4分钟高频振动去支撑！金属3D打印最费人的工序开始自动化

一块金属零件从3D打印机里出来，真正费人的时候往往才刚开始。 工程师要把附着在表面的金属支撑一根根剪掉、敲掉、磨掉。 碰上细小结构或者工具伸不进去的位置，打印几个小时，后处理可能还要再折腾几个小时。 Fraunhofer IAPT最近换了一种办法。 他们把打印件连接到超声系统上，不锯、不切。 据悉，超声振动会被传入零件和支撑，通过针对零件设计的振动方式和支撑结构，在连接处制造局部高应力，让支撑自行脱落。高频机械振动自动去除金属3D打印支撑。振动从右侧输入试件，部分支撑已经脱落

去支撑的核心：打印时必须牢固，打印完必须好拆

金属3D打印里的支撑，并不只是简单托住零件。 以激光粉末床熔融为例，金属粉末在很小的区域里快速熔化和凝固，局部温差很大。 支撑除了托住悬空区域，还要帮助限制零件在打印过程中翘曲和变形。 所以它不能太弱。 可一旦打印完成，这些刚才还必须足够结实的金属，立刻全部变成需要清理掉的东西。 人工用钳子和凿子最灵活，可以一边观察一边判断哪里能使劲，哪里不能碰。 但代价是需要很多人力。 速度取决于人，最终表面状态也取决于人。 此前的研究指出，支撑去除仍然是金属增材制造中重要的人工后处理环节之一。 支撑既影响制造成本，也影响整个流程能不能真正连续运行。 本文分享的方案，实际上绕开了一个旧思路。 它没有去造一把更加聪明的后处理工具。 核心思路是能不能让支撑从设计出来的那一刻起，就知道自己以后应该怎么从零件表明断裂。

研究团队设计的不同支撑结构。既有普通圆柱形，也有改变质量分布的锥形支撑，还包括单端和双端连接形式。

反常识：支撑并不是越细越容易震掉

2025年，IAPT团队已经用Inconel 718做过一轮系统实验。 实验设备给零件输入大约35kHz的高频振动，换能器本身的振幅只有约1至3μm。 这个位移小到肉眼几乎看不出来。

真正让支撑断裂的并不是设备在猛烈摇晃零件，而是支撑自身结构被激发共振。

Fraunhofer IAPT此前搭建的实验系统。1为频率发生器，2为换能器，3为测试件。实验中换能器工作在约33至37kHz区间。

研究人员做了不同粗细和形状的支撑。

直径约0.5毫米的细支撑，反而并不好拆。

原因在于它太软。 高频振动传过来以后，支撑先发生弹性弯曲，大量能量被这种摆动吸收掉了，真正集中到连接点上的力反而不够。 更粗一些的支撑表现却完全不同。 研究团队把部分支撑的初始直径增加到1毫米，同时改变支撑的锥度和质量分布。 高频摄影显示，这些结构更容易让振动直接作用在连接区域，从而进入能够产生断裂的状态。

可以看到上图中0.5毫米和1毫米支撑在相同激励下表现出完全不同的运动状态。

较细支撑主要发生弹性弯曲，较粗且经过质量分布设计的结构更容易把能量集中到连接区域。

结果是采用优化质量分布、初始直径1毫米的锥形单端支撑，在部分测试中，没有设置专门预断点，也能在最初3至4分钟内全部去除。 反之，一些较细支撑振动一两分钟后会掉一部分，但大约5分钟后就不再继续脱落。 所以真正重要的问题变了。 以前设计支撑时，工程师主要问它能不能更好的让零件成功打印出来。 现在还需要多问一句：

打印结束以后，它能不能根据震动激发自己更容易脱离零件。

下图可以看到同一试样振动前、振动4分钟后和最终状态。经过质量分布优化的1毫米锥形支撑在实验中实现了完全去除。

超声发生器不是全部解

看到这里，很容易产生一个判断。 既然35kHz能把支撑震下来，给金属3D打印工厂配一套超声系统不就行了。 没有这么简单。 振动从换能器产生以后，还要经过连接件、夹具，再进入零件。

