CN104772463B - 一种用于金属增材制造的支撑结构及制作方法 - Google Patents

一种用于金属增材制造的支撑结构及制作方法 Download PDF

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Abstract

一种用于金属增材制造的支撑结构及制作方法，其中支撑结构由多个垂直于建造平面的空心柱状单元构成，所述空心柱状单元柱壁的所有侧面内，设有通孔，其中制造方法包括：将支撑结构与加工工件数据信息合并，并对合并图形分层切片，得到合并图形单层截面的扫描图形信息，并将单层截面扫描图形信息导入增材制造设备中通过逐层制造即可得到工件及其支撑结构。通过该结构可以方便的清理回收支撑结构内部的金属粉末，并且可根据需要制作不同强度的支撑，从而提高粉末利用率，降低制造成本。

Description

一种用于金属增材制造的支撑结构及制作方法
技术领域
本发明涉及金属增材制造技术，具体涉及一种金属增材制造技术的支撑结构。
背景技术
金属增材制造一般通过将粉末状金属材料层层熔化连接建造形成三维工件，该技术可以制造一些传统工艺难以完成的复杂形状金属工件。但在特殊某些结构特别是悬垂结构中，该工艺过程中会产生悬垂物和发生翘曲变形，影响工件的形状精度和尺寸精度，严重时甚至会导致建造失败。目前常通过设计外部支撑结构来保证建造过程的稳定性，并在工件建造完成后用线切割的方式将支撑结构去除。支撑结构的制造像工件的制造一样，需要消耗时间、能源和原材料，因此支撑结构也影响着制造工件的成本，比如制造一些航天用的工件时使用钛金属粉末这类昂贵的材料。因此合理地设计支撑数量和优化支撑结构，使其在满足功能的情况下，提高材料利用率，提高工艺效率和降低成本具有积极意义。
现有的金属增材制造技术中，支撑结构的设计常采用一种二维网格结构，通过调节支撑结构单元之间的距离（即网格线间的距离）和支撑结构与工件连接处的齿形结构来调整支撑结构强度，但通常这种网格结构的支撑结构单元侧面是封闭的，支撑结构单元内部的粉末在后期处理时无法有效清理出来并加以重新利用，因此造成了较大的材料浪费。也有设计人员希望设计最少的材料来制作支撑结构，但随着支撑结构复杂程度增加，工件的制造效率和制造过程中支撑结构强度会有所变化。
发明内容
因此本发明的目的在于提供一种用于金属增材制造的支撑结构，通过该结构可以方便的清理回收支撑结构内部的金属粉末，并且可根据需要制作不同强度的支撑，从而提高粉末利用率，降低制造成本。
为实现上述目的，本发明采用以下的技术方案。
一种用于金属增材制造的支撑结构，由多个垂直于建造平面的空心柱状单元构成，其特征在于所述空心柱状单元柱壁的所有侧面内，设有通孔。
进一步地，所述通孔具有相同的几何形状。
进一步地，所述通孔在空心柱状单元柱壁侧面沿建造方向呈单排周期性分布，同一侧面通孔与通孔之间不连通，相邻侧面的通孔沿建造方向彼此错开。
进一步地，所述空心柱状单元的底面形状是正三角形或正方形或正六边形，边长为0.1mm～10mm。
进一步地，所述空心柱状单元在沿建造方向上的任一实体截面积都相等。
进一步地，所述空心柱状单元柱壁厚为0.05mm～0.5mm。
进一步地，所述支撑结构由多个所述空心柱状单元紧密排列形成。
本发明提供了一种用于金属增材制造的支撑结构制作方法，包括下述步骤：
（1）将需要生成支撑的区域A0垂直投影至基板上，得到一个平面区域AS，A0和AS以及投影线形成一个曲面封闭体K，其最大高度为Hm；
（2）将平面区域AS用若干个单位区域填充完整，保证AS的所有边界均在填充单位区域内，按照AS的填充方式，以单位区域为底面形状，在基板上复制堆叠空心柱状单元，单元柱壁的所有侧面内设有通孔，单元生成高度不小于Hm，堆叠单元合并形成结构M；
（3）取结构M与结构K的交集得到所需的支撑结构数据信息；
（4）将支撑结构与加工工件数据信息合并，并对合并图形分层切片，得到合并图形单层截面的扫描图形信息，将单层截面扫描图形信息导入增材制造设备中，通过逐层制造得到工件及其支撑结构。
进一步地，所述单位区域可以是正三角形或者正方形或者正六边形。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、常采用的封闭空心柱状支撑结构在金属工件完成后，柱内的金属粉末难以清理回收，而后期开孔清理回收粉末，操作复杂且效率低，本发明通过设计一种壁上开通孔的空心柱状支撑结构，后期柱内的金属粉末可从通孔里倒出并加以回收利用，节省了金属粉末材料，同时开孔的结构也减少了粉末的用量。
2、本发明所述通孔在空心柱侧面的周期性变化，以及空心带孔柱状单元在建造平面的任一垂直方向上的实体截面积都相等，保证了应力分布的均匀性，使应力不在某一区域集中，避免造成某些层的断裂从而破坏支撑结构。
3、空心柱状支撑单元建造截面为正三角形或正方形或正六边形，可以重复使用其中一种单元无缝隙填充支撑区域，工艺简单，操作便捷。
附图说明
图1是建造截面为正方形的带菱形侧孔的空心柱状单元示意图。
图2是单个XY截面为正方形的空心柱状单元菱形侧孔的详细排布图。
图3是需做支撑的工件P1整体生成支撑后示意图。
图4是实际制作的P1工件图。
图5是单个XY截面为正六边形的带六边形侧孔的空心柱状单元示意图。
图6是单个XY截面为正六边形的空心柱状单元带六边形侧孔的详细排布图。
图7是需做支撑的工件P2整体生成支撑后示意图。
