CN109420761A - 悬空结构金属件的3d打印方法 - Google Patents

悬空结构金属件的3d打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及3D打印制造技术领域，提供一种悬空结构金属件的3D打印方法，其步骤如下：首先，选择打印方位，该打印方位是指悬空结构金属件在基座平台上的放置方位；其次，选择支撑件的打印位置，该支撑件以悬空结构金属件上的应力集中部分为支撑基准位；再次，选择支撑件的打印致密度，支撑件以所支撑的上层悬空结构金属件的重量为基准；最后，在前期准备工作完成后，进行打印成型，打印成型过程如下，以平行于基座平台的方向自下而上逐层铺设金属粉末，并且，在每铺设一层金属粉末后进行激光烧结成型，完成烧结后铺设另一层金属粉末，如此循环往复直至悬空结构金属件的最后一层金属粉末完成烧结，即封顶。

Description

悬空结构金属件的3D打印方法
技术领域
本发明涉及3D打印制造技术领域，尤其提供一种悬空结构金属件的3D打印方法。
背景技术
增材制造技术是一种由CAD模型直接驱动，将材料逐层或逐点堆积出实体零件的技术总称，与传统切削加工技术相比，是一种“自上而下、分层制造、逐层叠加”的加法制造思想。而金属件3D打印技术则是将金属粉末逐层铺好，再利用激光烧结铺好的金属粉末，这样，铺一层烧一层直至完整成型。
所谓悬空结构件是指结构主体上存在孔空洞、孔隙以及外延伸部分的零部件。在利用传统金属3D打印制造该种零部件的过程中，为了避免悬空结构处的粉末出现塌陷或下沉的现象，通常在该区域进行支撑结构的打印，以保证悬空结构处封顶成型。但是，传统金属3D打印技术缺乏对支撑结构的结构选择和位置选择上无判断，而支撑结构在打印完成后需除去的部分，这样，悬空结构件的制造效率以及成型质量低，而且制造成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种悬空结构金属件的3D打印方法，旨在解决现有技术中的3D打印方法在制造悬空结构件时出现的制造效率低、成型质量低以及制造成本高的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种悬空结构金属件的3D打印方法，所述悬空结构金属件的3D打印方法包括如下步骤：
步骤一：选择打印方位，以悬空结构金属件投射至基座平台上面积最大的投影面为定位基准面；
步骤二：选择支撑件的打印位置，所述支撑件以所述悬空结构金属件上的应力集中部位为支撑基准位；
步骤三：选择所述支撑件的打印致密度，所述支撑件以所支撑的上层所述悬空结构金属件的重量为基准；
步骤四：完成打印成型，以平行于所述基座平台的方向自下而上逐层铺设金属粉末，并且，每铺设完一层金属粉末后进行激光烧结成型，完成烧结后铺设另一层金属粉末，循环往复直至封顶。
进一步地，在所述步骤一中，所述悬空结构金属件于所述基座平台上的预设打印方位与金属粉末的铺设方向呈夹角。
进一步地，在所述步骤二中，所述悬空结构金属件包括主体以及由所述主体向外延伸的伸出部，所述应力集中部位位于所述主体与所述伸出部的连接处，所述支撑件由所述连接处远离所述主体的方向铺设于所述伸出部与所述基座平台之间。
具体地，所述伸出部沿所述主体向外伸出的方向与所述金属粉末的铺设方向相同。
具体地，所述伸出部与所述基座平台之间的最小夹角范围为40°～45°。
进一步地，在所述步骤二中，所述主体上开设孔洞结构，所述应力集中部位位于所述孔洞结构沿打印成型方向远离所述基座平台的封顶处，所述支撑件设于所述封顶处且沿所述孔洞结构的凹陷方向铺设。
进一步地，在所述步骤三中，所述支撑件的打印致密度根据所支撑的上层所述悬空结构金属件的重量可分为大于所述悬空结构金属件的打印致密度、等于所述悬空结构金属件的打印致密度以及小于所述悬空结构金属件的打印致密度。
具体地，在所述步骤四中，打印成型通过粉末铺设加工平台来完成，所述粉末铺设加工平台包括加料刀、刮刀、集料盒以及收料盒，所述集料盒和所述收料盒对称设置在待打印成型的所述悬空结构金属件的相对两侧且与金属粉末铺设方向相同，所述加料刀从所述集料盒中取出金属粉末沿金属粉末铺设方向铺设于所述基座平台上的所述定位基准面内，所述刮刀沿金属粉末铺设方向刮平金属粉末以使金属粉末的表面形成与所述基座平台相平行的待烧结平面，多余的金属粉末由所述刮刀移载至所述收料盒内，所述待烧结面完成烧结后，所述基座平台沿竖直方向向下平移以使所述加料刀的高度高于所述待烧结平面的高度，以上为一层金属粉末成型的打印周期，多次重复上述所述打印周期成型形成半成品悬空结构金属件。
