CN107856311A - 用于3d打印的树形支撑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于3D打印的树形支撑结构，具有树干，在树干顶部具有至少两根树枝，在树枝的顶部设有插入零件的上插入部，上插入部的长度为打印层厚的1～4倍。本发明用于3D打印的树形支撑结构，能够大幅度减少支撑结构的底部占用面积，并且能够为零件在提供大面积的支撑，同时还具有足够的支撑强度，在零件成型后树形支撑结构容易去除。

Description

用于3D打印的树形支撑结构
技术领域
本发明涉及用于3D打印的树形支撑结构。
背景技术
3D打印是增材制造的别称，3D打印的出现改变了传统制造模式，是一种高精度、个性化的快速成型技术。其通过重建设计三维数字化模型，采用离散材料逐层累加原理制造实体零件，可以完成几乎任意几何形状几何体的制造，让整个制造过程真正实现了智能化与数字化。
增材制造有很多种不同的成型方式，按照原材料的不同状态可以分为三大类：第一类增材制造原材料为液体，如光固化成型(Stereolithography，SLA)；第二类增材制造原材料为片状或丝状，如叠层实体制造(Laminated Object Manufacturing，LOM)和熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，FDM)；第三类增材制造原材料为粉末，如激光选区熔化(Selective Laser Melting，SLM)和激光选区烧结(Selective Laser Sintering，SLS)、激光近净成型(Laser Engineered Net Shaping,LENS)和电子束选区熔化(Electron BeamSelective Melting,EBSM)。
其中SLA、FDM、SLM、SLS和EBSM等成型工艺为防止热应力影响发生翘曲变形，也为了防止表面张力影响产生球化或下沉脱落，这些工艺均要求在成型零件的悬垂面添加支撑，保证成型的顺利进行。
3D打印过程中需要通过支撑结构对零件进行支撑，支撑结构要求既要求支撑能全面考虑到零件的悬垂面，有一定的强度，不会因为热应力影响而断裂，也要求加工结束后方便去除支撑结构，去除支撑结构时不会破坏零件的结构；减少支撑结构后处理时间，提高支撑面的表面质量。
目前3D打印工艺常用的支撑结构分为薄壁支撑和实体支撑两大类，其中薄壁支撑包括点支撑、线支撑、块状支撑和网状支撑等，这一类支撑结构对于零件悬垂面的覆盖较完整，但是强度较低，容易受热应力影响而断裂，造成成型失败，而且后续支撑结构的去除时间较长。精细结构添加了薄壁支撑后，去除很困难。其中实体支撑主要有锥形支撑和加厚度的块状支撑，这类支撑结构强度较大，不容易断裂，但是支撑节结构的成型时间长，会消耗较多的粉末，后续去除困难。
中国专利201621467381.5公开一种树形支撑结构，该支撑结构的树枝部分呈轴对称结构，并且均为圆柱形。圆柱形的树枝不但增大了与零件的接触面积，而且因圆柱的直径较粗且一致，在去除支撑结构时树枝不易折断，或未在预定部位折断，容易对零件造成损伤，也增加了后续的零件表面处理。
发明内容
本发明提供了一种用于3D打印的树形支撑结构，在减少支撑结构的底部占用面积的同时，还能够在提供有效支撑强度，并且容易去除。
本发明用于3D打印的树形支撑结构，具有树干，在树干顶部具有至少两根树枝，在树枝的顶部设有插入零件的上插入部，上插入部的长度为打印层厚的1～4倍。
优选的，在树干底部设有插入零件的下插入部，下插入部的长度为打印层厚的2～4倍。
进一步的，树枝上设有直径小于上插入部底部直径的断裂部。
可选的，所述的断裂部距离树枝的上插入部底部的长度为0.5～1.5mm。
进一步的，断裂部的直径为0.3～0.6mm。
进一步的，树干为圆锥形，其中树干的底部直径为1.2～3mm，树干的顶部直径为所述底部直径的0.6～0.8倍。
