3D打印基础3:支撑材料

从打印机出来的打印物往往要经历各种表面处理才能可用,在这些步骤中最重要的一步就是对支撑材料的处理。
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卡卡
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很多外行人以为,3D打印该是全自动的,按下一个按钮,等着结果就行了。可是,真实中的3D打印并没有这么理想。从打印机出来的打印物往往要经历各种表面处理才能可用,在这些步骤中最重要的一步就是对支撑材料的处理。

到底什么是支撑材料 (Support Material)呢?我们首先可以回忆一下3D打印的原理,即一层层横截面叠加起来形成一个三维物体的过程。这种成形方法对于物体形态有一定的限制。试想一个上方有水平突出结构的物体,从底部一层一层打印上来,打印到物体上方突然需要打印的横截面比所有的底层多出了一大块,这时候打印头还是按照需要打印的轨迹运动,但是材料挤出后由于下方没有可以支撑它的结构,材料就会在重力的影响下下坠,轻则影响最终打印物的精准度,重则变成乱糟糟的一团完全打印失败。同样,在打印内含中空结构的物体时也会出现类似问题。


支撑材料的使用就是针对这种情况的解决方案。支撑材料有多种形式。最常见的是使用打印原材料本身,通过在悬垂形态下方生成细格状或柱状结构,使悬垂部分获得足够的支撑,在打印结束后用锉刀和砂纸等再将这些支撑结构除去。3D打印分层软件如Slic3r,Cura等都能根据要打印的3D模型来自动生成支撑结构。虽然在软件端的操作比较傻瓜化,但打印完成后支撑结构的移除并不方便,用锉刀砂纸来后期打磨既费时间又可能对最终件的尺寸精确度有伤害,还有类似中空的形态也不能通过工具来移除支撑材料。

对于某些物体形态,改变3D模型在打印平台上的放置方式可以避免支撑结构的产生

常见的支撑结构

用Autodesk的Meshmixer对3D模型生成的支撑结构

Polymaker生产了一种叫PolySupport的专门用来打印支撑结构的材料。这种材料与打印本体材料的粘合性足够强,能够提供打印所需要的支撑,但也足够弱,使得打印完成后用手就可以轻易剥除。Makerbot也有可溶解的支撑材料,这种支撑材料由于在去除过程中不需要机械工具的接触,所以对于保证最终物的精准度很有帮助,也可以打印类似滚珠轴承的内部有可活动机械结构的部件。

PolySupport

Makerbot 可溶解的支撑材料

当然,不同3D打印技术对于支撑材料有不同的处理方式。上述的解决方案主要适用于FDM (熔融沉积成形)。根据[3D打印基础] 六种3D打印技术的介绍,我们可以看出,以粉末状材料为打印原料的打印技术 (SLS/选择性激光烧结 和 喷射黏着剂)中,粉末本身就可以作为支撑,不需要额外的支撑材料。用粉末来打印完成后,打印物是埋在一堆粉末中的,也需要细心的清理工作才能使打印物达到理想的状态。

清理粉末,有点像考古挖掘

之前介绍过的Objet Polyjet打印机,利用紫外线聚合光敏树脂的方式成形,它用的是一种不同于打印本体 (树脂) 的材料来做支撑材料的。这种支撑材料与石蜡有点类似,浸入水中可以变散并部分融化,也可以用高压水枪冲洗打印物来快速清理。使用这种方法时,支撑材料完全填充打印物中的空隙,而不是有选择性地生成镂空的支撑结构,所以对于支撑材料的需求很大,价格也很高,不是一般小工作室能够负担起的。

Object Polyjet黄色蜡状支撑材料

高压水枪快速清除支撑材料

支撑材料虽然是以一种辅助材料存在,最终还要被清除,不过也有人另辟蹊径,把支撑结构独立出来,作为成品,探索一种新型的数字美学。比如Unfold的Skafaldo项目,就是把支撑材料作为主体,与其它材料结合成新的艺术品。

Unfold Skafaldo

Unfold 软件模拟支撑材料的生成

类似的还有Emerging Objects的重塑经典家具系列。他们将3D打印中的支撑结构与Eames的经典椅子结合生成带有数字感的新家具。

Emerging Objects - Meshmixed Modern

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