CN107685148A - 用于增材制造的组合支撑结构的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于增材制造的组合支撑结构的设计方法，包括以下步骤：a.创建三维零件的模型；b.确定零件模型的摆放形式与位置；c.创建具有预定的偏置量的第一类型的支撑结构，使得所述第一类型的支撑结构与所述零件之间存在一定的空间；d.创建与所述偏置量等高的第二类型的支撑结构，并设置在所述空间中。

Description

用于增材制造的组合支撑结构的设计方法
技术领域
本发明涉及增材制造领域，具体地涉及一种用于增材制造的组合支撑结构的设计方法。
背景技术
选区激光熔化金属增材制造与金属焊接具有相似的制造状态，即在制造过程中会产生大量的热量，当材料热导率小和/或零件形状不利于散热时会形成一定的温度梯度；并且由于不同高度、水平方向不同区域不同时熔化凝固。温度梯度和不同时熔化凝固这两个因素均会造成很大的内应力，如果不通过合理的方法改善，零件会产生扭曲变形，阻碍制造过程的继续，即使能完成制造，零件也会因变形而产生较大的形位偏差，影响使用。因此在生长零件的同时需要生长一些额外的结构，来改善上述状况，我们称之为支撑(support)。
目前较为常用的支撑形式有网格结构、树形结构以及实体结构等，可以将增材制造过程中产生的热量传导到基板，从而降低温度梯度；支撑具有一定的强度，可以抵抗零件的应力变形；并且支撑还能起到承载零件重量的作用。图1(a)～图1(c)为上述支撑结构的示意图，其中图1(a)为网格支撑，图1(b)为树形支撑，图1(c)为实体支撑。图中的标号101表示零件，102表示网格支撑，103表示树形支撑，104表示实体支撑。
但是，很多时候会发现一种支撑形式无法满足制造的要求，或者说需要不同的支撑形式组合使用，才能达到最好的效果。例如，当零件应力较大，网格支撑不足以拉住硬件的变形时，需要同时采用网格支撑和实体支撑互相配合的策略，其中网格支撑主要保证表面质量，实体支撑主要保证零件不发生应力变形。
不过还有一些比较尴尬的情况，就是存在一些细而高的网格支撑。因为细而高的网格支撑的强度和刚度都不足，并且一直会和刮刀有或轻或重的摩擦，所以细而高的支撑是制造不出来的。改善这种缺陷通常的做法有两种：
1)扩大支撑的面积，来增加其强度和刚度；
2)将细而高的网格支撑转变为实体支撑。
但是，第一种方法增加耗粉量，并且很难判断修改后是否可行；第二种方法，增加制造时间，同时给后处理带来了很大麻烦，因为实体支撑只能通过机加工方式去除。因此，需要寻找另外的解决方案。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种用于增材制造的组合支撑结构的设计方法，将实体支撑类型进行一定量的偏置，在相同的位置再生成与实体支撑偏置量等高的网格支撑，从而得到下部实体上部网格的组合支撑结构。这种支撑结构一方面可以降低细而高网格支撑的高度，提高其刚度而增加稳定性，另一方面，可以在尽量不增加制造时间的情况下，方便后期的支撑去除。
根据本发明的第一方面，提供一种用于增材制造的组合支撑结构的设计方法，包括以下步骤：a.创建三维零件的模型；b.确定零件模型的摆放形式与位置；c.创建具有预定的偏置量的第一类型的支撑结构，使得所述第一类型的支撑结构与所述零件之间存在一定的空间；d.创建与所述偏置量等高的第二类型的支撑结构，并设置在所述空间中。
根据本发明的用于增材制造的组合支撑结构的设计方法，所述第一类型的支撑结构为实体支撑，所述第二类型的支撑结构为网格支撑。
根据本发明的用于增材制造的组合支撑结构的设计方法，所述第一类型的支撑结构为网格支撑，所述第二类型的支撑结构为实体支撑。
根据本发明的用于增材制造的组合支撑结构的设计方法，所述步骤c进一步包括：e1.自动生成所述第二类型的支撑结构；f1.从生成的所述第二类型的支撑结构中识别出预定的支撑结构；g1.将识别出的预定的支撑结构修改成为所述第一类型的支撑结构；h1.对步骤g1中第一类型的支撑结构设置预定的偏置量，使得所述第一类型的支撑结构与所述零件之间存在一定的空间。
