CN106853527A - 一种树枝状3d打印支撑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种树枝状3D打印支撑结构，包括柱状的支撑主干，沿支撑主干圆周均匀分布有若干个柱状的一级分支，沿每个一级分支的圆周均匀分布有若干个柱状的二级分支；支撑主干与每个一级分支的连接处均设置有主结点，每个一级分支与二级分支的连接处均设置有次级结点。本发明通过利用激光选区熔化技术直接成形，与基材及工件作为区域性的连接，与工件连结部位采用点接触，工件加工成形后，采用手工或机械方式均易于去除并且对零件表面质量影响小，可最大限度的节约材料，控制生产成本，支撑结构体积小，有很好的使用价值。

Description

一种树枝状3D打印支撑结构
技术领域
本发明属于增材制造设备技术领域，具体涉及一种树枝状3D打印支撑结构。
背景技术
增材制造(俗称3D打印)是一种新型的材料加工技术，其加工柔性大，可实现复杂结构的快速成形，增材制造技术按照工艺手段及设备原理的不同分为多种具体技术手段，诸如:激光选区熔化、激光立体成形、FDM沉积成形、三维印刷等，可加工材料涵盖了多种非金属及金属材料，采用各种增材制造工艺手段所成形的产品已应用于装备制造、民用医疗、建筑设计等多个领域，特别是激光选区熔化技术所成形的金属工件，已经在航空航天领域上得到广泛应用。在绝大部分增材制造的加工技术中，多数待加工工件因存在悬空结构，无法直接成形，需要添加一定量的支撑作为工件的成形基础，支撑已成为绝大部分增材制造技术中不可或缺的一项技术要素。
传统支撑结构一般为实体网格状，这一类型支撑在加工过程中，需要从成形基材面整体大面积向上生长，才能保证支撑底部的牢固性，由于与工件的连接区域过大，导致该类支撑后期难以去除干净，影响工件表面质量，另外实体网格状支撑因体积庞大，会导致材料大幅度的浪费和整个加工时间的延长，特别是在激光选区熔化技术加工过程中，材料和加工时间的增加会导致产品的成本会急剧上升。
发明内容
本发明的目的是提供一种树枝状3D打印支撑结构，解决了现有支撑结构体积大、使用成本较高、与工件的连接区域较大、且影响工件表面质量的问题。
本发明一种树枝状3D打印支撑结构所采用的技术方案是，包括柱状的支撑主干，沿支撑主干圆周均匀分布有若干个柱状的一级分支，沿每个一级分支的圆周均匀分布有若干个柱状的二级分支；支撑主干与每个一级分支的连接处均设置有主结点，每个一级分支与二级分支的连接处均设置有次级结点；支撑主干、一级分支和二级分支的横截面均为圆形，且其横截面内径比为4:3:2。
本发明的特征还在于，
一级分支与支撑主干的数量比为3-10:1，二级分支与一级分支的数量比为2-6:1。
一级分支与支撑主干的夹角均为45°，二级分支与支撑主干轴向的夹角均为45°。
主结点到支撑主干底部的轴向距离与主结点到支撑主干顶部的轴向距离比为2:0.7-1.5；次级结点到主结点的距离与主结点到支撑主干底部的轴向距离比为1:1.5-3。
支撑主干、一级分支和二级分支的端部还分别设置有与其相匹配的半球状的圆角结构，且其圆角结构的内径比例为4:3:2。
本发明的有益效果是：本发明一种树枝状3D打印支撑结构通过利用激光选区熔化技术直接成形，与基材及工件作为区域性的连接，与工件连结部位采用点接触，工件加工成形后，采用手工或机械方式均易于去除并且对零件表面质量影响小，可最大限度的节约材料，控制生产成本，支撑结构体积小，有很好的使用价值。
附图说明
图1是本发明一种树枝状3D打印支撑结构的结构示意图；
图2是本发明一种树枝状3D打印支撑结构的另一种结构示意图；
图3是本发明在实施例1中的使用状态图；
图4是本发明在实施例2中的使用状态图。
图中，1.支撑主干，2.一级分支，3.二级分支，4.主结点，5.次级结点，6.圆角结构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种树枝状3D打印支撑结构，如图1所示，包括柱状的支撑主干1，沿支撑主干1圆周均匀分布有若干个柱状的一级分支2，沿每个一级分支2的圆周均匀分布有若干个柱状的二级分支3；支撑主干1与每个一级分支2的连接处均设置有主结点4，每个一级分支2与二级分支3的连接处均设置有次级结点5；为了便于后期使用工具将工件与本发明分离，支撑主干1、一级分支2和二级分支3的横截面均为圆形，且其横截面内径比为4:3:2。