图8是实际制作的P2工件图。
图9是支撑生成过程示意图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实验采用德国EOS公司的金属粉末烧结设备M280。设备为Yb-fibre激光发射器，焦距为100-500μm；采用17-4PH不锈钢球形粉末，粒径为20μm ~55μm；采用相同牌号的的不锈钢作为基板。
图1和图2是依据本发明实现的一种支撑结构的单元示意图，它在工件需生成支撑区域（常为悬空结构），自基板生成轴向为Z轴方向（建造方向）、侧面带通孔的多个空心柱状单元，图1中柱状单元截面为正方形，边长L=1mm，单元壁厚a=0.2mm。该空心柱状单元同一侧面上的单排通孔形状为菱形，如图2所示，其中菱形的一条对角线沿Z方向，长度L1=1mm，另一条与Z方向垂直，长度L2=0.5mm。在同一侧面上菱形沿Z轴方向呈周期性分布，周期T满足T=2mm，相邻侧面依次错开距离ΔT=0.5mm，这种形状设计和周期性分布可以保证空心柱状单元在XY平面（建造平面）的任一实心截面积都相等。经计算，该空心柱状单元每一个XY截面的面积都等于0.54mm2。图3是采用该多个支撑单元整体生成的一个支撑结构。
如图9所示，加工过程中，将工件支撑区域、支撑区域在基板上的投影区域及投影线形成的封闭结构，与多个紧密排列的带孔空心柱状单元形成的封闭结构相交并取其交集，得到所需支撑结构数据信息，其中所述单元高度不小于最大投影距离，且多个所述单元的底面形状将基板上的投影区域填充满。将支撑结构数据信息与加工工件数据信息合并，并对合并图形按层厚0.02mm分层切片，得到的切片数据导入至设备中进行逐层铺粉扫描工艺，直至形成支撑结构和金属工件，最终成品如图4所示。
图5和图6是依据本发明实现的又一种支撑结构的单元示意图，图5中该单元XY截面为正六边形，边长L=0.8mm，单元壁厚a=0.15mm，如图6所示，该空心柱状单元同一侧面上单排通孔形状为六边形，该六边形可看作由一个矩形和对称分布在其两侧的两个等腰三角形组成，其中两个等腰三角形的底边长L0（即矩形的一条边长L1）、等腰三角形高H都是0.6mm，矩形的另一条边长L2为1mm。在同一侧面上六边形沿Z轴方向呈周期性分布，周期T满足T=4.8mm，相邻侧面依次错开距离ΔT=1.6mm，这种形状设计和周期性分布可以保证空心柱状单元在XY平面（构建平面）的任一实心截面积都相等。经计算，该空心柱状单元每一个XY截面的面积都等于0.385mm2，图7是采用该多个支撑单元整体生成的一个支撑结构。
加工过程中，将工件支撑区域、支撑区域在基板上的投影区域及投影线形成的封闭结构，与多个紧密排列的带孔空心柱状单元形成的封闭结构相交并取其交集，得到所需支撑结构数据信息，其中所述单元高度不小于最大投影距离，且多个所述单元的底面形状将基板上的投影区域填充满。将支撑结构数据信息与加工工件数据信息合并，并对合并图形按层厚0.02mm分层切片，得到的切片数据导入至设备中进行逐层铺粉扫描工艺，直至形成支撑结构和金属工件，最终成品如图8所示。
以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则下所做的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于金属增材制造的支撑结构，由多个垂直于建造平面的空心柱状单元构成，其特征在于所述空心柱状单元柱壁的所有侧面内，设有通孔。
2.根据权利要求1所述的金属增材制造的支撑结构，其特征在于所述通孔具有相同的几何形状。
3.根据权利要求1所述的金属增材制造的支撑结构，其特征在于所述通孔在空心柱状单元柱壁侧面沿建造方向呈单排周期性分布，同一侧面通孔与通孔之间不连通，相邻侧面的通孔沿建造方向彼此错开。
4.根据权利要求1～3任一项所述的金属增材制造的支撑结构，其特征在于所述空心柱状单元的底面形状是正三角形或正方形或正六边形，边长为0.1mm～10mm。
5.根据权利要求1～3任一项所述的金属增材制造的支撑结构，其特征在于所述空心柱状单元在沿建造方向上的任一实体截面积都相等。
6.根据权利要求1～3任一项所述的金属增材制造的支撑结构，其特征在于所述空心柱状单元柱壁厚为0.05mm～0.5mm。
7.根据权利要求1所述的金属增材制造的支撑结构，其特征在于所述支撑结构由多个所述空心柱状单元紧密排列形成。
8.一种用于金属增材制造的支撑结构制作方法，其特征在于包括下述步骤：
(1)将需要生成支撑的区域A0垂直投影至基板上，得到一个平面区域AS，A0和AS以及投影线形成一个曲面封闭体K，其最大高度为Hm；
(2)将平面区域AS用若干个单位区域填充完整，保证AS的所有边界均在填充单位区域内，按照AS的填充方式，以单位区域为底面形状，在基板上复制堆叠空心柱状单元，单元柱壁的所有侧面内设有通孔，单元生成高度不小于Hm，堆叠单元合并形成结构M；
(3)取结构M与结构K的交集得到所需的支撑结构数据信息；
(4)将支撑结构与加工工件数据信息合并，并对合并图形分层切片，得到合并图形单层截面的扫描图形信息，将单层截面扫描图形信息导入增材制造设备中，通过逐层制造得到工件及其支撑结构。
9.根据权利要求8所述的用于金属增材制造的支撑结构制作方法，其特征在于所述单位区域可以是正三角形或者正方形或者正六边形。
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