CN106671399A - 一种获取结构设计参数的方法 - Google Patents

一种获取结构设计参数的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106671399A
CN106671399A CN201611254791.6A CN201611254791A CN106671399A CN 106671399 A CN106671399 A CN 106671399A CN 201611254791 A CN201611254791 A CN 201611254791A CN 106671399 A CN106671399 A CN 106671399A
Authority
CN
China
Prior art keywords
structure design
radius
parameter
domes
angle
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
CN201611254791.6A
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 CN201611254791.6A priority Critical patent/CN106671399A/zh
Publication of CN106671399A publication Critical patent/CN106671399A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/115—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces by spraying molten metal, i.e. spray sintering, spray casting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/10—Formation of a green body
    • B22F10/12—Formation of a green body by photopolymerisation, e.g. stereolithography [SLA] or digital light processing [DLP]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/10—Formation of a green body
    • B22F10/18—Formation of a green body by mixing binder with metal in filament form, e.g. fused filament fabrication [FFF]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)

Abstract

本发明涉及一种获取逐层制造过程中结构设计参数的方法。该结构设计参数的方法包含如下步骤：首先，逐层制造半径大于临界塌陷半径的拱形结构，直至发生悬垂结构塌陷；然后，观测发生塌陷的位置，获得塌陷位置与拱形结构圆心的连线与水平方向的夹角α0；所述的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。本发明提供的获取逐层制造过程中结构设计参数的方法，操作实施较为简单，通过打印的拱形结构，可以有效的计算并验证出可悬空打印而不加支撑的最大悬垂结构，通过本发明，可建立一系列设计标准和支撑添加标准，填补针对3D打印工艺的设计标准空白。

Description

一种获取结构设计参数的方法
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方法。
背景技术
逐层制造技术是一种应用广泛的技术，其中的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。
3D打印主要分为熔融沉积快速成型(FDM)、光固化成型(SLA)、激光选区熔化(SLM)技术、激光选区烧结(SLS)技术中。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。
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。
发明内容
本发明的目的在于提供一种获取结构设计参数的方法，所获取的结构设计参数可以用于表征该原料的性能，也可以用于指导某种原料采用逐层制造的制造方法制备产品时，产品的结构设计，以防止设计出来的产品采用逐层制造的制造方法时发生塌陷或变形等不期望的形变，也可以用于其他用途。可针对各种金属材料和非金属材料，利用拱形结构的成形特性，推算出最大倾斜角度、临界悬空尺寸值等参数，数值更精确，应用更广泛。
本发明的技术方案为：一种获取结构设计参数的方法，包含如下步骤：
(1)首先，逐层制造半径大于临界塌陷半径的拱形结构，直至发生悬垂结构塌陷；
(2)观测发生塌陷的位置，获得塌陷位置与拱形结构圆心的连线与水平方向的夹角α0；
其中，所述的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。
可以将夹角α0定位最大倾斜角。
最大倾斜角是指倾斜面与垂直方向的最大夹角，根据几何关系可以推知，最大倾斜角的大小和塌陷位置与拱形结构圆心的连线与水平方向的夹角十分接近，所以上述方法中可以近似地认为，获得的塌陷位置与拱形结构圆心的连线与水平方向的夹角α0，即为最大倾斜角，大于该夹角α0，则需要添加支撑，可以用于指导逐层制造过程中的产品结构设计。
进一步地，所述步骤(1)中逐层制造是同时制造多个半径不同的同心拱形结构，所述同心拱形结构中至少含有一个半径大于临界塌陷半径的拱形结构；或者是仅制造一个或多个半径大于临界塌陷半径的拱形结构。
进一步地，通过该夹角α0或夹角α0的变形与层厚t、悬空长度L0的几何关系，计算出悬空长度L0。
进一步地，所述获取结构设计参数的方法，还包括通过所述最大倾斜角α0、α0的余角或α0的补角与单元层厚度t、悬空长度L0的几何关系，利用三角函数计算出悬空长度L0的步骤。
进一步地，所述悬空长度L0的计算按照如下公式进行：
L0＝t×tanα0。
进一步地，所述步骤(1)中的逐层制造是指3D打印。
进一步地，所述3D打印优选为SLM、SLA、SLS和FDM中的一种。
本发明还涉及按上述方法获取的结构参数的应用：
一种根据上述方法获得的结构设计参数在材料性能检测或产品结构设计上的应用。
进一步地，所述结构设计参数直接使用或者变形后使用；所述最大倾斜角α0的变形是90°-α0或180°-α0，所述悬空长度L0的变形为L0±△L；其中，△L是L0的n倍，n为0～1中的任意数值。
进一步地，所述n为0～0.5中的任意值，其中n优选为0～0.2中的任意值。
悬垂结构塌陷的主要原因是当悬垂长度增大，无法承受自重而下陷产生变形。随着打印高度的增加，悬空长度也会相应增加，当R小于临界塌陷半径值R0，拱形结构的阶梯悬空尺寸都能成形且不造成塌陷变形，当R大于临界塌陷半径值R0，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。
其中，临界塌陷半径R0的获得方法包括步骤为：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)，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，左右两边的塌陷点分别相连，两条连线的交点与圆心的距离即为临界塌陷半径R0。
也可以通过制造一系列不同半径的圆弧，并通过逐层制造的方法制造，获取不发生塌陷的最大半径R1，以及发生塌陷的最小半径R2，临界塌陷半径大于等于R1，小于R2；步骤(1)中逐层打印时，只要R不小于R2则可以确保拱形结构的半径大于临界塌陷半径。
优选的，拱形结构的厚度不超过20个单层打印层厚。
本发明提供的获取逐层制造过程中结构设计参数的方法，操作实施较为简单，通过打印的拱形结构，可以有效的计算并验证出可悬空打印而不加支撑的最大悬垂结构，通过本发明，可建立一系列设计标准和支撑添加标准，填补针对3D打印工艺的设计标准空白。
附图说明
图1是3D打印制造拱形结构示意图。
图2是半径不同的同心拱形结构的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
利用EOS M280设备对钛合金材料进行激光选区熔化(SLM)打印，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单层厚度为40μm，其打印步骤如下：
(1)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(如图2所示)；
(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(最大倾斜角)85℃；
(3)结合图1中各参数的几何关系，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，可推知不加支撑直接打印而不发生变形的最大悬垂尺寸为0.46mm，由此数据可以用于指导使用该种粉末材料打印时相应的参数设计，最大悬垂尺寸的大小也可以反应材料本身的一些性质，用于指导打印生产。
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 (10)

