3DPrintStory    Процесс 3D печати    Суппорты в 3D печати

Суппорты в 3D печати

В статье рассмотрено предназначение суппорт-структур в 3D печати, когда необходимо их использовать и как суппорты отражаются на качестве и цене ваших изделий.

Вступление

Так как во время 3D печати модель формируется слой за слоем, необходим предыдущий слой для формирования нового. В зависимости от сложности 3D модели и специфики используемых технологий 3D печати, может появиться необходимость использовать специальные структуры для поддрежки - так называемые суппорт структуры (англ. - support structures).

Важно понимать, что суппорты напрямую влияют на качество конечных изделий. В первую очередь это отражается на финишной обработке, так как они требуют пост обработки для удаления, что приводит к неровностям на поверхности напечатанной 3D модели.

Ниже рассмотрены суппорт структуры, их воплощение в разных технологиях 3D печати и то, как они влияют на процесс разработки 3D модели.

FDM суппорты

Моделирование методом послойного наплавления (англ. - Fused Deposition Modeling - FDM) заключается в том, что расплавленный пластик подается через сопло экструдера, который движется по заданной траектории. По мере подачи материала он охлаждается, формируя застывший слой, который будет основанием для следующего слоя. Этот процесс повторяется слой за слоем, пока модель не будет полностью напечатана.

Когда необходимы суппорты во время FDM печати?

Во время FDM печати пластик ложится на нижний слой и вокруг него. Каждый слой формируется на некотором удалении экструдера от предыдущего. Благодаря этому модель может формироваться с углами до 45°. Но если угол наклона больше 45°, вам однозначно понадобятся суппорты.

Мосты (bridges) и суппорта

Правда, есть и исключения. Материал может растягиваться на небольшие расстояния. Этот метод называется bridging (формирование моста). Мосты дают возможность не использовать суппорты. Если мост длинной более 5 мм, могут опять появиться проблемы и в таком случае нужно использовать суппорты.

ABCs (или YHTs) примеры суппортов

Давайте рассмотрим буквы Y, H, и T и соответствующие 3D модели.

  • Верхняя часть буквы Y напечатается без проблем. Даже несмотря на то, что "руки" направлены вверх, их угол меньше 45°, так что дополнительные суппорт структуры не нужны.
  • Буква H - более сложный случай, но если центральная перегородка меньше 5 мм, можно попробовать напечатать ее без суппортов. Если же больше 5, дополнительные суппорты однозначно понадобятся.
  • При 3D печати буквы T суппорты необходимы.

На рисунке ниже приведены буквы YHT с суппортами, обозначенными светло-серыми линиями.

Напечатанные с суппортами буквы Y, H и T показаны ниже.

На рисунке ниже показан результат 3D печати буквы Т без суппортов. На поверхности значительные неровности, в результате модель сформирована некорректно.

Недостатки использования FDM суппортов

Один из основных недостатков использования суппортов - необходимость постобработки. В результате поверхность, находившаяся в контакте с суппортами может быть повреждена. Качество этой поверхности будет значительно хуже и потребует дополнительной обработки. Если части модели небольшого размера, будет сложно удалить суппорты, не поломав ее.

Естественно, суппорт структуры потребуют использования дополнительного матирала, что выливается в большую цену изготовления изделия. Отдельно стоит учесть время, которое понадобится для удаления суппортов и постобработки изделия, так как это тоже деньги.

Сколько суппортов необходимо для FDM печати?

В примере ниже необходимы суппорта, расположенные в самом узком, практически горизонтальном положении арки. 

На рисунке ниже показана "Сфера в кубе" - пример, в котором необходимо большое количество суппорт-структур. В этом случае удалять суппорты будет сложно. Для этого наверняка понадобятся напильник. Стоит быть осторожным и постараться не зацепить поверхность модели рядом с суппортом. Отдельная проблема возникнет при чистовой обработке детали после удаления суппорта.

Модель выше невозможно качественно реализовать с помощью FDM печати без суппорта. В этом случае не стоит обращать внимание на стоимость и дополнительно потраченное время.

Два типа FDM суппортов

FDM печать предполагает два типа суппорт структур, которые показаны на рисунке ниже. Слева пример суппорта типа "аккордеон", справа - "дерево" (англ. - "accordion" и "tree" соответственно).

Первый вариант, напоминающий плоский аккордеон, самый распространенный и лучше всего подходит для FMD 3D печати. Второй тип используется не так часто, но у него есть преимущество - контакт с поверхностью модели меньше, соответственно, готовую модель будет проще обработать.

На фото ниже показана напечатанная 3D модель с удаленными суппортами типа "аккордеон".

Растворимые суппорта

На 3D принтерах с двумя печатающими головками можно использовать специальный растворяемый материал для суппортов. После печати модель помещают в соответствующий химический раствор, который растворяет суппорта, но не повреждает само изделие. Поверхность модели будет гораздо качественнее, но при этом изготовление будет дороже и займет больше времени. Подобные суппорта можно напечатать на 3D принтерах Ultimaker 3, используя PVA материал для суппортов.

