3D打印再无支撑 科技进步还是无稽之谈

（原标题：3D打印再无支撑 科技进步还是无稽之谈）

【中关村在线办公打印频道原创】3D打印机的神奇之处在于，能够将复杂的设计通过层层叠加的方式打印出立体实物来，然而很多人却不知道，并不是所有物体都可以打印成功，一些复杂模型要想成型是离不开支撑的。因为从力学角度分析，立体物之所以能够存在，很多部分是需要支撑点的。

3D打印再无支撑 科技进步还是无稽之谈

当你拥有一台3D打印机的时候就会明白，去除支撑是多么地令人沮丧和费时费力。作为一名有3D打印机操作经验的人，我有一个不好的习惯，那就是只喜欢3D打印不需要支撑结构的3D对象，说实话，很讨厌每次打印完了还得费劲去收拾清理。当然不是每个人都像我一样，有些人就很享受花几个小时用刀、砂纸或者其他工具去掉支撑材料。不过，在去除支撑的时候，由于力度把握不好，很容易伤到打印对象，以至于其他很多人都像我一样，很怕听到“支撑”这样的字眼。

如此难去除的支撑结构，让我如何是好？

玩过3D打印机的朋友们都有一个困惑，当复杂的模型被打印出来以后，如何掰掉支撑的确是一件让人头疼的事，用力太小吧，怎么也掰不掉，用力过大吧，会把模型弄坏，比如一个相对比较复杂的模型，费了九牛二虎之力都打印出来了，到头来却毁在最后一关：去支撑！难道不觉得可惜吗？那么，有没有一种非常轻松省事的办法，从此摆脱支撑的困扰呢？

●解析：3D打印为什么需要支撑结构

    不知道大家有没有想过一个问题：被打印物体的模型为什么要加上支撑结构呢？这里还得从物理学上来解释。由于地球具有很强的引力，任何置于地球的物体都无法摆脱重力的束缚，而单一的物体，如果重力过大，而支撑面又太小，就无法保持自身的平衡，这个时候就需要增加支撑点来抵消重力。

地球上的物体受力原理（图源：baidu）

比如，一个重量较大的物体，与地面的接触面积过小时，往往是立不住的，容易倒下，这也是我们在一堵危墙之下增加一根柱子的原因所在。再比如古代的建筑，像皇宫，由于本身的建筑主体过大，受到重力的影响，如果没有支柱，真不知道它的稳固性怎么样？所以，在打印模型中添加支撑结构，跟这个是一样的道理。

古代建筑需要顶梁柱来支撑庞大的建筑主体（图源：fengniao.com）

位于布拉格的宫殿 布满了石柱（图源：blog.163.com）

层层叠加成型的技术（3D打印技术）原理要求模型的上层结构要有下层部分的支撑，所以，被打印模型的某些部位如果是悬空的，打印的时候就需要设计支撑结构。

●3D打印模型支撑结构该如何选择？

为3D模型添加支撑结构有两种方式：一种是在三维制图软件中手动添加，还有一种是导入3D打印机操作软件中自动生成。

有些模型的支撑可通过3D打印软件自动添加

手动添加支撑容易受到人为因素的影响，所以模型打印质量没保证

手动添加支撑比较麻烦，而且还存在一些缺点：由于受人为因素的影响，支撑添加的质量取决于设备操作人员的经验和责任心，所以支撑添加的质量难以保证，而且手动添加支撑也不太灵活，一些参数需要改变。因此，手工添加支撑的方法应用很少。

STL格式的文件

支撑的自动生成技术有三种：基于STL格式文件的支撑自动生成技术，基于层片信息的支撑自动生成技术，基于扫描线的支撑自动生成技术。简单来说就是，添加支撑前的模型状态有STL、Gcode、扫描文件等三种，相较于手动添加支撑，自动添加支撑要简单多了。但有些时候我们却不知道什么时候该用什么样的支撑类型，因此也浪费了很多宝贵的时间。一个模型的支撑居然引起了这么多麻烦事，那么，我们是否可以大胆想象一下：能不能让3D打印从此再无支撑困扰？

●波音公司研发空间悬浮3D打印技术

随着全球对3D打印技术研究的不断深入，各种相关技术也在不断涌现，近日，航空巨头波音公司研发了一项新的3D打印技术：空间悬浮3D打印技术。该技术最大的亮点在于，被打印物体会处于悬浮状态，并且能够360度自由旋转。这样，即便周围有很多台3D打印机，也不用怕任意堆叠材料了。有了这种技术，就完全破处了对某些形状的3D打印限制，可实现一些复杂零部件的整体3D打印。

