CN106940737A

CN106940737A - 一种获取结构设计参数的方法

Info

Publication number: CN106940737A
Application number: CN201611254857.1A
Authority: CN
Inventors: 曹玄扬; 周朝辉; 李晓庚
Original assignee: Changsha New Material Industry Research Institute Co Ltd
Current assignee: Changsha New Material Industry Research Institute Co Ltd
Priority date: 2016-12-30
Filing date: 2016-12-30
Publication date: 2017-07-11

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。该获取结构设计参数的方法包括如下步骤：首先，逐层制造具有不同悬空长度的结构，直至所述结构发生塌陷；然后，观测发生塌陷的位置，获取悬空长度。本发明提供的逐层打印过程中结构设计参数的获取方法，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以及最大倾斜角，结果准确，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3D打印过程中悬空长度、最大倾斜角度等结构设计参数的方法。

背景技术

逐层制造技术应用广泛，其中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存在出入。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以获取不同材料打印悬垂结构时可悬空打印最大长度的方法，为特定的打印材料提供准确的设计参数依据。

本发明的技术方案为：一种获取结构设计参数的方法，包括如下步骤：

(1)首先，逐层制造具有不同悬空长度的结构，直至所述结构发生塌陷；

(2)然后，观测发生塌陷的位置，获取悬空长度。

获取的悬空长度优选是发生塌陷层(假设为第n层)的悬空长度，也可以是未发生塌陷的n-1层的悬空长度。如果考虑到设计的稳定性，也可以选择其他未发生塌陷层(n-m层，其中m小于n)的悬空长度。

进一步地，所述具有不同悬空长度的结构为拱形结构或倒梯形结构。

当所述的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。

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。

获取悬空长度的方法可以是计算法或者直接获取法：

1、计算法

(1)逐层打印一个半径大于临界塌陷半径的拱形结构，

(2)观测到塌陷的位置，

获取塌陷位置与圆心的连线与水平方向的夹角α，通过所述夹角α、层厚t和悬空长度L的几何关系，计算出悬空长度L。

其中，步骤(1)中所述的逐层制造是指3D打印，或者利用逐层制造的原理进行制造的方法，优选为SLM、SLA、SLS、FDM中的一种。

进一步地，所述的观测是指目测或设备检测。

进一步地，可以通过夹角α的变形(如90°-α或者180°-α等)与层厚t和悬空长度L的关系，计算悬空长度L。

进一步地，所述悬空长度L通过如下公式进行计算：

L＝t×tanα。

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，获取的方法例如是：通过打印程序中的参数计算得到，或者直接测量获知。获知第N层的悬空长度L_n，以及未发生塌陷的第N-1层的悬空长度L_N-1(即N-1层的悬空长度)，进一步的，根据实际设计需要，也可选择N-2、N-3等层的悬空长度。

最大可悬空长度L可以定为L_n，也可以定为L_n-1。有时根据设计需要，留有一定的设计余量，悬空长度定为L_n-△L，或者L_n-1±△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，比如是相应的悬空长度的m倍的长度；其中，m优选为0～1中的任意数值，进一步优选为0.01～0.99，更进一步优选为0.01～0.5，再进一步优选为0.01～0.2。

通过直接获取法获得的最大悬空长度L，根据其与最大倾斜角α、打印层厚t的关系，计算出最大倾斜角α。可以根据其三角函数关系计算最大倾斜角，其中，可选的计算方式为α为倾斜面与垂直方向的最大夹角。

进一步地，所述的获取悬空长度的方法为：通过打印程序中的参数设置直接获取或计算得到，或者直接测量获得。

一种获取结构设计参数的方法，根据上述方法，获取悬空长度L，并根据该悬空长度L与最大倾斜角α、层厚t的关系，计算获得最大倾斜角α。

本发明还涉及一种应用：

所述获取结构设计参数的方法在材料性能检测、产品的结构设计上的应用。

所述参数在材料性能检测、产品的结构设计上的应用。

进一步地，所述参数可以直接使用或者经过相应的变形后使用，所述夹角α的变形为90°-α或者180°-α，所述悬空长度L的变形为L±△L；

其中，△L可以是L₀的n倍，n优选为0～1中的任意数值，n进一步优选为0～0.5中的任意数值，n更进一步优选为0～0.2中的任意数值。

一般而言，临界塌陷半径R₀的获得方法为：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，左右两侧的塌陷点分别相连，两条连线的交点与圆心连线的长度即临界塌陷半径。

另外，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，以及发生塌陷的最大半径R2，临界塌陷半径大于等于R1，小于R2，在制作圆弧时，只要R大于等于R2则可以确保其大于临界塌陷半径。

优选的，拱形结构的厚度不超过20个单层打印层厚。

本发明所述的最大倾斜角是指倾斜面与垂直方向的最大夹角，大于该夹角，则需要添加支撑。

本发明提供的逐层打印过程中结构设计参数的获取方法，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以及最大倾斜角，结果准确，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是本发明的3D打印制造拱形结构的示意图。

图2是本发明的同心但是尺寸各异的拱形结构图。

图3是本发明的不同悬空长度的倒梯形结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步说明。

利用3D打印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厚度为40μm，其具体步骤如下：

(1)设计出一系列不同尺寸梯度的拱形结构(具体如图1和图2所示)，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。

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

1.一种获取结构设计参数的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(2)然后，观测发生塌陷的位置，获取悬空长度。

2.根据权利要求2所述的获取结构设计参数的方法，其特征在于，所述具有不同悬空长度的结构为拱形结构或倒梯形结构。

3.根据权利要求2所述的获取结构设计参数的方法，其特征在于，所述不同悬空长度的结构为拱形结构时，获取塌陷位置与圆心的连线与水平方向的夹角α，通过所述夹角α或α的变形、层厚t和悬空长度L的几何关系，计算出悬空长度L。

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，所述悬空长度L通过如下公式进行计算：

L＝t×tanα。

5.根据权利要求3或4所述的获取结构设计参数的方法，其特征在于，所述夹角α的变形是指90°-α或180°-α。

6.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，所述的获取悬空长度的方法为：通过打印程序中的参数设置直接获取或计算得到，或者直接测量获得。

7.一种获取结构设计参数的方法，其特征在于，根据权利要求1～6中任一项所述的方法，获取悬空长度L，并根据该悬空长度L与最大倾斜角、层厚t的关系，计算获得最大倾斜角。

8.根据权利要求1～7中任一项所述方法在材料性能检测、产品的结构设计上的应用。

9.根据权利要求1～7中任一项所述参数在材料性能检测、产品的结构设计上的应用。

10.根据权利要求9中所述的应用，其特征在于，所述参数可以直接使用或者经过相应的变形后使用，所述夹角α的变形为90°-α或者180°-α，所述悬空长度L的变形为L±△L；其中，△L可以是L的n倍；n优选为0～1中的任意数值，进一步优选为0～0.5中的任意数值，再进一步优选为0～0.2中的任意数值。