1.一种获取结构设计参数的方法，其特征在于，包含如下步骤：
(1)首先，逐层制造半径大于临界塌陷半径的拱形结构，直至发生悬垂结构塌陷；
(2)观测发生塌陷的位置，获得塌陷位置与拱形结构圆心的连线与水平方向的夹角α0；
其中，所述的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。
2.根据权利要求1所述的获取结构设计参数的方法，其特征在于，所述步骤(1)中逐层制造是同时制造多个半径不同的同心拱形结构，所述同心拱形结构中至少含有一个半径大于临界塌陷半径的拱形结构；或者是仅制造一个或多个半径大于临界塌陷半径的拱形结构。
3.根据权利要求1所述的获取结构设计参数的方法，其特征在于，通过该夹角α0或其变形与层厚t、悬空长度L0的几何关系，计算出悬空长度L0。
4.根据权利要求3所述的获取结构设计参数的方法，其特征在于，还包括通过所述夹角α0、α0的余角或α0的补角与单元层厚度t、悬空长度L0的几何关系，利用三角函数计算出悬空长度L0的步骤。
5.根据权利要求4所述的获取逐层制造过程中结构设计参数的方法，其特征在于，所述悬空长度L0的计算按照如下公式进行：
L0＝t×tanα0。
6.根据权利要求1、2、3、5任一项所述的获取逐层制造过程中结构设计参数的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的逐层制造是指3D打印。
7.根据权利要求6所述的获取逐层制造过程中结构设计参数的方法，其特征在于，所述3D打印是指的SLM、SLA、SLS和FDM中的一种。
8.一种根据权利要求1～7中任一项所述的方法获得的结构设计参数在材料性能检测或产品结构设计上的应用。
9.根据权利要求8所述的结构设计参数的应用，其特征在于，所述结构设计参数直接使用或者变形后使用；所述最大倾斜角α0的变形是90°-α0或180°-α0，所述悬空长度L0的变形为L0±△L；其中，△L是L0的n倍，n为0～1中的任意数值。
10.根据权利要求9所述的结构设计参数，其特征在于，所述n为0～0.5中的任意数值。
CN201611254791.6A 2016-12-30 2016-12-30 一种获取结构设计参数的方法 Pending CN106671399A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201611254791.6A CN106671399A (zh) 2016-12-30 2016-12-30 一种获取结构设计参数的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201611254791.6A CN106671399A (zh) 2016-12-30 2016-12-30 一种获取结构设计参数的方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN106671399A true CN106671399A (zh) 2017-05-17

