòu)。
4、損壞模型的風(fēng)險(xiǎn)
左：在支撐下打印。中：支撐移除造成損壞。右：支架被移除，沒有太大損壞（來源：Hubs）
支撐結(jié)構(gòu)與模型朝下的面相接觸，并經(jīng)常粘在一起。這是支撐懸臂和橋梁的唯一方法。如果拆除時(shí)不小心，可能會(huì)在模型表面留下瑕疵。最糟糕的情況是，模型的一部分可能會(huì)與支撐結(jié)構(gòu)一起斷裂。
總而言之，使用支撐結(jié)構(gòu)有很大的弊端。因此，這里還有一條經(jīng)驗(yàn)法則：盡量減少使用支撐結(jié)構(gòu)，只在必要時(shí)才添加。在后面的章節(jié)中，我們將向您展示如何從CAD設(shè)計(jì)階段一直到印刷階段應(yīng)用這一理念。
三、支撐結(jié)構(gòu)幾何形狀
常見的支撐類型有兩種：格子支撐和樹狀支撐
1、格子支撐
這種支撐也稱為線性支撐，是3D打印中最常用的支撐類型。它由接觸整個(gè)懸臂的垂直支柱組成。這種類型的3D打印支撐適用于幾乎所有的懸臂和橋梁。不過，它們更難移除，也更容易對模型表面造成損壞。
晶格支撐結(jié)構(gòu)（來源：Flashforge）
2、樹狀支撐
樹狀支撐是支撐模型懸垂部分的樹狀結(jié)構(gòu)。這種類型的3D打印支撐僅在某些點(diǎn)接觸懸垂部分。
樹狀支撐也最大限度地減少了材料的使用（來源：Flashforge）
使用樹狀3D打印支撐物的好處是，它更容易移除，而且不會(huì)對懸臂底部造成太大損害。但要注意的是，它只適用于非平面懸垂，如鼻尖、指尖或拱形，通常出現(xiàn)在更有機(jī)的模型上。它不能為平面懸垂提供足夠的穩(wěn)定性。
四、按易于拆卸劃分的支持類型
1、分離式支撐
分離式支撐通常由與零件相同的材料制成（來源：Prusa Research）
有一個(gè)擠出機(jī)的打印機(jī)默認(rèn)使用斷開式支撐結(jié)構(gòu)。
如果只有一個(gè)擠出機(jī)，就必須使用與打印模型相同的材料來打印支撐結(jié)構(gòu)。您自然可以調(diào)整支撐結(jié)構(gòu)的密度，使其遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于模型密度，但這是您對支撐材料的唯一控制。
由于模型和支撐結(jié)構(gòu)是由同一種材料制成的，要想將它們分開，唯一的辦法就是用手掰開支撐結(jié)構(gòu)，或者用刀小心地將其切斷。
這些拆卸方法會(huì)帶來相當(dāng)大的損壞模型的風(fēng)險(xiǎn)，因此在拆卸階段必須應(yīng)用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)，并保持高度警惕和小心。
2、可溶解支撐物
可溶解的支撐結(jié)構(gòu)更容易移除，但需要雙擠出機(jī)打印機(jī)。
如果您的打印機(jī)有兩個(gè)擠出機(jī)，還有一個(gè)更好的選擇。您可以在一個(gè)擠出機(jī)中裝入PLA來打印模型，在另一個(gè)擠出機(jī)中裝入PVA等水溶性材料或HIPS等檸檬烯溶性材料來打印支撐結(jié)構(gòu)。打印結(jié)束后，只需將模型浸入水中或檸檬烯中清洗即可。
這種清除方法降低了模型損壞的風(fēng)險(xiǎn)，并使后期處理工作更加容易，非常適合復(fù)雜的打印。
五、如何移除分離支撐
由于斷裂支撐結(jié)構(gòu)很難拆除，而且有可能損壞模型，因此我們提供了一些久經(jīng)考驗(yàn)的小竅門，讓您以正確的方式拆除支撐結(jié)構(gòu)。
1、首先，找出完全暴露在外且易于用手指操作的支撐結(jié)構(gòu)。嘗試用手指將它們掰開。動(dòng)作要輕柔。如果方法得當(dāng)，大部分支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)該很容易就會(huì)脫落。