根据本发明的用于增材制造的组合支撑结构的设计方法，所述步骤c进一步包括：e2.自动生成所述第一类型的支撑结构；f2.从生成的所述第一类型的支撑结构中识别出预定的支撑结构；g2.对步骤f2中第一类型的支撑结构设置预定的偏置量，使得所述第一类型的支撑结构与所述零件之间存在一定的空间。
根据本发明的用于增材制造的组合支撑结构的设计方法，所述步骤d进一步包括：r.创建与具有预定的偏置量的第一类型的支撑结构同位置等数量的支撑类型为空的支撑面；s.将所述支撑面的支撑类型修改为所述的第二类型；t.将所述支撑面的高度修改为与所述的偏置量的高度相等，并设置在所述空间中。
根据本发明的用于增材制造的组合支撑结构的设计方法，所述预定的支撑结构包括细而高的支撑结构。
根据本发明的用于增材制造的组合支撑结构的设计方法，所述预定的支撑结构满足以下条件：
a)H/min{L,W}≥5；
b)支撑结构的截面积≤25mm2；
其中：H为支撑结构的高度；
L为支撑结构的长度；
W为支撑结构的宽度。
当零件因为结构原因，使得自动生成的支撑中存在一些细而高的网格支撑时，这些细而高的网格支撑是很难成形，一般的解决方法有以下两种：
1)人为的扩大支撑的面积，来增加其强度和刚度；
2)将细而高的网格支撑转变为实体支撑。
但是，第一种方法增加耗粉量，并且很难判断修改后是否可行；第二种方法，增加制造时间，同时给后处理带来了很大麻烦，因为实体支撑只能通过机加工去除。
通过本发明的设计方法得到的下部实体上部网格的组合支撑形式，可以改善细而高的网格支撑无法成形的问题，同时化解一般方法存在的如上所述的不足。
附图说明
图1(a)～图1(c)为目前常用的支撑结构的示意图，其中图1(a)为网格支撑结构，图1(b)为树形支撑结构，图1(c)为实体支撑结构；
图2示意了本发明实施例1的组合支撑结构的设计方法的流程图；
图3示意了支撑结构的设计软件的操作界面；
图4示意了零件与自动添加的网格支撑结构；
图5示意了细而高的支撑结构的识别方法；
图6(a)～图6(d)示意了给支撑结构设置偏置量的操作界面，其中，图6(a)为修改支撑类型，图6(b)和图6(c)为修改主要参数，图6(d)为给支撑结构设置了偏置量后的状态；
图7(a)～图7(d)示意了创建支撑面并设置支撑面的高度的操作界面，其中，图7(a)为复制支撑面，图7(b)为修改支撑面的支撑类型，图7(c)为修改支撑面的高度，图7(d)为修改了支撑面的高度后的状态；
图8示意了零件与组合支撑结构；
图9示意了本发明实施例2的组合支撑结构的设计方法的流程图；
具体实施方式
选区激光熔化金属增材制造技术根据零件的三维模型数据，通过成型设备以材料累加的方式制成实物零件。以下结合附图详细介绍本发明的组合支撑结构的设计方法。需要说明的是，附图仅用于示例说明，不能理解为对本发明的限制。
[实施例1]
图2示意了实施例1的组合支撑结构的设计方法的流程图。在步骤S101，创建三维零件的模型。通常是利用三维制图软件创建三维零件的模型。本实施例采用的三维制图软件是Materialise Magics(vision.18.0&19.0)。图3示意了该三维制图软件的操作界面。打开Magics软件，导入零件模型。
在步骤S102，通过修复、方位调整后，确定三维零件模型的摆放形式与位置。
在步骤S103，自动生成网格支撑结构。图4示意了三维零件与自动添加的网格支撑结构。如图4所示，确定了零件101的摆放形式与位置后，用设计软件自动生成了网格支撑结构102。
在步骤S104，识别出细而高的支撑结构。具体的说，从生成的网格支撑结构中识别出细而高的网格支撑结构。如何识别出细而高的支撑结构，可根据设计人员的自身经验，也可以根据以下的方法来进行判别。图5示意了细而高的支撑结构的识别方法。如图5所示，标号301代表细而高的支撑结构的长度、302代表宽度、303代表高度，如果满足以下条件则判断为细而高的支撑结构：
a)H/min{L,W}≥5；
b)支撑结构的截面积≤25mm2；
其中：H为支撑结构的高度；
L为支撑结构的长度；
W为支撑结构的宽度。
在步骤S105，修改支撑类型。具体的说，将识别出的细而高的网格支撑结构修改成为实体支撑结构。图6(a)示意了在软件中修改支撑类型的操作界面。如图6(a)所示，在支撑列表中，将识别出的网格支撑选中，将其支撑类型(type)由网格(block)修改为实体(volume)。