一级分支2与支撑主干1的数量比为3-10:1，二级分支3与一级分支2的数量比为2-6:1。
一级分支2与支撑主干1的夹角均为45°，二级分支3与支撑主干1轴向的夹角均为45°，该角度可保证加工过程中一级分支2和二级分支3均能直接成形。
主结点4到支撑主干1底部的轴向距离与主结点4到支撑主干1顶部的轴向距离比为2:0.7-1.5；次级结点5到主结点4的距离与主结点4到支撑主干1底部的轴向距离比为1:1.5-3。
如图2所示，支撑主干1、一级分支2和二级分支3的端部还分别设置有与其相匹配的半球状的圆角结构6，且其圆角结构6的内径比例为4:3:2。若工件表面相对基材为平面，为了加强支撑效果，增大支撑连接面，采用如图1所示的支撑结构；其余工况下，添加的圆角结构6可使在去除本发明时工具更易于切入支撑结构与工件连接的区域。
实施例1
以图3所示的连接工件为例，说明本发明对平面悬空特征类工件的使用过程。
步骤1，将采用激光选区熔化加工方式加工的工件三维模型通过商业建模软件导出STL格式文件，再将STL格式文件导入商用前处理软件中。
步骤2，设计树枝状支撑结构
根据工件设计树枝状支撑的树枝数量及尺寸，确定支撑主干1数量为1，取一级分枝2与支撑主干1数量比为9:1，故一级分枝2数量为9，二级分枝3与一级分枝2数量比为5:1，故二级分枝3数量为45，支撑主干1直径2mm，按照比例，一级分枝2直径1.5mm，二级分枝3直径1mm，三者截面尺寸之比为4:3:2。
因被支撑面相对基材是平面，平面类悬空在3D打印成形过程中属于难成形特征，为加强支撑效果，采用不添加圆角结构6的支撑结构，保证支撑树枝结构与工件有最大的连接面。因工件悬空面距支撑主干1底部的基材距离为15mm，则主结点4距支撑主干1底部轴向距离与主结点4距支撑主干1顶部轴向距离之比取2:1，故主结点4距支撑主干1的底部轴向距离为10mm；次级结点5距主结点4的距离设计为5mm。
步骤3、支撑件和工件的一体成形
将设计好的树枝状支撑结构导出STL格式文件，再导入至商用前处理软件中，树枝状支撑数据添加至商用前处理软件的模型库中。确定工件摆放位置后，选择工件支撑添加方案，再利用商业模型剖分软件进行剖分，形成切片文件，导入激光成形设备前处理软件中，待激光选区熔化成形设备准备就绪，将支撑结构与工件一次成形。
实施例2
以图4所示的托架工件为例，说明本发明对倾斜面悬空特征类工件的使用过程。
步骤1，将采用激光选区熔化加工方式加工的工件三维模型通过商业建模软件导出STL格式文件，再将STL格式文件导入商用前处理软件中。
步骤2，设计树枝状支撑结构
根据工件设计树枝状支撑的树枝数量及尺寸，确定支撑主干1数量为1，取一级分枝2与支撑主干1量比为6:1，故一级分枝2数量为6，二级分枝3与一级分枝2数量比为3:1，故二级分枝3数量为18，支撑主干1直径2mm，按照比例，一级分枝2直径1.5mm，二级分枝3直径1mm，三者截面尺寸之比为4:3:2。
因工件悬空面相对基材为斜面，为便于后期斜面上支撑的整体去除，支撑主干1、一级分枝2、二级分枝3与所支撑结构的接合处均采用圆角结构6连接，圆角结构尺寸为：支撑主干1为0.5mm，一级分枝2为0.4mm，二级分枝3为0.3mm；因工件悬空面为斜面，与支撑主干1底部距离为变化值，故各分支添加位置的不同，结合支撑主干1总长度按照比例确定好主结点4、次级结点5的位置。
步骤3、支撑件和工件的一体成形
将设计好的树枝状支撑结构导出STL格式文件，再导入至商用前处理软件中，树枝状支撑数据添加至商用前处理软件的模型库中。确定工件摆放位置后，选择工件支撑添加方案，再利用商业模型剖分软件进行剖分，形成切片文件，导入激光成形设备前处理软件中，待激光选区熔化成形设备准备就绪，将支撑结构与工件一次成形。
实施例3
以连接工件为例，说明本发明对平面悬空特征类工件的使用过程。
步骤1，将采用激光选区熔化加工方式加工的工件三维模型通过商业建模软件导出STL格式文件，再将STL格式文件导入商用前处理软件中。
步骤2，设计树枝状支撑结构
根据工件设计树枝状支撑的树枝数量及尺寸，确定支撑主干1数量为1，取一级分枝2与支撑主干1数量比为10:1，故一级分枝2数量为10，二级分枝3与一级分枝2数量比为2:1，故二级分枝3数量为20，支撑主干1直径2mm，按照比例，一级分枝2直径1.5mm，二级分枝3直径1mm，三者截面尺寸之比为4:3:2。