2、接下來，使用工具移除難以接觸到的支撐結(jié)構(gòu)。關(guān)于哪種工具最好用，眾說紛紜。您可以使用針鼻鉗、油灰刀或埃佳圖刀。您也可以綜合使用所有這些工具。
3、使用小刀或刮刀時(shí)，最好先加熱模型或刀片。這樣可以使支撐結(jié)構(gòu)更容易切割。一個(gè)小小的丁烷噴燈就能幫上忙，但要確保不會(huì)損壞模型。
4、使用埃佳圖刀具時(shí)要非常小心，因?yàn)樗鼈兎浅ｄh利。
5、砂紙也是一種很好的清除工具。用高砂紙（220到1200號(hào)）濕磨可以去除去除后留下的小凹凸，還能拋光模型。為達(dá)到最佳效果，可在部件上涂抹水，然后以平滑、輕柔的動(dòng)作進(jìn)行打磨，直至達(dá)到所需的表面質(zhì)量。
打磨不僅適用于樹脂打印部件，以實(shí)現(xiàn)更好的表面光潔度（來源：Formlabs）
基于聚乳酸的模型在支撐結(jié)構(gòu)斷裂時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力痕跡，從而導(dǎo)致劃痕、印記和瑕疵。指甲油是修補(bǔ)或遮蓋這些瑕疵的好工具。如果出現(xiàn)褪色，可以嘗試用熱風(fēng)槍小心加熱材料，使其恢復(fù)原色。
六、通過設(shè)計(jì)最大限度地減少支撐
1、將支撐結(jié)構(gòu)整合到模型中
避免支撐結(jié)構(gòu)的訣竅之一是在模型中添加可以完成相同工作的元素。幾個(gè)世紀(jì)以來，雕塑家們一直在使用這種技巧。例如，請看安東尼奧-卡諾瓦的"維納斯"雕塑。
安東尼奧·卡諾瓦(Antonio Canova)創(chuàng)作的維納斯·維特里克斯(Venus Vitrix)（來源：博爾蓋塞畫廊）
在這里，右臂是懸空的，但有枕頭支撐。左腿也是懸空的，但這次是由束起的長袍作為支撐。
下一個(gè)例子是設(shè)計(jì)師Fantasygraph設(shè)計(jì)的名為"守護(hù)者"的模型。他巧妙地用飄逸的長袍支撐起模特的雙腿和臀部。固定在底部的長矛則起到了支撐左臂的作用。
支撐也可以成為模型本身（來源：Fantasygraph）
將支撐結(jié)構(gòu)融入設(shè)計(jì)與其說是一門科學(xué)，不如說是一門藝術(shù)。你需要想出既能融入整體設(shè)計(jì)，又能支撐懸挑或橋梁的元素。如果方法得當(dāng)，不僅能增強(qiáng)模型的美感，還能在打印過程中省去支撐結(jié)構(gòu)，從而節(jié)省時(shí)間、金錢和人力。
2、倒角
另一種消除支撐的方法是倒角。倒角是一種巧妙的方法，可以將討厭的懸挑變成角度小于45度的無害懸挑。
例如，如果你有一個(gè)平緩的斜邊或弧邊，你可以用一個(gè)不需要支撐的角邊來代替它。這樣的棱角設(shè)計(jì)稱為倒角。
左：需要支撐的逐漸變圓的邊緣。右：無需支撐即可打印的倒角邊緣（來源：3DVerkstan）
同樣，如果模型上有一個(gè)孔，也可以將其轉(zhuǎn)換成水滴形的倒角孔。大多數(shù)情況下，這不會(huì)影響模型的整體美觀。但它可以幫助您減少打印模型所需的支撐。
淚滴形狀的倒角孔（來源：Markforged）
七、通過重新定位最大限度地減少支撐
有時(shí)，只需在打印床上調(diào)整模型的方向，就能最大限度地減少必要的支撐結(jié)構(gòu)。例如，打印下圖中的開放式盒子時(shí)，最好將開放面放在頂部。
您通?？梢酝ㄟ^在構(gòu)建板上重新調(diào)整模型的方向來最大限度地減少支撐（來源：Markforged）
例如，考慮這個(gè)人體雕像的例子。
人們可能會(huì)想將人物定位在其自然位置（來源：All3DP）
如果您按原樣打印模型，我們將需要支撐左臂。它基本上是一個(gè)90度角的長懸挑。
由于距離原點(diǎn)較遠(yuǎn)，該手臂需要大量支撐（來源：All3DP）
當(dāng)您取下支撐物時(shí)，很可能會(huì)在手臂下側(cè)留下瑕疵。為了避免這種情況，您可以將整個(gè)模型旋轉(zhuǎn)45度，然后只為模型的底座添加支撐。無論如何，模型基礎(chǔ)的質(zhì)量并不重要。這樣，您可以用更少的支撐結(jié)構(gòu)打印模型，并避免左臂受損。
