反重力D打印技术的一种新设想

李宏伟 党建国 张茹军

摘 要：传统3D打印技术在打印具有空架或桥状结构的打印体时需要借助支撑来使其摆脱重力的影响，反重力3D打印技术为减少或去除支撑提供了可能。本文依据现有技术，提出一种设想，借助有限元软件分析计算，结合多材料打印技术与磁悬浮技术将打印材料与磁性颗粒材料以一定的比例混合打印，实现反重力3D打印，从而达到3D打印不需支撑物的目的，并分析其应用前景。

关键词：3D打印；反重力打印；多材料打印；磁悬浮技术；新设想

1 背景介绍

1.1 目前3D打印面临的问题

3D打印，又称快速成型技术（Rapid Prototyping）或“增材制造技术”，是一种基于三维CAD模型数据，通过软件分层离散和数控成型技术将三维实体变为若干个二维平面，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品的方式，因其大大降低了制造的复杂度，被喻为“第三次工业革命”的代表性技术之一。

当我们提及3D打印机时，特别是普通桌面级FDM（Fused Deposition Modeling，熔丝沉积快速成型法）3D打印机，其通过把建好的模型离散成许多个二维截面轮廓层面，然后通过微细喷嘴将丝状的热溶性材料熔化为融状体并且通过喷嘴挤压出来，但在打印具有架空结构或桥状结构时，由于融状打印材料会受到重力的作用，因此在有些模型的打印过程中为了要保持平衡是需要添加支撑的，那么如何在不影响模型的情况下去除这些支撑呢？如果使用工具来人工去除，就需要操作者要特别小心以免损坏模型，而那些毛边则需要通过打磨抛光来进一步处理，从而增加了几个额外的步骤，间接的影响了打印效果及精度，减缓了整个作业的进程，是实现“一次成型”道路上的一道阻碍。

1.2 反重力3D打印技术的出现

现在的3D打印技术大都采用层层打印，逐层积累的方式来制造复杂外形的物体，这种打印方式只能在X和Y两个维度来实现打印立体的效果。2013年5月，一台名字叫Mataerial的3D打印机器人手臂可以在X、Y和Z 3个维度上进行打印，并且不需要借助任何支撑。它是利用热固性塑料可以在喷出的瞬间凝固的原理来摆脱重力困扰，从而实现了反重力打印。

2 目前的几种反重力打印技术分析

2.1 减少支撑物

通过改进3D打印输出软件算法，来达到不需要支撑的目的，较著名的是MeshMixer和Magics等软件采用的基于三角面片外法矢量与水平面夹角法来寻找添加支撑部位的方法，或者变为更为简单的支撑，如变原先的柱状支撑为锥体支撑，或者通过树状支撑结构设计方法，减小了支撑结构的体积，亦或通过减少支撑结构下层的体积和复杂性进一步减少了支撑结构体积。

2.2 微重力环境下进行3D打印

2016年5月12日，我国科研人员利用抛物线飞机成功进行了首次微重力环境下的3D打印实验。实验队在法国波尔多进行了93次抛物线飞行试验，用自主研发的设备和工艺成功打印了目标样品。

2.3 使用快速固化材料进行3D打印

Mataerial机械人手臂可以在任何表面依据自身独立的倾向性和平滑度打印，并且完全不需要额外的支撐，其采用了一种快速固化的树脂来实现在复杂曲线上进行打印，从而达到“反重力”的效果。其原理是根据材料本身的冷凝作用，使得材料硬化之后可以支撑住以上各层，从而实现保证质量的同时，减少了打印时间，降低了材料消耗。但是，要实现反重力，就需要再打印下一层之前有足够的时间让上一层充分硬化，因而打印的时间要比一般的打印要长的多。

2.4 采用容易去除的支撑物

在双打印头普及的今天，如果在辅助打印头中使用容易去除的材料进行支撑打印，则可以很好的解决支撑材料不易分离的难题。一般情况下，支撑结构使用的材料与模型的材料是不同的，它采用的是容易去除的材料，目前市面上3D打印机比较容易去除的支撑材料有：可以溶于水的凝胶状支撑物、可溶于碱性溶液的支撑材料、可溶于酒精的支撑材料等。采用这些特殊材料作为支撑结构的3D模型，只要把它放入水、碱性溶液或者酒精等特定溶液中，支撑便可以容易脱离，但一般这些支撑材料略贵于打印材料。

