CN106650151A - 一种获取结构设计参数的模型 - Google Patents

一种获取结构设计参数的模型 Download PDF

Info

Publication number
CN106650151A
CN106650151A CN201611256176.9A CN201611256176A CN106650151A CN 106650151 A CN106650151 A CN 106650151A CN 201611256176 A CN201611256176 A CN 201611256176A CN 106650151 A CN106650151 A CN 106650151A
Authority
CN
China
Prior art keywords
model
printing
structure design
domes
pendulous
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201611256176.9A
Other languages
English (en)
Inventor
曹玄扬
周朝辉
李晓庚
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hunan Aerospace New Material Technology Inst Co Ltd
Original Assignee
Hunan Aerospace New Material Technology Inst Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hunan Aerospace New Material Technology Inst Co Ltd filed Critical Hunan Aerospace New Material Technology Inst Co Ltd
Priority to CN201611256176.9A priority Critical patent/CN106650151A/zh
Publication of CN106650151A publication Critical patent/CN106650151A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/17—Mechanical parametric or variational design

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)

Abstract

本发明涉及一种辅助获取3D打印制作无支撑悬垂结构件设计参数的标准模型，用于获取结构设计参数，比如最大倾斜角、最大悬空长度等参数。该用于获取结构设计参数的模型，用于3D打印时，需要打印具有不同悬空长度的打印层。本发明的用于获取结构涉及参数的模型结构简单，实用性强，精确度高，适用性广，可以方便地获得不同材料在3D打印时的最大倾斜角、最大悬空长度等参数。