进一步地，在所述步骤四中，所述半成品悬空结构金属件的外观面上预留用于定位装夹的装夹基准面。
进一步地，所述悬空结构金属件的3D打印方法还包括步骤五，在所述步骤五中，对完成打印的所述悬空结构金属件的表面进行精细加工，除去所述支撑件。
本发明的有益效果：本发明提供的悬空结构金属件的3D打印方法，其步骤如下：首先选择打印方位，该打印方位是指悬空结构金属件在基座平台上的放置方位，以悬空结构金属件投射至基座平台上面积最大的投影面作为定位基准面，这样，确保悬空结构金属件在打印过程中的稳定性，同时，减少悬臂梁结构的出现，降低打印难度，缩短打印成型时间；其次，选择支撑件的打印位置，该支撑件以悬空结构金属件上的应力集中部分为支撑基准位，由于悬空结构金属件的应力集中部分在打印过程中优先出现崩塌现象，在该处设置支撑件可降低或避免应力应变的发生，从而提高悬空结构金属件的成型质量；再次，选择支撑件的打印致密度，支撑件以所支撑的上层悬空结构金属件的重量为基准，由于打印成型于支撑件上层的悬空结构金属件的重量不同，因此，以此为基准确定支撑件的打印致密度，可有效地控制支撑件的打印成型时间，保证悬空结构金属件在打印过程中的成型精度，进一步提高悬空结构金属件的成型质量，以及有效地控制制造成本，这里，支撑件仅是用于辅助悬空结构金属件的成型，悬空结构金属件成型后需除去，因此，缩短支撑件的打印时间可提高悬空结构金属件的成型效率，降低制造成本；最后，在前期准备工作完成后，进行打印成型，打印成型过程如下，以平行于基座平台的方向自下而上逐层铺设金属粉末，并且，在每铺设一层金属粉末后进行激光烧结成型，完成烧结后铺设另一层金属粉末，如此循环往复直至悬空结构金属件的最后一层金属粉末完成烧结，即封顶。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的悬空结构金属件的3D打印方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参考图1，本发明实施例提供的悬空结构金属件的3D打印方法包括如下步骤：
步骤S01：选择打印方位，以悬空结构金属件投射至基座平台上面积最大的投影面为定位基准面；
步骤S02：选择支撑件的打印位置，所述支撑件以所述悬空结构金属件上的应力集中部位为支撑基准位；
步骤S03：选择所述支撑件的打印致密度，所述支撑件以所支撑的上层所述悬空结构金属件的重量为基准；
步骤S04：完成打印成型，以平行于所述基座平台的方向自下而上逐层布设金属粉末，并且，每铺设完一层金属粉末后进行激光烧结成型，后铺设另一层金属粉末，循环往复直至封顶。
本发明实施例提供的悬空结构金属件的3D打印方法，其步骤如下：首先选择打印方位，该打印方位是指悬空结构金属件在基座平台上的放置方位，以悬空结构金属件投射至基座平台上面积最大的投影面作为定位基准面，这样，确保悬空结构金属件在打印过程中的稳定性，同时，减少悬臂梁结构的出现，降低打印难度，缩短打印成型时间；其次，选择支撑件的打印位置，该支撑件以悬空结构金属件上的应力集中部分为支撑基准位，由于悬空结构金属件的应力集中部分在打印过程中优先出现崩塌现象，在该处设置支撑件可降低或避免应力应变的发生，从而提高悬空结构金属件的成型质量；再次，选择支撑件的打印致密度，支撑件以所支撑的上层悬空结构金属件的重量为基准，由于打印成型于支撑件上层的悬空结构金属件的重量不同，因此，以此为基准确定支撑件的打印致密度，可有效地控制支撑件的打印成型时间，保证悬空结构金属件在打印过程中的成型精度，进一步提高悬空结构金属件的成型质量，以及有效地控制制造成本，这里，支撑件仅是用于辅助悬空结构金属件的成型，悬空结构金属件成型后需除去，因此，缩短支撑件的打印时间可提高悬空结构金属件的成型效率，降低制造成本；最后，在前期准备工作完成后，进行打印成型，打印成型过程如下，以平行于基座平台的方向自下而上逐层铺设金属粉末，并且，在每铺设一层金属粉末后进行激光烧结成型，完成烧结后铺设另一层金属粉末，如此循环往复直至悬空结构金属件的最后一层金属粉末完成烧结，即封顶。