在步骤S106，设置预定的偏置量。具体的说，对步骤S105所生成的实体支撑结构设置预定的偏置量，使得实体支撑结构与零件之间存在一定的空间。如图6(b)和图6(c)所示，修改主要参数：
Support parameters pages>common>XYoffset/Z offset
XY offset：0；Z upper offset：2～5mm，
通过修改以上的参数，对步骤S105所生成的实体支撑结构设置了预定的偏置量，图6(d)示意了设置偏置量后的零件与实体支撑结构。如图6(d)所示，设置了预定偏置量的实体支撑结构与零件之间形成了一定的空间。
在步骤S107，创建等数量的支撑面。具体的说，在与步骤S105所生成的实体支撑结构相同的位置处创建与实体支撑结构等数量的支撑类型为空的支撑面。图7(a)示意了复制支撑面的操作。如图7(a)所示，在支撑列表中，将刚刚修改了类型的支撑再次选中，然后点击右键，在下拉菜单中选择duplicate surface选项，复制支撑面，得到与步骤S105所生成的实体支撑结构等数量的支撑类型为空(none)的支撑面。
在步骤S108，修改支撑面的支撑类型。具体地说，将步骤S107复制的支撑面的支撑类型修改为网格支撑。图7(b)示意了修改支撑面的支撑类型的操作。如图7(b)所示，将步骤S107复制得到的支撑面全部选中，将其支撑类型由空(none)修改为网格(block)。
在步骤S109，修改支撑面的高度并进行设置。具体地说，将步骤S108中修改为网格类型的支撑面的高度修改为与步骤S106中所设置的偏置量相等，并将其设置在步骤S106中实体支撑结构与零件之间形成的空间。图7(c)示意了修改支撑面的高度的操作。如图7(c)所示，修改其中最重要的一个参数：
Support parameters pages>common>Support length>fixed length
length值＝Z upper offset。
通过修改以上的参数，将步骤S108中修改为网格类型的支撑面的高度修改为与步骤S106中所设置的偏置量相等。图7(d)示意了修改了支撑面的高度后的状态。如图7(d)所示，网格类型的支撑面的高度与步骤S106中所设置的偏置量相等，然后将其设置在步骤S106中实体支撑结构与零件之间形成的空间，形成下部实体上部网格的组合支撑结构。接下来再根据经验修改网格支撑的其他参数，使其满足打印要求。
图8示意了最终形成的下部实体上部网格的组合支撑结构。其中，零件101的细而高的支撑为下部实体支撑104上部网格支撑102的组合支撑结构。
在本实施例中，如图8所示，最终形成的组合支撑结构是下部为实体支撑803、上部为网格支撑802。上部的网格支撑802保证表面质量，下部的实体支撑803保证零件不发生应力变形。
[实施例2]
图9示意了实施例2的组合支撑结构的设计方法的流程图。实施例2的组合支撑结构的设计方法与实施例1的区别主要在于步骤S103，并且省去了实施例1的步骤S105。以下结合图9介绍实施例2的组合支撑结构的设计方法。
步骤S201和S202与实施例1的步骤S101和S102基本相同，创建三维零件的模型。通过修复、方位调整后，确定三维零件模型的摆放形式与位置。
在步骤S203，自动生成实体支撑结构。该步骤与实施例1的步骤S103不同，区别在于自动生成的支撑结构的类型不同。在实施例1的步骤S103，自动生成网格支撑结构，在该步骤S203中，自动生成实体支撑结构。自动生成哪种类型的支撑结构是可以由设计人员自由设定的。
步骤S204与实施例1的步骤S104基本相同，识别出细而高的支撑结构。具体的说，在本实施例2中，识别出细而高的实体支撑结构。识别的方法与实施例1的步骤S104相同，这里不再赘述。
由于本实施例直接生成了实体支撑结构，因此省略了实施例1的修改支撑类型的步骤S105。
步骤S205与实施例1的步骤S106基本相同，对于实体支撑结构设置预定的偏置量，使得实体支撑结构与零件之间存在一定的空间。具体的设置方法如步骤S106中所述，这里不再赘述。
步骤S206与实施例1的步骤S107基本相同，在与实体支撑结构相同的位置处创建与实体支撑结构等数量的支撑类型为空的支撑面。具体的创建方法如步骤S107中所述，这里不再赘述。