Description

一种获取结构设计参数的模型
技术领域
本发明属于材料的性能检测、三维产品的制造和设计领域，具体涉及一种获取结构设计参数的模型。
背景技术
3D打印技术是快速成型技术的一种，它是一种以三维模型为基础，运用金属粉末或者塑料等可粘合材料，通过逐层扫描，层层堆垛的方式来构造出立体三维零件的技术。该技术结合了CAD/CAM、光学、数控及材料科学等各类学科，应用领域非常广泛，在珠宝、医疗、鞋类、工业设计、建筑、航空航天、汽车、教育等都有应用前景。
就理论上而言，3D打印技术可以制造任意复杂结构的工件，但是受到加工工艺、工件材料、几何特征和技术原理等的约束，在制作一些悬垂结构和倾斜结构时，悬垂长度过大或倾斜角度过大可能不能够进行直接的打印，必须要添加支撑。如果结构内部过于复杂，添加的支撑将无法进行有效的去除，造成打印的失败。所以在模型的设计上需要针对SLM技术的一些工艺特点制定出相应约束性的设计原则和方法。如在激光选区熔化(SLM)技术和激光选区烧结(SLS)技术中，打印的最小薄壁件不能超过单束激光的光斑直径等。对于悬垂结构在不同合金材料下，能悬空且不加支撑的最大长度没有相应的理论设计依据，更多的是凭经验去设定。
当前，3D打印技术的所有工艺制作悬垂结构可悬空打印的最大长度的评判方法均是根据设备厂家根据自身的加工经验制定，不论何种材料，往往都是一个简单的经验值，如EOS公司的设备打印金属材料时，不论哪种材料，最大倾斜角度不大于30°，悬空打印尺寸为2mm等，但真正打印的时候，往往这个值是不准确的。
根据设备厂家经验得出的最大倾悬空尺寸值并非针对单一材料，但不同的材料，能打印的最大悬空尺寸值往往是不一样的，因为每种材料的打印层厚度可能不一致，液态下的表面张力也有所不同，下层粉床对熔池或者液体树脂等材料对固化树脂的承受能力也有所不同。
现有3D打印技术制作有悬垂结构的工件时，在悬空长度超过多少尺寸需要添加支撑没有标准的评判方法，无法在打印开始之前评判工件打印的可行性，盲目添加的支撑难以去除且会造成成形表面非常粗糙，影响工件的表面质量。现有的评判方法往往是依据不同设备厂家打印的经验来制定，但针对不同的材料，其3D打印的成形性能各有差异，最大可打印悬空长度也有所不同。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种辅助获取3D打印制作无支撑悬垂结构件设计参数的标准模型，用于获取结构设计参数，比如最大倾斜角、最大悬空长度等参数。
本发明的技术方案为：一种用于获取结构设计参数的模型，所述模型用于3D打印时，需要打印具有不同悬空长度的打印层。
进一步地，所述模型包含一直径大于临界塌陷半径的拱形结构。
进一步地，所述模型为一系列具有不同半径的同心拱形结构，所述拱形结构至少包含一个直径大于临界塌陷半径的拱形结构。
优选地，所述拱形结构的厚度不大于20个打印层厚。
进一步地，所述模型为具有不同悬空长度的倒梯形结构。
该模型主要由悬空长度不同的打印层组成，3D打印时，3D打印机根据该模型的组成打印出具有不同悬空长度的打印层，利用该不同悬空长度的打印层组成的结构，可以计算获得相关材料的最大悬空长度、最大倾斜角等。
随着悬空长度的增大，悬空长度增大到一定程度后，悬垂结构无法承受自重而下陷产生变形。本发明利用3D打印技术的成形特性和拱形结构、倒梯形结构的形状特征，随着打印高度的增加，悬空长度也会相应增加，拱形结构打印到一定高度后将由于悬空尺寸的增加而造成塌陷变形，可以利用塌陷变形，分析、计算获得相应的结构设计参数，如最大悬空长度和最大倾斜角等。
上述的获取结构设计参数的模型在获取结构设计参数中的应用。
进一步地，所述的结构设计参数是指最大悬空长度或最大倾斜角。
其中，最大倾斜角是指倾斜面与垂直方向的最大夹角，当倾斜角大于该夹角，则需要添加支撑。
本发明的用于获取结构涉及参数的模型结构简单，实用性强，精确度高，适用性广，可以方便地获得不同材料在3D打印时的最大倾斜角、最大悬空长度等参数。
附图说明
图1是本发明的3D打印制造拱形结构示意图。
图2是本发明的拱形结构模型的结构示意图。
图3是本发明的倒梯形结构模型的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
图2是本发明的拱形结构模型的结构示意图，该拱形结构模型由一系列具有不同半径的同心拱形结构组成。
其中，拱形结构至少包含一个直径大于临界塌陷半径的拱形结构；拱形结构的厚度不大于20个打印层厚。
图3是本发明的倒梯形结构模型的结构示意图。该倒梯形结构模型为具有不同悬空长度的倒梯形结构。
利用该拱形结构和倒梯形结构模型，可以获取悬空长度，其获取方法包含如下步骤：
(1)打印前，制作具有不同悬空长度的模型，输入3D打印机；
(2)然后，逐层制造具有不同悬空长度的结构；
(3)观测到发生塌陷的位置；
(4)获取悬空长度。