Family

ID=58872272

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201611254791.6A Pending CN106671399A (zh) 2016-12-30 2016-12-30 一种获取结构设计参数的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106671399A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108160921A (zh) * 2018-02-09 2018-06-15 共享智能铸造产业创新中心有限公司 一种提升3d打印砂芯脆弱部位刚度的方法
CN112059186A (zh) * 2020-11-11 2020-12-11 中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司 带倾斜面的成形件及其成形方法
CN112059185A (zh) * 2020-11-11 2020-12-11 中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司 带悬臂结构的成形件及其成形方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012131481A1 (en) * 2011-03-29 2012-10-04 Inspire Ag, Irpd Part structure built by metal powder based added manufacturing
CN104827666A (zh) * 2015-04-30 2015-08-12 北京敏速自动控制设备有限公司 3d打印支撑方法及系统
CN104881513A (zh) * 2015-04-17 2015-09-02 大连理工大学 一种基于3d打印的汽车造型概念模型加工工艺

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012131481A1 (en) * 2011-03-29 2012-10-04 Inspire Ag, Irpd Part structure built by metal powder based added manufacturing
CN104881513A (zh) * 2015-04-17 2015-09-02 大连理工大学 一种基于3d打印的汽车造型概念模型加工工艺
CN104827666A (zh) * 2015-04-30 2015-08-12 北京敏速自动控制设备有限公司 3d打印支撑方法及系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王迪: "选区激光熔化成型不锈钢零件特性与工艺研究", 《中国博士学位论文全文数据库 工程科技I辑》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108160921A (zh) * 2018-02-09 2018-06-15 共享智能铸造产业创新中心有限公司 一种提升3d打印砂芯脆弱部位刚度的方法
CN112059186A (zh) * 2020-11-11 2020-12-11 中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司 带倾斜面的成形件及其成形方法
CN112059185A (zh) * 2020-11-11 2020-12-11 中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司 带悬臂结构的成形件及其成形方法
CN112059185B (zh) * 2020-11-11 2021-01-15 中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司 带悬臂结构的成形件及其成形方法
CN112059186B (zh) * 2020-11-11 2021-01-15 中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司 带倾斜面的成形件及其成形方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107052333B (zh) 用于加性制造的方法和连接支承
US11104078B2 (en) 3D printing method
CN104786499B (zh) 可增加打印高度的三维打印机
US10799951B2 (en) Method and conformal supports for additive manufacturing
CN110744056B (zh) 用于加性制造的方法及键槽支架
CN115673337A (zh) 用于加性制造的方法和前缘支承
CN106032059B (zh) 立体打印方法与立体打印装置
CN106182767A (zh) 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
CN106671399A (zh) 一种获取结构设计参数的方法
EP3541606B1 (en) Method for additive manufacturing
CN105935770A (zh) 一种基于电子束熔丝成型的增材制造装置
WO2018022339A1 (en) Methods using ghost supports for additive manufacturing
US10919114B2 (en) Methods and support structures leveraging grown build envelope
CN107877851A (zh) 立体打印装置与立体打印方法
CN104401002A (zh) 一种基于3d打印的曲面微透镜阵列制作方法
CN110328842B (zh) 一种挤压式3d打印方法
KR101722979B1 (ko) 3차원 형상의 제작방법
US20180169756A1 (en) Self-breaking support for additive manufacturing
TWI584941B (zh) 快速成型系統及其方法
CN206550293U (zh) 负压消失模铸造变速箱箱体铸件毛坯的检验工装
Beniak et al. Accuracy of Rapid Prototyped models with using of FDM technology
CN109397691A (zh) 用于添加式地制造三维物体的方法
JP6878364B2 (ja) 追加の粉末床用可動壁
CN106650151A (zh) 一种获取结构设计参数的模型
JP2017207035A (ja) ラティス構造

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
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

RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20170517