波音公司研发的空间悬浮3D打印技术

这项专利由波音在2014年7月29日提出，刚刚于不久前的2016年2月4日由美国专利商标局公布，它涉及到了许多新技术，比如反磁性材料、磁力控制等，虽然目前只是一个概念，但是一旦这个概念获得成功，将对3D打印行业产生革命性的影响。

3D打印材料是可以旋转的，3D打印机甚至可以将材料添加到对象表面的底部

看到这里，您的第一反应可能就是，这种“悬浮”技术非常适在太空使用。我们都知道，作为地球上的任何东西，都无法摆脱重力的束缚，所以在打印物体时，就需要一个打印床作为支撑，以自上而下的方式打印物体，而波音公司的这项技术将彻底摆脱这种限制，有了这项技术，被打印物体的每个部分都是悬浮的。这就意味着，今后的3D打印物体可能再也不需要支撑结构了。

磁悬浮需要“超级冷却物体，然后将其置于磁场中，用磁力来控制。”

那么，这项技术中最关键的部分——悬浮是怎么实现的呢？波音公司给出的说法是：声悬浮、磁悬浮、量子悬浮，以及静电悬浮。其中的磁悬浮需要“超级冷却物体，然后将其置于磁场中，用磁力来控制。”整套系统将大量采用自动化控制，能感知到物体的空间位置，然后基于此对其进行操控和稳定。

空间悬浮3D打印技术原理简图

显而易见，这种技术与我们之前见到的3D打印技术都不同，它利用多个打印机同时挤出具有抗磁性的材料，而且这种材料在进行超级冷却以后会变成超导体。实际上，由于3D打印对象被磁场支持着，打印机可以将材料沉积在对象的任何一边，传统的3D打印机只能进行自上而下的打印，空间悬浮3D打印技术完全可以不受这种顺序的束缚。

●看真空状态下如何进行3D打印？

有3D打印机实际操控经验的人都知道，对于复杂模型来说，打印之前我们会利用软件在模型上加上各种支撑，目的是为了让打印出的物体更加完美。显然，一个不加支撑结构的物体，打印出来质量就差远了。而空间悬浮3D打印技术的出现完全颠覆了原有的打印操作，将来的某一天，我们在用3D打印机制造复杂几何形态的时候，可能再也不需要支撑材料的帮助了。试想一下，一个物体，悬浮在空中，无论你用FDM技术、SLA技术还是SLS技术，它都能稳定地保持着自己在制造过程中的结构。

真空状态下，打印材料会漂浮在打印平台上，通过空间悬浮3D打印技术将其融化，然后喷嘴、激光束或者UV光线在打印每一层的时候，物体会跟着同步进行旋转和位移，最后打印出新的复杂结构。简单理解就是，之前打印是通过移动打印头的方式来实现物体的打印，悬浮3D打印技术将改变这种状态，改成喷头不动，让模型自己动起来。

打印的模型通过反重力装置悬浮，在打印之初就需要设置好模型的参数，包括模型的大小、表面特征、打印角度、打印速度、层厚等，当完成模型的打印之后，你就可以把模型从失重状态下的打印舱中取出来。这听起来似乎有点不现实。不过，我们可以大胆想象一下，让一切变得可能才是所有创新发明存在的意义所在！如今，全球最新的三项打印技术，正在指引我们无限接近上文中描述的想象。

●反重力3D打印技术无需任何支撑

现在的3D打印技术受到重力的限制，只能在水平操控平台上完成打印，来自西班牙加泰罗尼亚高等建筑学院（IAAC）和荷兰阿姆斯特丹Joris Laarman工作室的一群科研人员研制出一种名为“MATAERIAL”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。

“MATAERIAL”反重力3D打印技术（图源：zhihu.com）

由图可见，这个机械臂不像3D打印器械，反倒像建筑工地上面的打桩机，仔细观察其打印轨迹便可发现，打印物不是立在某一水平面上，而是悬浮在空中！通过中和重力的影响，该团队突破了现有的3D打印物理极限，实现了任何角度任何方向上的打印。尽管打印也需要一个支点，但是，跟现有的技术相比，已经是很大的进步了。

“MATAERIAL”技术用三维曲线代替二维打印层（图源：zhihu.com）

“MATAERIAL”是一种全新的加层制造技术。此前的夹层制造技术受到重力和打印环境的影响，无法在不规则和非水平的表面完成打印。而这种技术通过新型挤压技术，用三维曲线代替二维打印层，三维曲线可以很好地符合打印结构的应力线，让3D打印更加灵活。