2.5 采用改进工具去除支撑物

2015年5月，3D 2.0公司在著名众筹平台Kickstarer上发布了“Retouch3D：A brand new way to finish 3D prints”，该公司创始人Phil Newman 表示“如果是加热创造了3D打印，那么加热就是将它清理干净的最佳方式”。

得力于Retouch 3D的工具头工作时接近打印头温度，在工具头接触到打印体时会很容易去除多余的支撑，还可以用它对3D打印表面缺陷稍加修补。但是这项去除支撑材料或进行修补的工作对操作人员的动手能力有一定的要求，对于比较精细的部件可能会造成无法修补，修补失误或者修补过度等问题。

3 反重力3D打印技术的一种新设想

结合以上几种反重力打印技术，文章提出一种新设想，结合多材料打印技术与磁悬浮技术将打印材料与磁性颗粒材料以一定的比例混合打印，借助计算机受力分析软件分析计算对应距离所需磁性颗粒量实现3D磁悬浮打印，从而达到3D打印不需支撑物的目的，实现了反重力3D打印。具体流程如下：

首先在三维建模软件中建立所需打印部件的三维CAD模型，将三维CAD模型数据导出到针对多材料打印的打印设计软件当中去，运用软件分层离散和数控成型技术将三维实体变为若干个二维平面，结合有限元分析软件分析计算每一平面中对应位置与对应距离所需磁性颗粒量及其分布方式和密度，导出到3D打印机里，按预先软件设计计算的结果结合多材料3D打印技术将所需打印材料和磁性颗粒以预先的比例混合输出，逐层打印，堆叠而成完成所需三维部件的打印。然后运用消磁技术消去打印部件内部的磁性颗粒的磁性。至此完成了本文中反重力3D打印实体的新设想。

4 所需技术资源

4.1 技术方面

日前，美国MIT研发出了一款可以打印10多种材料的3D打印机，该台打印机不仅能够混合打印多种材料，更能够将复杂的电子器件，电路和传感器等直接植入对象。多材料的混合3D打印方式的实现与日趋成熟为本文设想提供了技术依据。

维也纳技术大学通过一种特殊的3D打印技术开发了一种新型磁铁，研究人员使用了混合材料，包括90%的磁性颗粒及10%的聚合物粘合剂。这为打印带磁性颗粒的打印体开辟了先路。

4.2 软件方面

来自麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室将推出“Foundry”，这是一个可自定义设计各种机遇多材料的3D打印对象的软件。Foundry允许用户自由混合和匹配组合材料，并将特定属性分配给特定对象，或者通过不同“操作”创造新对象。而目前的许多有限元分析软件都可以对磁悬浮技术受力分析提供分析计算依据和模拟运行环境。

5 应用前景

（1）反重力3D打印物体的精度相较于普通需要支撑的3D打印物体更高，对于一些对打印物体精度要求相对较高的场合，反重力3D打印具有明显的优势，特别是在一些微小部件的制造、医疗器械等方面有很广阔的应用。

（2）反重力3D打印相较于需要支撑的3D打印更加节省时间，由于不需要打印支撑物，不仅在节约了材料的同时节省了后续的清除支撑材料、修补打印表面所需要的时间，也进而提高了效率。是真正的一次成型技术，实现了打印的快速性和便捷性。在需要3D打印一次成型的场合下具有相当的前景。

（3）反重力3D打印在加速中国制造2025和与世界工业4.0的顺利接轨中起着举足轻重的作用，一次成型技术的完美实现在提高了生产效率的同时，也在工业4.0要求下的智能制造和智能工厂的实现与转变过程中发挥着重要的作用。

6 结束语

反重力3D打印技术的出现为真正意义上的一次成型技术的实现奠定了基础和发展的方向，不管是原先存在的方法，还是文章中所提出的设想，都是对于反重力3D打印的一种探索，由于能力有限未能做进一步的改进和验证，希望本文能够对反重力3D打印技术的发展有些许帮助。相信反重力3D打印技术的日趋完善，必将会对当今的社会各方各面产生深远影响。

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（作者单位：中北大学 朔州）