新的三维打印动态控制底座(左)将减少对打印支架(中心)的需求，减少浪费并节省时间。功劳:陈咏三维打印有潜力在广泛的领域彻底改变产品设计和制造——从消费产品的定制组件，到可以拯救生命的三维打印牙科产品、骨骼和医疗植入物。然而，这一过程也产生了大量昂贵且不可持续的浪费，并且需要很长时间，使得三维打印难以大规模实施。每次三维打印机生产定制对象，特别是形状异常的产品时，它还需要打印支架-打印支架，在打印机逐层创建对象时平衡对象，有助于保持其形状完整性。但是，这些支撑必须在印刷后手动移除，这需要手动完成，并可能导致形状不准确或表面粗糙。支撑物所用的材料经常不能被重复使用，所以它们被丢弃了，导致了日益严重的三维印刷废料问题。
南加州大学维特比分校工业和系统工程系的研究人员首次创造了一种低成本的可重复使用的支持方法，以减少3d打印机打印这些浪费的支持的需求，大大提高了3d打印的成本效益和可持续性。
这项工作由工业与系统工程教授、博士生杨旭陈咏牵头，已在《添加剂制造》杂志上发表。
使用融合沉积建模(FDM)技术的传统三维打印，直接在静态金属表面上逐层打印。取而代之的是，新原型使用可编程的、动态控制的表面，由可移动的金属引脚制成，以取代印刷支架。随着打印机逐步生产产品，针脚会上升。陈说，对新原型的测试表明，它节省了大约35%的用于打印物体的材料。
“我和生物医学医生一起工作，他们使用生物材料进行三维打印来构建组织或器官，”陈说。“他们使用的很多材料都非常昂贵——我们说的是每瓶售价在500至1000美元之间的小瓶。”
“对于标准的FDM打印机，材料成本大约是每公斤50美元，但对于生物打印，更像是每克50美元。因此，如果我们能节省30%用于印刷这些支架的材料，这对于用于生物医学目的的三维印刷来说是一个巨大的成本节约，”陈说。
陈说，除了材料浪费对环境和成本的影响，使用支架的传统三维打印过程也很耗时。
“当您三维打印复杂的形状时，一半的时间用于构建所需的零件，另一半时间用于构建支架。所以有了这个系统，我们就不用建造支架了。因此，在打印时间方面，我们节省了大约40%。”
陈说，过去开发的类似原型依赖单个电机来提升每个机械支架，导致高能耗产品的购买成本也高得多，因此对于三维打印机来说不划算。
“因此，如果你有100个动销，每个电机的成本在10美元左右，那么整个成本是1000美元，此外还有25个控制板来控制100个不同的电机。整件事的成本将远远超过1万美元。”
研究小组的新原型通过一个移动平台的单个电机运行每个独立的支架来工作。该平台可同时提升多组金属引脚，是一种经济高效的解决方案。基于产品设计，该程序的软件会告诉用户在哪里需要将一系列金属管添加到平台底座中。然后，这些管的位置将决定哪些销将上升到规定的高度，以最好地支撑三维印刷产品，同时也从印刷支撑产生最少的浪费。在过程结束时，可以很容易地移除引脚，而不会损坏产品。
陈说，该系统也可以很容易地适用于大规模制造，如汽车，航空航天和游艇行业。
“人们已经在为大型汽车和轮船车身以及家具等消费品制造FDM打印机。可以想象，他们的建造时间真的很长——我们说的是一整天，”陈说。“因此，如果你能节省一半的时间，你的制造时间可以减少到半天。使用我们的方法可以为这种类型的三维打印带来很多好处。”
陈说，该团队最近也申请了这项新技术的专利。该研究由和龚共同完成，前者是南加州大学计算机与通信科学学院的访问学生，后者来自南加州大学维特比分校。
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