 MATAERIAL技术的出现，使得无需支撑材料即可实现3D打印（图源：zhihu.com）

MATAERIAL技术的出现，使得无需支撑材料即可实现3D打印，通过新型挤压技术，打印出来的曲线不受重力影响，从而可以打印出悬空的结构。由于摆脱了重力限制，这种工艺可以在任意表面进行3D打印，用3D曲线代替2D打印层，可以更好地控制制造过程。这种技术可让用户在打印材料中注入彩色燃料，并控制颜色的打印路径。

●无锚选择性激光烧结的去支撑化

如果把3D打印平台比成一片海洋，那么，3D打印里的支撑就像一个“锚”，船舶只有通过抛锚才能实现位置的固定，打印也一样，只有具备稳定的支撑结构，打印出来的模型质量才够高。

激光烧结过程（图源：extremetech）

位于英格兰第四大城市谢菲尔德市的谢菲尔德大学增材制造研究中心（ADAM）的Neil教授和他的团队已经开发出一种新的激光烧结技术，通过把低温熔体金属粉末烧结成3D打印模型，进而摆脱支撑对3D打印结构的束缚，这种技术被称为“无锚的选择性激光烧结技术”。

无锚的选择性激光烧结技术基于冶金学中的“低共熔合金”技术，这种合金会在一个较低的温度（低共熔点）急剧凝固，举个例子，铝的熔点是660摄氏度，硅的熔点是1414摄氏度，但是，硅铝合金的低共熔点只有577摄氏度。如果它们能够进一步加快这一硬化过程，再复杂的几何形态，在应力点上都可以免去支撑结构。

“低共熔合金”技术简图

上图显示了“低共熔合金”技术的简略过程：先加热粉床，混合两种粉末；激光将两种粉末烧结成新的共熔合金；最后把粉床温度控制在低共熔点温度上，保持模型温度均匀冷却。

模型需要依靠支撑结构进行构件是3D打印过程中一个很大的障碍，支撑就好比是一个“锚”，模型的打印需要围绕这个锚点来进行构建，只有这样，机器才能打印出悬伸出去的部分，无锚选择性激光烧结技术改变的就是传统的打印方式，打印过程中，为了转移或者减小某一结构上过大的压力，通常需要增加一个锚点（即支撑点），无锚选择性激光烧结技术正好在低温状态下急速固化模型以减轻压力。

●分布式凝胶打印技术的悬空打印

以色列公司MASSIVit 3D针对大型物件，研发了一种独特的3D打印技术，尤其适合需要很多支撑的悬挑和多角的结构。

分布式凝胶打印技术所用的打印机需要一个可移动的起重机来辅助紫外光源照射光敏材料，一旦紫外线照射到某个区域，该区域内的光敏性凝胶就会快速固化成坚硬的聚合物，结合MASSIVit 3D公司专有的软件和特殊光敏性凝胶，分布式凝胶打印技术可以在没有支撑的环境下轻易打印模型的直立墙壁和天花板。

如果把FDM机器的喷头想象成一个UV灯，这个灯沿着打印路径飞快移动，固化路径上的凝胶。分布式凝胶打印技术融合了FDM和SLA技术的双重优点，它使用类似于FDM的工作方式，以SLA的工作原理进行打印。

SLA成型技术原理

说到这里，需要补充一点。SLA是“Stereo lithography Appearance”的缩写形式，即立体光固化成型法。其工作原理是使特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，被聚焦的地方形成固体未被聚焦的地方依旧是光敏树脂液体形态。以此往复，直至最终成品出现。作为高新的SLA成型技术有着FDM成型技术无可比拟的优势，其打印出的物体相对于FDM技术质量较高、物体表面较为光滑。

FDM的工作方式：立体模型的打印（如右图）

FDM是“Fused Deposition Modeling”的简写形式，即为熔融沉积成型。通常2D打印是在一张纸上（一个平面上）完成打印（左图），而3D打印是完成一个立体模型的打印（右图）。FDM，通俗来讲就是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。

总结：3D打印技术本身就是一项非常节省成本的工艺技术，如果能实现3D打印的无支撑化，将实现制造业真正的“零损耗”，因此，为企业节省巨大的能源、材料和时间成本是这一技术最大的价值。

  3D打印也是一项非常酷炫的技术，而去除支撑的过程总让人相当郁闷，如果这种无支撑3D打印技术得以应用，那将意味着消费者从此以后再也不需要在模型的后期处理上花大量时间和精力，所以，我们对这种技术的实现还是非常期待的。