进一步的，树干的高度小于或等于所述树干底部直径的8倍。
进一步的，树枝为圆锥形，其中树枝的上插入部的底面直径为0.6～1mm，树枝的底部直径为所述上插入部的底面直径的1.2～1.5倍。
优选的，一根树干上的树枝数量小于或等于7根。
优选的，相邻的树干之间的间距为2～4mm，相邻的树枝之间的间距为1～2mm。
本发明用于3D打印的树形支撑结构，能够大幅度减少支撑结构的底部占用面积，并且能够为零件在提供大面积的支撑，同时还具有足够的支撑强度，在零件成型后树形支撑结构容易去除。
以下结合实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。
附图说明
图1为本发明用于3D打印的树形支撑结构的示意图。
图2为本发明具有断裂部的树形支撑结构的示意图。
图3为用于牙科金属支架的树形支撑结构的示意图。
图4为用于飞机发动机叶轮的树形支撑结构的示意图。
具体实施方式
如图1所示本发明用于3D打印的树形支撑结构，用于3D打印的树形支撑结构，具有树干1，在树干1顶部具有至少两根树枝2。在树枝2的顶部设有插入零件的上插入部，上插入部的长度为打印层厚的1～4倍。通过一根树干1上的多根树枝2，使支撑结构的底部占用最少的面积，而顶部的树枝2为零件提供了多个支撑面，使零件得到了全面的支撑。树枝2顶部的上插入部插入到零件内部1～4倍的打印层厚度，能够加强支撑的稳固性，避免树枝2和零件的接触面断裂或脱离。
在此基础上，在树干1底部设有插入零件的下插入部，下插入部的长度为打印层厚的2～4倍。当树形支撑支撑于零件中间部位或基板上时，为了保证树干1的稳定性，可以在树干1底部设有2～4倍打印层厚度的下插入部，插入到下方的零件内。树枝2优选为圆锥形，其中树枝2的上插入部的底面直径为0.6～1mm，树枝2的底部直径为所述上插入部的底面直径的1.2～1.5倍，保证每根树枝2与零件底面的接触面积尽量小，便于后续处理的同时，也能够保证树枝2本身的强度，不易因受热应力影响而折断。
如图2所示，为了方便后续对树形支撑的去除，当零件的支撑面面积大于400mm2时，可以在树枝2的颈部设置直径为0.3～0.6mm的断裂部3，断裂部3距离树枝2的上插入部底部的长度为0.5～1.5mm，并且断裂部3的直径小于树枝2上插入部底部直径。
树干1为圆锥形，其中树干1的底部直径为1.2～3mm，树干1的顶部直径为所述底部直径的0.6～0.8倍。为了保证树干1的稳固性，树干1的高度小于或等于所述树干1底部直径的8倍。一根树干1上的树枝2数量小于或等于7根。树干1底部之间的间距和顶部树枝2之间的间距，决定了树形支撑结构的密集度，可以设置相邻的树干1之间的间距为2～4mm，相邻的树枝2之间的间距为1～2mm。
本发明的树形支撑能够满足不同外形零件对支撑的要求，保证了对支撑面的全面支撑，保证了支撑的强度，而且还节约材料，在相同强度下，本发明的树形支撑结构耗费的材料仅为其他类型支撑的二分之一，并且未熔化的粉末不会残留在支撑之间。树形支撑结构耗费的成型时间更短，成型效率高，成型后树形支撑结构的去除也更容易，缩短了3D打印后处理的时间。
实施例1：
以用于牙科金属支架的树形支撑结构为例，采用激光选区熔化工艺成型。
如图1至图3所示，用于3D打印牙科金属支架的树形支撑结构，具有树干1，在树干1顶部具有树枝2。在树枝2的顶部设有插入零件的上插入部，上插入部的长度为打印层厚的3倍。通过一根树干1上的多根树枝2，使支撑结构的底部占用最少的面积，而顶部的树枝2为零件提供了多个支撑面，使零件得到了全面的支撑。设置树枝2顶部的上插入部插入到零件内部为3倍的打印层厚度，能够加强支撑的稳固性，避免树枝2和零件的接触面断裂或脱离。设置树干1底部插入基板内的深度为2倍的打印层厚度。
