據悉，增材製造（AM）工藝需要使用支撐件來印刷具有懸垂特徵的零件。這些使用相同或不同材料的附加支撐物是材料的浪費，因為它們需要在3D列印過程之後移除，並且無法重複使用。這對於基於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AM中與支撐相關的挑戰。
增材製造（AM）技術使用基於層的製造工藝。印刷材料只能沉積在現有表面的頂部。對於具有懸垂結構的三維（3D）複雜零件，此限制是有問題的，因為如果沒有直接在懸垂結構下方的支撐，則無法列印此類懸垂。諸如熔絲製造（fused filament fabrication， FFF）和立體光刻裝置之類的增材製造工藝透過為懸垂物建立額外的支撐結構來解決此問題。3D列印的支援物可以使用相同或不同的材料，例如水溶性材料甚至是冰。但列印完成後，這些支撐物必須手動取下，可能導致形狀不正確或表面粗糙。支撐物製成的材料通常無法重複使用，因此被丟棄，這加劇了3D列印廢料的問題。因此，支撐件的生成對於AM技術來說是一個關鍵問題，因為3D列印的支撐件會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方案都是基於幾何的方法。這些方法可以分為三類。對於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積。除了支撐體積之外，這些研究還考慮了其他幾個方面，例如表面質量、製造時間、零件精度或接觸面積。第二種方法是透過修改CAD模型本身來減少3D列印的支撐。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支援量約束的拓撲最佳化方法。另一種直接的方法是將3D模型分成多個小塊，以減少所需的支援，並減少可能超過列印托盤大小的大型模型的列印時間。但是，這兩種方法都需要更改構建方向或手動組裝多個小零件，這對於許多應用程式可能是成問題的。在該項工作中，我們假設輸入的CAD模型不會被修改；同樣，使用者已經選擇了模型的構建方向，並且不會更改。
最後一種方法是透過開發更好的支撐結構並最佳化支撐的佈局來減少3D列印的支架。最常見的支撐形狀是垂直的固體壁狀結構，該結構連線傾斜角度大於閾值（例如，在像MakerBot和Simplify3D之類的商業軟體系統中使用的45o）表面小平面的垂直固體壁狀結構。這種型別的支撐以增加列印時間和材料為代價來確保可靠性，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採用密度可變的蜂窩狀結構以減少支撐體積。與經典的外部支撐物接觸建築平臺不同，來自義大利羅馬大學的Cacace等人提出了一種演算法，該演算法將所有外部支撐轉換為內部支撐，並將支撐的兩端連線到零件本身。因此，減少了支撐體積和列印時間。但是，該方法僅適用於倒角特徵。對於懸臂特徵，此方法的材料消耗比傳統外部支撐的材料消耗大。
無論支撐結構和佈局如何最佳化，3D列印的支撐都是材料的浪費，因為它們必須被移除，並且在列印過程之後不能被重複使用。此外，對於材料擠出過程，印刷速度由於印刷這些支援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3D列印（如FFF工藝）的支撐結構，它由一組柔性針陣列組成，以減少3D印表機列印這些浪費的支撐物的需求，從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，相關成果2021年發表在Additive Manufacturing上。
圖1。 體操運動員測試用例。（a）。 具有可重複使用支援的列印結果。（b）。 沒有可重複使用支援的列印結果。（c）。 移去支撐物後的裝配體。（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（列印時間：37 s；擠出長度：11 mm）。
圖4。 使用可重複使用的支撐物的FFF過程的剖檢視。（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） 由於插入的管子而使金屬銷釘從活動片上脫離；（e，f） 金屬銷的最終狀態。
使用融合沉積建模（FDM）工藝的傳統3D列印可直接在靜態金屬表面上逐層列印。相反，新的原型使用由可移動金屬銷釘製成的可程式設計，動態控制的表面來代替印刷的支架。隨著印表機逐步構建產品，銷釘會上升。陳教授表示，透過對新原型的測試表明，它可以節省大約35％的用於列印物體的材料。
陳教授與生物醫學醫生一起工作時，他們使用生物材料進行3D列印以構建組織或器官的。他們使用的許多材料非常昂貴，每個小瓶子的價格在500美元到1000美元之間。對於標準FDM印表機，材料成本約為每公斤50美元，但對於生物列印，則更是約為每克50美元。因此，如果我們可以節省用於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生物醫學目的的3D列印。
此外，除了材料浪費對環境和成本的影響外，使用支撐物的傳統3D列印工藝也很耗時。當進行3D列印複雜形狀時，一半的時間用於構建所需的零件，另一半的時間用於構建支撐。因此，對於研究人員開發的該系統，不需要重複構建支撐件，在列印時間方面，節省了大約40％時間。
過去開發的類似原型依賴於單個電動機來提升每個機械支架，從而導致能源密集型產品的購買成本也高得多，因此對於3D印表機而言並不划算。
研究團隊的新原型機是透過移動平臺的單個電動機執行其每個單獨的支撐架來工作的。該平臺可同時舉起多組金屬銷，從而使其成為具有成本效益的解決方案。根據產品設計，該程式的軟體會告訴使用者他們需要在平臺的基礎上新增一系列金屬管的位置。然後，這些管的位置將確定哪些銷將升高到定義的高度，以最好地支撐3D列印產品，同時還從列印支撐件中產生最少的浪費。在該過程結束時，可以輕鬆卸下銷，而不會損壞產品。
▲圖5。 原始佈局和最佳化佈局之間的3D列印支援比較。紅色部分代表3D列印的支援。每個金屬銷都有一定的XY尺寸和可達到的Z高度，並且不能與給定的CAD模型相交。（a） 佈局最佳化之前的模型。（b） 佈局最佳化後的相同模型。（c） 佈局最佳化之前的橋樑模型。（d） 佈局最佳化後的橋樑模型。
▲圖6。 具有可重複使用支援的原型系統。（a） 可重複使用載體的第二層和第三層片材。（b） 具有可重複使用支援的經過修訂的FFF 3D印表機。（c） 建築平臺由11 x 9的金屬銷釘定義。
▲圖7。 列印測試用例的結果。具有可重複使用支援的四懸模型的列印結果；清理後的3D列印零件；（c）具有可重複使用支援的橋樑模型的列印結果；（d）清理後的印刷橋；（e）具有可重複使用支援的茶壺模型的列印結果；（f）沒有可重複使用的支援的茶壺的印刷結果；（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援的頭盔的印刷結果；和（j）比較（h）和（I）中的支援材料。
陳教授表示，該系統還可以輕鬆地應用於大規模製造，例如汽車，航空航天和遊艇行業。人們已經在為大型汽車和船體以及諸如傢俱之類的消費產品製造FDM印表機。可以想象，本來這些產品的製造時間是一整天。如果使用該方法可以節省一半，那麼製造時間可以減少到半天。使用該方法可以為這種型別的3D列印帶來很多好處。
該團隊最近還申請了這項新技術的專利。該研究是由曾任南加州大學計算機科學與通訊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共同撰寫的。
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