只要中间某个接口松动，能量就可能在到达支撑之前被耗掉。 研究人员曾经用热像仪观察连接区域，结果发现，固定方式不理想时，螺纹和适配器位置会明显发热。 这意味着机械能在那里已经被摩擦消耗掉了。 后来团队减少容易松动的连接件，使用自锁结构，并改善接触面的平整程度，才明显降低能量损失。

下图显示了热成像记录的能量损失。

左侧为固定不足时，连接区域明显发热，右侧优化固定以后，能量损失明显降低。

这意味着通过高频振动自动去支撑不仅取决于频率，也取决于夹具和能量传递。

Fraunhofer新研究提出，要把针对具体零件的振动激励和专门设计的支撑结构结合起来，让支撑在连接位置产生局部应力峰值，并在几分钟内脱离。 他们此前提交的相关PCT专利，把这个思路写得更具体。 不同零件可以使用不同频率，系统可以扫描一段频率范围。 部分支撑脱落以后，整个零件的振动状态发生改变，还可以继续换频率。 专利还考虑了内腔残余粉末对振动状态的影响。 这已经不是简单的超声设备问题。 AM易道认为，它正在变成一套针对零件的定制化去支撑算法。 哪里夹持，支撑做多粗，质量放在哪里，先输入什么频率，振多久，再切换到什么频率，都可能需要在上机打印之前就算好。

现在还不能进入工厂应用

泼点冷水。 3至4分钟的完整去除结果，来自特定尺寸的In718测试件，也只代表其中一类支撑结构。 在同一项研究中，两端都连接在零件上的支撑，去除效果明显更差。 研究团队还发现，振动进入零件以后，零件本体自己也会振。 如果大量能量被整个零件的运动吸收，真正到达支撑连接处的能量就会减少。 材料换成钛合金或者铝合金如何？ 零件从几十毫米放大到几百毫米以后怎么办？ 零件内部有复杂流道，甚至还有残留粉末时怎么办？ 现在都不能直接从实验得到答案。 还有一个更现实的问题。 支撑掉下来，并不代表表面就已经满足最终使用要求。 研究人员使用显微设备观察振动去除后的连接位置发现，支撑断口尺寸会直接影响残留表面的状态，因此连接区域本身也需要被重新设计。

下图可以看到振动去除支撑以后连接区域的显微表面。

连接截面越小，断裂区域和后续表面状态也会发生变化。。

虽然还有很多需要解决的问题，但和人工处理相比，这条路线在我们看来是非常值得继续研究的。 研究人员分别用凿子和钳子人工拆除相似支撑。 显微观察可以看到残余的小支撑，以及凿除过程中出现的局部表面损伤（下图左侧）。

在实验条件下，研究人员测得的振动处理表面整体优于这两种人工方法。 不过铣削等传统加工仍然可以得到更好的表面粗糙度，因此超声去支撑目前显然并不能替代所有现有去支撑方案。

如果这条路走通，支撑生成软件需要重构

今天大多数支撑软件的工作，在打印开始之前基本就结束了。

软件判断哪里需要支撑，哪里容易变形，怎样减少材料，然后把支撑生成出来。 打印结束以后怎么办，通常已经属于另一套后处理逻辑。 超声去支撑正在尝试把前后两段工序重新连起来。 未来的软件生成一根支撑时，可能不仅要计算它能不能帮助零件成功打印，还要同时计算它以后应该怎样离开零件本体。 它的长度、截面、质量分布和连接区域，都可能对应某一段振动频率。 打印完成以后，零件数据直接进入后处理设备。 系统先按照预设频率激励第一组支撑。 一部分支撑脱落以后，零件的质量和边界条件发生变化，再切换下一组频率。 传感器判断振动状态，视觉系统检查有没有残留，直到整个过程结束。 Fraunhofer今年公开的Sonodent项目，已经明确把针对零件的振动激励和专门设计的支撑放在一起。

写在最后

从打印机里拿出来的金属零件往往都带着各种支撑。 金属3D打印企业往往都为自己的钳工队伍付出过高昂的学费。 光鲜亮丽的3D打印先进制造往往都离不开脏乱差的后处理车间。 如果高频振动这条路线最终能够跨过材料、尺寸、复杂结构这些门槛，通过算法玩转共振频率来去掉支撑，未来我们看到的金属3D打印将完全不同。

那时，支撑从生成的那一刻起，就已经知道了自己应该怎样自动离开零件。

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