树干1为圆锥形，树干1的底部直径、顶部直径和树杆1的高度1决定了树形支撑结构的稳定性。其中树干1的底部直径为1.8mm，树干1的顶部直径为1.2mm，为了保证树干1的稳固性，树干1的最大高度设置为9mm。
树枝2设计包括了设置树枝2底部直径、树枝2顶部直径和一根树干1上可伸出树枝2的最大数目。树枝2决定了树形支撑结构对零件的支撑作用。将树枝2的上插入部的底面直径设置为0.7mm，树枝2底部直径设置为1mm，一根树干1上的树枝2数目最多为5根。
设置树干1底部之间的间距和顶部树枝2之间的间距，这决定了树形支撑结构的密集度。其中树干1底部之间相邻的间距设置为2.5mm，树枝2之间的相邻间距设置为1.2mm。
如图2所示，为了方便后续对树形支撑结构的去除，在树枝2的颈部设置断裂部3。断裂部3的直径设置为0.5mm，断裂部3距离树枝2的上插入部底部0.5mm。通过以上步骤，如图3所示，形成了用于牙科金属支架的树形支撑结构。
实施例2：
本实施例以用于发动机叶轮的悬垂面的树形支撑结构为例。
如图1、图2和图4所示，用于3D打印发动机叶轮的树形支撑结构，具有树干1，在树干1顶部具有树枝2。在树枝2的顶部设有插入零件的上插入部，上插入部的长度为打印层厚的3倍。通过一根树干1上的多根树枝2，使支撑结构的底部占用最少的面积，而顶部的树枝2为零件提供了多个支撑面，使零件得到了全面的支撑。设置树枝2顶部的上插入部插入到零件内部为2倍的打印层厚度，能够加强支撑的稳固性，避免树枝2和零件的接触面断裂或脱离。设置树干1底部插入基板内的深度为2倍的打印层厚度。
树干1为圆锥形，树干1的底部直径为1.2mm，树干1的顶部直径为1mm，为了保证树干1的稳固性，树干1的最大高度为6mm。
树枝2的上插入部的底面直径设置为0.6mm，树枝2的底部直径设置为0.8mm，一根树干1上的树枝2最多为4根。
树干1底部之间的相邻间距设置为2mm，树枝2的相邻间距设置为1.2mm。
为了方便后续对树形支撑结构的去除，在树枝2颈部设置断裂部3。断裂部3的直径设置为0.5mm，断裂部3与树枝2的上插入部的底面距离设置为0.5mm。如图5所示，形成发动机叶轮的树形支撑结构。

Claims (10)

1.用于3D打印的树形支撑结构，具有树干(1)，在树干(1)顶部具有至少两根树枝(2)，其特征为：在树枝(2)的顶部设有插入零件的上插入部，上插入部的长度为打印层厚的1～4倍。
2.如权利要求1所述的用于3D打印的树形支撑结构，其特征为：在树干(1)底部设有插入零件的下插入部，下插入部的长度为打印层厚的2～4倍。
3.如权利要求1所述的用于3D打印的树形支撑结构，其特征为：树枝(2)上设有直径小于上插入部底部直径的断裂部(3)。
4.如权利要求3所述的用于3D打印的树形支撑结构，其特征为：所述的断裂部(3)距离树枝(2)的上插入部底部的长度为0.5～1.5mm。
5.如权利要求3所述的用于3D打印的树形支撑结构，其特征为：断裂部(3)的直径为0.3～0.6mm。
6.如权利要求1所述的用于3D打印的树形支撑结构，其特征为：树干(1)为圆锥形，其中树干(1)的底部直径为1.2～3mm，树干(1)的顶部直径为所述底部直径的0.6～0.8倍。
7.如权利要求6所述的用于3D打印的树形支撑结构，其特征为：树干(1)的高度小于或等于所述树干(1)底部直径的8倍。
8.如权利要求1所述的用于3D打印的树形支撑结构，其特征为：树枝(2)为圆锥形，其中树枝(2)的上插入部的底面直径为0.6～1mm，树枝(2)的底部直径为所述上插入部的底面直径的1.2～1.5倍。
9.如权利要求1所述的用于3D打印的树形支撑结构，其特征为：一根树干(1)上的树枝(2)数量小于或等于7根。
10.如权利要求1所述的用于3D打印的树形支撑结构，其特征为：相邻的树干(1)之间的间距为2～4mm，相邻的树枝(2)之间的间距为1～2mm。
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