当步骤(1)中具有不同悬空长度的结构为拱形结构时，可以仅打印一个或多个半径大于临界塌陷半径的拱形结构，也可以打印一系列不同半径的拱形结构，其中，包括了半径大于临界塌陷半径的拱形结构，所述的多个不同半径的拱形结构为同心结构。其中，临界塌陷半径是指打印拱形结构时，不发生塌陷的最大半径。
获取悬空长度的方法包括计算法、直接获取法，它们的具体过程如下：
1、计算法
(1)首先，逐层打印一个半径大于临界塌陷半径的拱形结构，直至悬垂结构塌陷；
(2)观测塌陷的位置，获取塌陷位置与圆心的连线与水平方向的夹角α，通过该夹角α以及层厚t与悬空长度L的几何关系，计算出悬空长度L。
其中，步骤(1)中观测是指目测或设备检测。
悬空长度L的计算公式如下：
L＝t×tanα。
也可以通过夹角α的变形与层厚t和悬空长度L0的关系，计算悬空长度L0，其中，夹角α的变形为90°-α或者180°-α。
2、直接获取法：
(1)逐层打印具有不同悬空长度的结构；
(2)通过设备检测或者观察的方法，获取发生塌陷的打印层(第N层)的悬空长度，获取的方法主要包括两种，分别为通过打印程序中的参数计算得到和直接测量获知。获知第N层的悬空长度L1，以及未发生塌陷的第N-1层的悬空长度L2(即N-1层的悬空长度)，进一步的，根据实际设计需要，也可能选择N-2、N-3、N-4等层的悬空长度。
通过直接获取法获得的悬空长度L，根据其与最大倾斜角α、打印层厚t的关系，结合三角函数关系计算最大倾斜角α，其中，可选的计算方式α为倾斜面与垂直方向的最大夹角。
最大可悬空长度可以定为L1，优选的可以定为L2。根据设计需要，有时需要留有一定的设计余量，悬空长度为L1-△L或者L2±△L，△L的长度可以根据材料的稳定性以及实际设计需要确定，比如△L是悬空长度的m倍，m优选为0～1中的任意数值，进一步优选为0.01～0.99，或者是0.01～0.5，亦或者是0.01～0.2。
利用本发明的模型还可以用来获取临界塌陷半径R0，其具体方法包括如下步骤：
(1)首先，设计出一系列不同尺寸梯度且同一圆心的拱形结构(多个圆弧)，如图2所示；
(2)然后对其进行打印制造，通过设备检测或者观察的方法，确定塌陷位置，塌陷点与拱形结构的连线的距离，即为临界塌陷半径。
下面以钛合金材料的激光选区熔化(SLM)打印为例来说明本实施方式的拱形结构模型的应用，并评判其悬垂结构的最大可加工悬空结构长度。已知每层钛合金加工工艺设定铺粉厚度为40μm，其具体操作步骤如下：
(1)首先，设计出一系列不同尺寸梯度的拱形结构，然后利用钛合金粉末材料对上述系列拱形结构进行SLM打印制造；
(2)打印完成后，测试各种尺寸拱形结构的塌陷程度，得到临界塌陷角85℃；
(3)通过计算可知，熔池在粉末中的最大自重承受长度约为：
L0＝0.04mm×tan(85°)＝0.46mm。
所以，可推出能不加支撑直接打印而不发生变形的最大悬垂尺寸为0.46mm，该参数可以用来指导钛合金材料的SLM打印。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其他形式的限制，任何熟悉本领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其他领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍然属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于获取结构设计参数的模型，其特征在于，所述模型主要由悬空长度不同的打印层组成；所述模型用于3D打印时，需要打印具有不同悬空长度的打印层。
2.根据权利要求1所述的用于获取结构设计参数的模型，其特征在于，所述模型包含一直径大于临界塌陷半径的拱形结构。
3.根据权利要求2所述的用于获取结构设计参数的模型，其特征在于，所述模型为一系列具有不同半径的同心拱形结构，所述拱形结构至少包含一个直径大于临界塌陷半径的拱形结构。
4.根据权利要求2或3所述的用于获取结构设计参数的模型，其特征在于，所述拱形结构的厚度不大于20个打印层厚。
5.根据权利要求1所述的用于获取结构设计参数的模型，其特征在于，所述模型为具有不同悬空长度的倒梯形结构。
6.如权利要求1~5中任一项所述的模型在获取结构设计参数中的应用。
7.根据权利要求6中的应用，其特征在于，所述的结构设计参数是指最大悬空长度或最大倾斜角。
CN201611256176.9A 2016-12-30 2016-12-30 一种获取结构设计参数的模型 Pending CN106650151A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201611256176.9A CN106650151A (zh) 2016-12-30 2016-12-30 一种获取结构设计参数的模型