將所有物體保持45度懸垂，可以用更少的支撐打印模型（來源：All3DP）
當(dāng)然，這個(gè)模型只是一個(gè)演示。經(jīng)驗(yàn)豐富的制作者會(huì)發(fā)現(xiàn)在膝蓋、臀部和頭部會(huì)有一些小"島"，打印頭會(huì)在這些地方擠出，導(dǎo)致打印效果非常難看。當(dāng)然，為了避免出現(xiàn)這種情況，這些"小島"還需要支撐。
八、切片設(shè)置
有時(shí)，無法避免支撐結(jié)構(gòu)。但即使在這種情況下，也應(yīng)盡力確保支撐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、易于拆卸、不浪費(fèi)大量材料且不損壞模型表面。
切片軟件將為您提供許多調(diào)整支撐參數(shù)的額外方法。大多數(shù)切片軟件可以自動(dòng)生成支撐，但也提供手動(dòng)模式，您可以隨意添加或移除支撐。此外，切片軟件還提供許多不同的設(shè)置來控制以下方面：
位置
強(qiáng)度
打印后移除的難易程度
對打印表面的損害
在本文中，我們選擇以Cura為重點(diǎn)，因?yàn)樗亲钍軞g迎的免費(fèi)切片器之一。
Cura在"自定義設(shè)置"的"支撐"部分提供了大量與支撐結(jié)構(gòu)相關(guān)的設(shè)置。如果您能正確操作這些設(shè)置，就有可能創(chuàng)建出符合大多數(shù)基本要求的支撐結(jié)構(gòu)。
1、自動(dòng)生成的支撐
先做第一件事。如何交叉檢查您的模型是否需要額外支持？
Cura讓這一切變得簡單。將模型導(dǎo)入Cura并在虛擬構(gòu)建板上定位后，請留意紅色部分。這些部分就是Cura檢測到的懸垂部分。
如果您在模型與構(gòu)建板接觸的部分底部看到紅色，就不必?fù)?dān)心該區(qū)域沒有支撐。構(gòu)建板會(huì)解決這個(gè)問題?？椎捻敳炕騼蓚€(gè)結(jié)構(gòu)之間的小紅色區(qū)域稱為橋，Cura也會(huì)自動(dòng)處理它們。
如果有其他部分突出顯示為紅色，那么您就要開始擔(dān)心了。首先，您需要啟用自動(dòng)生成的支撐結(jié)構(gòu)，以確保這些紅色部件可以成功打印。為此，只需選中"支持"部分下的"生成支持"復(fù)選框即可。
現(xiàn)在，您已經(jīng)啟用了自動(dòng)生成的支撐結(jié)構(gòu)，但在模型視圖中可能看不到任何變化。這是因?yàn)?/span>Cura在默認(rèn)的"實(shí)體"視圖中不顯示支撐結(jié)構(gòu)。要查看生成的支撐結(jié)構(gòu)，請切換到"圖層"視圖。支撐材料（線條和體積）將顯示為茶色。上下移動(dòng)圖層滑塊可查看支撐結(jié)構(gòu)添加到模型中的位置。
2、樹狀或線性支撐
Cura中的樹狀支撐結(jié)構(gòu)（來源：All3DP）
Cura默認(rèn)生成晶格支撐結(jié)構(gòu)。在3.2 beta版本中，Cura引入了使用樹狀支撐代替默認(rèn)格子支撐的可能性。
3、支撐結(jié)構(gòu)放置
Cura中兩種類型的支撐結(jié)構(gòu)放置：“無處不在”和“觸摸構(gòu)建板”（來源：Ultimaker）
啟用支撐結(jié)構(gòu)后，"支撐"部分下會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)一個(gè)名為"放置"的設(shè)置。通過"位置"設(shè)置，您可以粗略控制支撐結(jié)構(gòu)的位置。有兩個(gè)選項(xiàng)："到處"和"接觸構(gòu)建板"。默認(rèn)情況下選擇"無處不在"。