步骤S207与实施例1的步骤S108基本相同，将复制的支撑面的支撑类型修改为网格支撑。具体的操作方法如步骤S108中所述，这里不再赘述。
步骤S208与实施例1的步骤S109基本相同，将网格类型的支撑面的高度修改为与步骤S205中所设置的偏置量相等，并将其设置在步骤S205中实体支撑结构与零件之间形成的空间。具体的操作方法如步骤S109中所述，这里不再赘述。
在本实施例2中，最终形成的组合支撑结构也是下部为实体支撑、上部为网格支撑，该组合支撑结构能够达到与实施例1中的组合支撑结构相同的技术效果。
当零件因为结构原因，使得自动生成的支撑中存在一些细而高的网格支撑时，这些细而高的网格支撑是很难成形，一般的解决方法有以下两种：
1)人为的扩大支撑的面积，来增加其强度和刚度；
2)将细而高的网格支撑转变为实体支撑。
但是，第一种方法增加耗粉量，并且很难判断修改后是否可行；第二种方法，增加制造时间，同时给后处理带来了很大麻烦，因为实体支撑只能通过机加工去除。
本发明得到的下部实体上部网格的组合支撑形式，可以改善细而高的网格支撑无法成形的问题，同时化解一般方法存在的如上所述的不足。
以上结合两个实施例介绍了本发明涉及的下部实体上部网格的组合支撑结构的设计方法。同样的设计方法也可以用来设计下部网格上部实体的组合支撑结构，这对于本领域技术人员而言是容易理解的。
以上记载了本发明的优选实施例，但是本发明的精神和范围不限于这里所公开的具体内容。本领域技术人员能够根据本发明的教导而做出更多的实施方式和应用，这些实施方式和应用都在本发明的精神和范围内。本发明的精神和范围不由具体实施例来限定，而由权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种用于增材制造的组合支撑结构的设计方法，包括以下步骤：
a.创建三维零件的模型；
b.确定零件模型的摆放形式与位置；
c.创建具有预定的偏置量的第一类型的支撑结构，使得所述第一类型的支撑结构与所述零件之间存在一定的空间；
d.创建与所述偏置量等高的第二类型的支撑结构，并设置在所述空间中。
2.根据权利要求1所述的用于增材制造的组合支撑结构的设计方法，其特征在于，所述第一类型的支撑结构为实体支撑，所述第二类型的支撑结构为网格支撑。
3.根据权利要求1所述的用于增材制造的组合支撑结构的设计方法，其特征在于，所述第一类型的支撑结构为网格支撑，所述第二类型的支撑结构为实体支撑。
4.根据权利要求2或3所述的用于增材制造的组合支撑结构的设计方法，其特征在于，所述步骤c进一步包括：
e1.自动生成所述第二类型的支撑结构；
f1.从生成的所述第二类型的支撑结构中识别出预定的支撑结构；
g1.将识别出的预定的支撑结构修改成为所述第一类型的支撑结构；
h1.对步骤g1中第一类型的支撑结构设置预定的偏置量，使得所述第一类型的支撑结构与所述零件之间存在一定的空间。
5.根据权利要求2或3所述的用于增材制造的组合支撑结构的设计方法，其特征在于，所述步骤c进一步包括：
e2.自动生成所述第一类型的支撑结构；
f2.从生成的所述第一类型的支撑结构中识别出预定的支撑结构；
g2.对步骤f2中第一类型的支撑结构设置预定的偏置量，使得所述第一类型的支撑结构与所述零件之间存在一定的空间。
6.根据权利要求2或3所述的用于增材制造的组合支撑结构的设计方法，其特征在于，所述步骤d进一步包括：
r.创建与具有预定的偏置量的第一类型的支撑结构同位置等数量的支撑类型为空的支撑面；
s.将所述支撑面的支撑类型修改为所述的第二类型；
t.将所述支撑面的高度修改为与所述的偏置量的高度相等，并设置在所述空间中。
7.根据权利要求4所述的用于增材制造的组合支撑结构的设计方法，其特征在于，所述预定的支撑结构包括细而高的支撑结构。
8.根据权利要求5所述的用于增材制造的组合支撑结构的设计方法，其特征在于，所述预定的支撑结构包括细而高的支撑结构。
9.根据权利要求7或8所述的用于增材制造的组合支撑结构的设计方法，其特征在于，所述预定的支撑结构满足以下条件：
a)H/min{L,W}≥5；
b)支撑结构的截面积≤25mm2；
其中：H为支撑结构的高度；
L为支撑结构的长度；
W为支撑结构的宽度。
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