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201611256176.9A CN106650151A (zh) 2016-12-30 2016-12-30 一种获取结构设计参数的模型

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN106650151A true CN106650151A (zh) 2017-05-10

Family

ID=58837298

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201611256176.9A Pending CN106650151A (zh) 2016-12-30 2016-12-30 一种获取结构设计参数的模型

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106650151A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111169016A (zh) * 2019-12-18 2020-05-19 西北工业大学 叶片类零件的3+2轴无支撑3d打印制造方法
CN114131050A (zh) * 2021-12-13 2022-03-04 深圳市华阳新材料科技有限公司 一种无支撑3d打印方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103815992A (zh) * 2014-01-15 2014-05-28 浙江大学 一种多支路三维生物结构的3d打印装置及打印方法
CN103920877A (zh) * 2014-04-12 2014-07-16 北京工业大学 一种slm制造金属零件易去除支撑结构设计方法
CN105268977A (zh) * 2015-11-05 2016-01-27 北京科技大学 一种钛合金人造生物关节的快速制造方法
CN106182767A (zh) * 2016-07-11 2016-12-07 中物院成都科学技术发展中心 一种基于液体浮力支撑打印悬空结构的3d打印机及打印方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103815992A (zh) * 2014-01-15 2014-05-28 浙江大学 一种多支路三维生物结构的3d打印装置及打印方法
CN103920877A (zh) * 2014-04-12 2014-07-16 北京工业大学 一种slm制造金属零件易去除支撑结构设计方法
CN105268977A (zh) * 2015-11-05 2016-01-27 北京科技大学 一种钛合金人造生物关节的快速制造方法
CN106182767A (zh) * 2016-07-11 2016-12-07 中物院成都科学技术发展中心 一种基于液体浮力支撑打印悬空结构的3d打印机及打印方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111169016A (zh) * 2019-12-18 2020-05-19 西北工业大学 叶片类零件的3+2轴无支撑3d打印制造方法
CN114131050A (zh) * 2021-12-13 2022-03-04 深圳市华阳新材料科技有限公司 一种无支撑3d打印方法
CN114131050B (zh) * 2021-12-13 2022-07-08 深圳市华阳新材料科技有限公司 一种无支撑3d打印方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11104119B2 (en) Support structure for an object made by means of a rapid prototype production method
US20220134671A1 (en) Method for producing a three-dimensional component
US9539764B2 (en) Usage of a witness mark to distinguish support structure from part
Kruth Material incress manufacturing by rapid prototyping techniques
CN106696292B (zh) 立体打印装置
US11674836B2 (en) Method and device for acquiring volume of structure, non-transitory computer-readable storage medium and printer
EP0655317A1 (en) Rapid prototyping method for separating a part from a support structure
TWI238776B (en) Systems and methods for reducing waste in solid freeform fabrication
CN106650151A (zh) 一种获取结构设计参数的模型
CN109304861A (zh) 一种基于材料自支撑性的stl格式3d模型支撑结构生成方法
CN109631847A (zh) 一种基于点云数据的含螺纹目标物位姿的计算方法
CN113031005A (zh) 基于激光雷达的吊车动态障碍物识别方法
Ficzere et al. Economical investigation of rapid prototyping
WO2013104741A1 (en) Locator for supporting and/or positioning an object
JP2019524506A (ja) 積層造形用に形状の細部を精密化する方法
CN108168429B (zh) 一种基于三维激光扫描仪的大型洞库容量测量方法
RU133773U1 (ru) Система автоматического изготовления сложных прототипов деталей методом послойного отверждения полимеров
US6691763B1 (en) Die manufacturing
Singh et al. Investigating the optimum parametric setting for MRR of expandable polystyrene machined with 3D printed end mill tool
Li et al. Print Parameters Influence on Parts' Quality and Calibration with 3DP-Part I: Print Parameters Influence on Parts’ Surface Topography
CN112878736A (zh) 一种定位装置、定位单元、定位组件及定位组件的卸载方法
Beniak et al. Accuracy of Rapid Prototyped models with using of FDM technology
CN106940737A (zh) 一种获取结构设计参数的方法
Singh et al. Investigations for statistically controlled rapid casting solution of low brass alloys using three dimensional printing
CN111479661A (zh) 用于确定至少一个打印过程参数值的方法、计算机可读存储介质和增材制造装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB02 Change of applicant information

Address after: 410205 Hunan province Changsha Wenxuan High-tech Development Zone, Road No. 27 building 7 layer B8 Yuyuan mountain valley

Applicant after: Changsha New Material Industry Research Institute Co Ltd

Address before: Yuelu District City, Hunan province 410205 Changsha Wenxuan Road No. 27 building 7 layer B8

Applicant before: Hunan Aerospace New Material Technology Inst Co Ltd

CB02 Change of applicant information
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20170510

RJ01 Rejection of invention patent application after publication