選擇"無處不在"時(shí)，Cura 3D會(huì)嘗試在需要的地方構(gòu)建結(jié)構(gòu)。這意味著您不僅可以在構(gòu)建板上建立支撐結(jié)構(gòu)，還可以使用模型的一部分作為基座建立支撐結(jié)構(gòu)。這在大多數(shù)情況下都是一個(gè)合理的選擇，因?yàn)檫@樣可以確保所有不穩(wěn)定區(qū)域都有必要的支撐。
但是，如果非常復(fù)雜的模型選擇了"無處不在"，模型最終可能會(huì)被支撐材料完全包裹。如果不想這樣，只需將放置設(shè)置更改為"接觸構(gòu)建板"。這將在模型懸空部分的下方創(chuàng)建支撐，而僅在構(gòu)建板和模型之間創(chuàng)建支撐。
4、啟用支撐屋頂
由于模型的懸垂部分是在支撐結(jié)構(gòu)上打印的，因此這些部件的表面處理效果并不總是最好。啟用支撐屋頂"設(shè)置可以幫助解決這個(gè)問題。
支撐屋頂是支撐結(jié)構(gòu)頂部的一層致密表皮，它不會(huì)對懸垂部分的表面光潔度造成太大影響。在Cura 3D中使用復(fù)選框啟用此設(shè)置后，您將獲得更好的表面質(zhì)量。但這種改進(jìn)是有代價(jià)的，因?yàn)樵撨x項(xiàng)會(huì)使支撐結(jié)構(gòu)比平時(shí)更難移除。只有當(dāng)懸垂部分的表面光潔度對成品的功能至關(guān)重要時(shí)，才能使用此選項(xiàng)。
5、X/Y距離設(shè)置
確保您的X/Y距離調(diào)整正確（來源：Ultimaker）
有時(shí)，支撐件離模型外壁太近，會(huì)在模型外表面留下痕跡。您可以使用"支撐"部分下的"支撐X/Y距離"隱藏設(shè)置來防止這種情況發(fā)生。
Cura中的"支撐X/Y距離"設(shè)置主要控制模型垂直墻壁與支撐結(jié)構(gòu)之間在X/Y平面上的最小允許距離。如果支撐結(jié)構(gòu)損壞了墻壁或與墻壁粘連，您可以以0.2毫米的增量增加該值，直到墻壁平整為止。不過，請確保外墻沒有伸出的小懸臂，如果在支撐結(jié)構(gòu)和墻壁之間增加一點(diǎn)距離，這些懸臂就會(huì)失去支撐。
6、Z距離設(shè)置
Z距離是更容易移除支撐的重要設(shè)置（來源：Ultimaker）
為了使支撐材料在不拉開模型層的情況下干凈利落地?cái)嚅_，支撐材料之間的連接需要比模型層之間的連接更弱。Cura通過在支撐結(jié)構(gòu)的頂部和底部與模型之間留出空間來創(chuàng)建這種較弱的連接，這個(gè)空間被稱為Z間距。
您可以通過控制"Support（支撐）"部分下隱藏的Z-distance（Z間距）設(shè)置，使支撐結(jié)構(gòu)更容易分離。該設(shè)置的默認(rèn)值與圖層高度相同。因此，如果您的圖層高度是0.1毫米，默認(rèn)的Z距也將是0.1毫米。
如果您的支撐材料很難從模型上剝離，請按圖層高度的增量增加該值，直到它完全剝離為止。Cura可以在任何給定圖層上添加支撐材料，也可以不添加支撐材料。遺憾的是，沒有"半層支撐"。因此，如果層高為0.1毫米的打印設(shè)置0.2毫米的Z距離過大，而0.1毫米的Z距離又不夠，那么您就沒有Z距離選項(xiàng)了。
7、支撐類型
Cura中的支撐模式（來源：Ultimaker）
Cura以七種模式之一生成3D打印支撐材料。您可以使用"設(shè)置"部分中名為"支撐模式"的隱藏設(shè)置來更改模式。
在大多數(shù)情況下，默認(rèn)圖案"之字形"將在強(qiáng)度和易移除性之間達(dá)到最佳平衡。其他模式選項(xiàng)包括"三角形"、"線形"、"網(wǎng)格"、"同心"、"同心三維"、"交叉"，當(dāng)然還有樹形支撐。如果對默認(rèn)模式不滿意，可以嘗試使用其他選項(xiàng)。每個(gè)選項(xiàng)都能在強(qiáng)度和移除方便性之間取得不同的平衡。對于哪種策略最有效，社區(qū)的反饋意見不一，因?yàn)檫@取決于零件的幾何形狀和個(gè)人要求。
編譯整理：ALL3DP