SLA и DLP суппорта

Стереолитография (SLA) и цифровая обработка светом (DLP) - процесс формирования 3D модели из фотополимера с использованием источника света для формирования твердой модели.

В каких случаях необходимы суппорта во время SLA и DLP печати?

Для того, чтобы модель хорошо сцепилась с основанием во время SLA и DLP печати, суппорты необходимо использовать практически всегда. Суппорт-структуры делаются как можно тоньше, они сужаются к моменту контакта с изделием, чтобы сохранить материал и сократить время печати. Количество суппорт-стоек, их расположение и конфигурация рассчитываются в софте и зависят от формы, ориентации и веса напечатанного изделия.

SLA и DLP - одни из самых точных технологий 3D печати, дающие возможность напечатать мельчайшие изделия с высокой точностью. При качественной постобработке детали использование суппортов не особо влияет на качество изготовленной 3D модели.

Удаляем суппорт-структуры после SLA и DLP печати

Сначала для очистки используется изопропиловый спирт. Суппорты можно просто отломать или отрезать щипцами. После удаления суппортов остаются неровности, которые зачищаются.

Особенности расположения суппортов при SLA и DLP 3D печати

Ориентация детали играет очень важную роль в расположении суппорт-структур во время SLA и DPL печати. Всего лишь поменяв ориентацию изделия вы можете значительно сократить количество суппорт-структур и, соответственно, уменьшить стоимость печати. Ориентация модели также влияет на места расположения суппортов. Если у вас изделие со сложной конфигурацией, с большим количеством тонких или мелких деталей, вы можете разделить модель на несколько частей и после печати соединить их (придумать механизмы для фиксации или просто использовать клей).

На фото ниже показано напечатанное изделие с остатками от суппорт структур

Суппорт структуры для Material jetting (PolyJet)

Распыление материала (англ. - Material Jetting) - это технологии, которые по принципу действия напоминают обычную печать чернилами. Но вместо чернил в этих 3D принтерах подается жидкий фотополимер, который в дальнейшем подвергается световому облучению.

Когда необходимо использовать суппорта при PolyJet печати?

Суппорта используются во всех случаях, когда есть пересекающиеся части модели, вне зависимости от углов. Суппорт структуры могут быть растворимыми в воде или их можно удалять с помощью напильников, ультразвуковых ванн или с помощью пескоструйной обработки. На рисунке ниже показан процесс удаления суппорт структур после PolyJet печати.

В отличие от FDM 3D печати, суппорт структуры не влияют на качество или технические характеристики готового изделия. После постобработки отличить части модели с суппорт структурами и без них практически невозможно.

Особенности и ограничения PolyJet печати

Во время пост обработки модели используются пескоструйные установки, обработка водой под давлением. Эти технологии требуют определенных правил использования, чтобы не повредить модель.

Если в вашей модели есть хрупкие части, рекомендуется использовать лазерное спекание (SLS).

Суппорт структуры для SLS 3D печати

Выборочное лазерное спекание (англ. - Selective Laser Sintering (SLS)) использует лазер для формирования 3D модели. При SLS печати нет необходимости использовать суппорт структуры, так как сам спеченный блок является суппортом. Это дает возможность изготавливать модели любой конфигурации и сложности, но при этом значительно увеличивается время и стоимость изготовления. SLS печать требует дополнительного времени для охлаждения и последующей пост обработки модели, которая состоит из нескольких шагов, в том числе и обдува модели воздухом под высоким давлением.

Суппорты для Binder jetting

Стрйна связующая печать (англ. - Binder jetting) печать похожа на SLS, но вместо лазера для спекания слоев используется вяжущее вещество, которое подается из экструдера. Как и в случае с SLS 3D печатью, нет необходимости использовать суппорт структуры, но пост обработка занимает много времени.

Суппорты во время печати металлом

Во время 3D печати металлом, суппорт структуры рекомендуется использовать во всех случаях. Можно попробовать напечатать модель без суппортов, если угол наклона меньше 35 градусов. При этом важно помнить, что суппорт структуры в металлических моделях должны быть легко доступными, чтобы их можно было удалить во время пост обработки. На фото ниже показаны напечатанные из металла изделия, прикрепленные к столу с помощью суппорт структур.

Использование суппортов во время печати металлом не влияет на качество готового изделия. Соответствующая пост обработка поможет удалить все остатки суппортов с модели.

Итоги

В таблице ниже подведены итоги по необходимости использования суппортов для разных технологий 3D печати:

Тип 3D печати
Необходимость суппорт структур
FDM
Зависит от геометрии модели
SLA и DLP
Зависит от геометрии модели (почти всегда)
SLS
Никогда
PolyJet
Всегда, но легко удаляются
Binder jetting
Никогда
Печать металлом
Всегда

Суппорт структуры влияют на качество изготовленной детали (кроме случаев использования Polyjet технологии). После удаления суппортов, необходима дополнительная пост обработка.

Чем больше суппорт структур вы добавляете, тем сложнее конфигурация модели. Количество суппорт структур может быть оптимизировано (ориентация детали, требуемый уровень точности изделия) для уменьшения стоимости и времени 3D печати.