金属3D打印的支撑结构设计，核心是平衡功能性、可制造性、经济性三大目标。其设计原则需围绕金属材料的物理特性和打印工艺的特殊性展开，具体可分为以下几类核心原则：

一、功能性优先原则：满足打印过程的 “基础保障”

支撑的核心使命是解决金属打印中 “零件无法稳定成型” 的问题，需优先保证以下3个基础功能：

1. 固定与定位：防止零件移位 / 脱落
   金属打印时，零件需通过支撑与基板刚性连接，避免激光 / 电子束作用下的振动、偏移。
   • 要求：支撑与基板的连接面积需足够，且关键受力区域需增设 “加强支撑”；
2. 散热控温：控制局部过热与热应力
   金属打印的局部温度可达 1500℃以上，若热量无法快速传导，会导致熔池过大、晶粒粗大，甚至零件开裂。支撑是零件向基板传递热量的主要 “热通道”。
   • 要求：高功率打印区域需设计 “高密度 / 实体支撑”，薄壁、尖角等易过热区域需增设 “散热支撑”；
3. 抗变形 / 抗翘曲：抵消金属收缩力
   金属冷却时收缩率远高于塑料，易产生翘曲或内应力开裂。支撑需提供 “反向约束力” 抵消收缩力。
   • 要求：大平面零件需在底面设计 “网格状支撑”，覆盖 80% 以上区域；悬臂结构需在悬空端下方设计 “斜撑 / 三角撑”，避免悬臂下垂。

二、可去除性原则：降低后处理难度，保护零件精度

金属支撑需通过机械加工、化学腐蚀或物理敲击去除，若设计不当会导致：① 零件表面损伤；② 残留支撑无法清理；③ 后处理成本过高。设计时需遵循：

1. 减小支撑与零件的接触面积
   避免支撑与零件 “面接触”，优先采用 “点接触”“线接触” 或 “锯齿状接触”，接触面积越小，后处理越容易，零件表面划痕越少。
2. 避免 “封闭 / 深腔” 内的冗余支撑
   复杂内腔、深槽区域若设计支撑，后续难以清理，可能导致零件报废。
   • 解决方案：① 对非关键内腔，可采用 “无支撑设计”；② 必加支撑时，设计 “可拆解支撑”。
3. 支撑与零件的 “强度匹配”：易拆不脆断
   支撑强度需 “够用即可”：过强会导致去除时损伤零件，过弱则打印中断裂。

三、材料与成本优化原则：减少浪费，控制成本

金属粉末单价较高（数千元 / 公斤），支撑作为 “耗材” 需在保证功能的前提下小化体积，同时降低后处理工时成本：

1. “按需添加”：仅在必要区域设支撑
   并非所有悬空结构都需支撑，需根据 “临界悬空角度” 判断：
   • 一般规则：SLM 中悬空角度＜30° 需支撑，EBM 因打印温度高（≈1000℃）、材料塑性好，临界角度可放宽至 25°-35°；
2. 采用 “轻量化支撑结构” 替代实体支撑
   实体支撑材料利用率低，可替换为 “点阵支撑”“网格支撑”“树形支撑” 等轻量化结构，材料用量可减少 30%-60%：
   • 点阵支撑：适用于大平面、厚壁件，通过调整单元尺寸和孔隙率控制强度；
   • 树形支撑：适用于复杂曲面、悬臂件，仅在关键受力点连接，减少与零件的接触面积。
3. 支撑与零件 “共材”：避免异种材料麻烦
   支撑需与零件使用同一种金属材料，避免异种材料焊接或成分污染。

五、热应力控制原则：避免零件开裂或分层

金属打印的热应力是导致零件报废的主要原因之一，支撑设计需辅助 “应力释放”：

1. 均匀散热：减少温度梯度
   支撑需均匀分布在零件底部或悬空区域，避免局部无支撑导致 “冷热不均”
2. “过渡设计”：避免应力集中
   支撑与零件、支撑与基板的连接部位需避免 “尖角”，采用圆角过渡，防止应力集中导致支撑根部断裂或零件表面开裂。
3. 针对高应力材料的特殊支撑
   对于热裂纹敏感的材料，需在易开裂区域设计 “辅助支撑”，或采用 “预变形支撑”。

六、细节适配原则：适配零件的结构特征

复杂零件需针对性设计支撑，避免 “一刀切”：

1. 内腔 / 小孔：避免堵塞，便于清理
   • 孔径＜3mm 的盲孔：若打印方向为 “孔口朝上”，无需支撑；若 “孔口朝下”，需设计 “柱状支撑”，且支撑直径＜孔径的 1/2；
   • 复杂内腔：采用 “分区支撑”，仅在关键拐角设支撑，同时预留 “清理通道”。
2. 薄壁 / 细长件：防止坍塌或弯曲
   • 薄壁：若长度＞10mm，需在薄壁两侧设计 “梳状支撑”，避免打印中因熔池流动导致薄壁坍塌；
   • 细长杆：需在杆的中部增设 “横向支撑”，防止热变形弯曲。
3. 高精度表面：减少支撑接触
   零件的配合面、密封面需避免支撑接触，通过调整打印方向或设计 “避让支撑”。

总结：支撑设计的核心逻辑

金属 3D 打印支撑设计的本质是 “矛盾平衡”—— 在 “稳定成型” 与 “成本效率”“后处理难度” 之间找较优解。实际设计中，需先明确 3 个核心问题：① 零件的关键结构；② 所用工艺的特性；③ 后处理方式，再结合上述原则逐步优化，实现 “支撑够用、易拆、省料” 的目标。