因被支撑面相对基材是平面，平面类悬空在3D打印成形过程中属于难成形特征，为加强支撑效果，采用不添加圆角结构6的支撑结构，保证支撑树枝结构与工件有最大的连接面。因工件悬空面距支撑主干1底部的基材距离为15mm，则主结点4距支撑主干1底部轴向距离与主结点4距支撑主干1顶部轴向距离之比取2:1，故主结点4距支撑主干1的底部轴向距离为10mm；次级结点5距主结点4的距离设计为5mm。
步骤3、支撑件和工件的一体成形
将设计好的树枝状支撑结构导出STL格式文件，再导入至商用前处理软件中，树枝状支撑数据添加至商用前处理软件的模型库中。确定工件摆放位置后，选择工件支撑添加方案，再利用商业模型剖分软件进行剖分，形成切片文件，导入激光成形设备前处理软件中，待激光选区熔化成形设备准备就绪，将支撑结构与工件一次成形。
实施例4
以托架工件为例，说明本发明对倾斜面悬空特征类工件的使用过程。
步骤1，将采用激光选区熔化加工方式加工的工件三维模型通过商业建模软件导出STL格式文件，再将STL格式文件导入商用前处理软件中。
步骤2，设计树枝状支撑结构
根据工件设计树枝状支撑的树枝数量及尺寸，确定支撑主干1数量为1，取一级分枝2与支撑主干1量比为3:1，故一级分枝2数量为3，二级分枝3与一级分枝2数量比为6:1，故二级分枝3数量为18，支撑主干1直径2mm，按照比例，一级分枝2直径1.5mm，二级分枝3直径1mm，三者截面尺寸之比为4:3:2。
因工件悬空面相对基材为斜面，为便于后期斜面上支撑的整体去除，支撑主干1、一级分枝2、二级分枝3与所支撑结构的接合处均采用圆角结构6连接，圆角结构尺寸为：支撑主干1为0.5mm，一级分枝2为0.4mm，二级分枝3为0.3mm；因工件悬空面为斜面，与支撑主干1底部距离为变化值，故各分支添加位置的不同，结合支撑主干1总长度按照比例确定好主结点4、次级结点5的位置。
步骤3、支撑件和工件的一体成形
将设计好的树枝状支撑结构导出STL格式文件，再导入至商用前处理软件中，树枝状支撑数据添加至商用前处理软件的模型库中。确定工件摆放位置后，选择工件支撑添加方案，再利用商业模型剖分软件进行剖分，形成切片文件，导入激光成形设备前处理软件中，待激光选区熔化成形设备准备就绪，将支撑结构与工件一次成形。
本发明通过利用激光选区熔化技术直接成形，与基材及工件作为区域性的连接，与工件连结部位采用点接触，工件加工成形后，采用手工或机械方式均易于去除并且对零件表面质量影响小，可最大限度的节约材料，控制生产成本，支撑结构体积小，有很好的使用价值。

Claims (5)

1.一种树枝状3D打印支撑结构，其特征在于，包括柱状的支撑主干(1)，沿支撑主干(1)圆周均匀分布有若干个柱状的一级分支(2)，沿每个一级分支(2)的圆周均匀分布有若干个柱状的二级分支(3)；所述的支撑主干(1)与每个一级分支(2)的连接处均设置有主结点(4)，每个所述的一级分支(2)与二级分支(3)的连接处均设置有次级结点(5)；所述的支撑主干(1)、一级分支(2)和二级分支(3)的横截面均为圆形，且其横截面内径比为4:3:2。
2.根据权利要求1所述的一种树枝状3D打印支撑结构，其特征在于，所述的一级分支(2)与支撑主干(1)的数量比为3-10:1，二级分支(3)与一级分支(2)的数量比为2-6:1。
3.根据权利要求2所述的一种树枝状3D打印支撑结构，其特征在于，所述的一级分支(2)与支撑主干(1)的夹角均为45°，所述的二级分支(3)与支撑主干(1)轴向的夹角均为45°。
4.根据权利要求2所述的一种树枝状3D打印支撑结构，其特征在于，所述的主结点(4)到支撑主干(1)底部的轴向距离与主结点(4)到支撑主干(1)顶部的轴向距离比为2:0.7-1.5；次级结点(5)到主结点(4)的距离与主结点(4)到支撑主干(1)底部的轴向距离比为1:1.5-3。
5.根据权利要求2所述的一种树枝状3D打印支撑结构，其特征在于，所述的支撑主干(1)、一级分支(2)和二级分支(3)的端部还分别设置有与其相匹配的半球状的圆角结构(6)，且其圆角结构(6)的内径比例为4:3:2。
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