进一步地，在步骤S01中，悬空结构金属件在基座平台上的预设打印方位与金属粉末的铺设方向呈夹角，即悬空结构金属件在基座平台上的预设打印方位不可与金属粉末的铺设方向相平行，这样，减小金属粉末铺设过程所受到的阻力，以及保证悬空金属结构已完成打印成型部分的定位基准面不变或在误差范围内变化。
进一步地，在步骤S02中，悬空结构金属件包括主体以及由主体向外延伸的伸出部，这里，主体投射在基座平台上的投影面面积和伸出部投射在基座平台上的投影面面积之和等于定位基准面的面积，应力集中发生在主体与伸出部的连接处，为了保证成型质量，支撑件由连接处远离主体的方向铺设在伸出部与基座平台之间，即对伸出部形成支撑。具体地，伸出部可为悬臂梁结构或悬空横梁结构。
进一步地，在步骤S02中，若需要多个支撑件，并且支撑件的打印高度较高时，相邻的支撑件之间通过打印成型连接在一起，或者相邻的支撑件之间存在配合间隙，在误差允许范围内可相抵靠在一起，这样，可避免支撑件的打印方位发生偏离，从而保证位于支撑件上层的伸出部的打印方位不变或在误差范围内发生变化。
具体地，在本实施例中，伸出部沿主体向外出的方向与金属粉末铺设方向相同，这样，可减小金属粉末铺设过程所受到的阻力，从而提高伸出部处金属粉末的铺设精度，以及保证伸出部已完成打印成型部分的定位基准面不变或在误差范围内变化。
具体地，在本实施例中，伸出部与基座平台之间的最小夹角范围为40°～45°，例如，该最小夹角可为40.5°、41°、41.5°、42°、42.5°、43°、43.5°、44°、44.5°以及45°。优选地，伸出部为悬臂梁结构，即悬臂梁结构与基座平台之间最小夹角范围为40°～45°，若悬臂梁结构与基座平台之间夹角小于该最小夹角，那么该悬臂梁结构则需要更多的支撑件对其进行支撑，这样，增加了支撑件从悬臂梁结构上除去的时间，并且，悬臂梁结构朝向基座平面的一侧也更粗糙，需要花费更长的时间对其进行抛光。
具体地，在本实施例中，在步骤S02中，主体上开设孔洞结构，应力集中部位位于孔洞结构沿打印成型方向远离基座平台的封顶处，支撑件设于封顶处且沿孔洞结构的凹陷方向铺设。
具体地，在步骤S03中，支撑件的打印致密度根据所支撑的上层悬空结构金属件的重量可分为大于悬空结构金属件的打印致密度、等于悬空结构金属件的打印致密度以及小于悬空结构金属件的打印致密度。优选地，当支撑件的打印致密度小于悬空结构金属件的打印致密度时，支撑件可为疏松网格支撑件，疏松网格支撑件由多个正方形网格沿打印成型方向层叠形成，该正方形网格的壁厚范围为0.1mm～10mm，相邻正方形网格之间的间隙长度范围为0.5mm～1mm。这样，支撑件的打印成型时间大大缩短，进而提高了悬空结构金属的成型效率。
具体地，在步骤S04中，打印成型通过粉末铺设加工平台(图中未示)来完成的。粉末铺设加工平台包括加料刀、刮刀、集料盒以及收料盒，集料盒和收料盒对称设置在待打印成型的悬空结构金属件的相对两侧且与金属粉末铺设方向相同，这样，缩短了金属粉末的运动行程，缩短了成型时间。加料刀从集料盒中取出金属粉末沿金属粉末铺设方向铺设于基座平台上的定位基准面内，而刮刀沿金属粉末铺设方向刮平金属粉末以使金属粉末的表面形成与基座平台相平行的待烧结平面，多余的金属粉末由刮刀移载至收料盒内，待烧结面完成烧结后，基座平台沿竖直方向向下平移以使加料刀的高度高于待烧结平面的高度，以上为一层金属粉末成型的打印周期，多次重复上述打印周期成型形成半成品悬空结构金属件。
具体地，在步骤S04中，由于需要除去半成品悬空结构金属件上的支撑件，那么，半成品悬空结构金属件的外观面上需预留装夹基准面，以便后续定位装夹。即在装夹基准面上不可设置支撑件。
进一步地，悬空结构金属件的3D打印方法还包括步骤五，在所述步骤S05中，对完成打印的悬空结构金属件的表面进行精细加工，除去支撑件。具体地，可将半成品悬空结构金属件在数控加工机床上进行表面精细加工，数控加工机床的夹具装夹在装夹基准面上，除去各支撑件，并且，对悬空结构金属件的外观面进行抛光形成成品。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种悬空结构金属件的3D打印方法，其特征在于：所述悬空结构金属件的3D打印方法包括如下步骤：
步骤一：选择打印方位，以悬空结构金属件投射至基座平台上面积最大的投影面为定位基准面；
步骤二：选择支撑件的打印位置，所述支撑件以所述悬空结构金属件上的应力集中部位为支撑基准位；
步骤三：选择所述支撑件的打印致密度，所述支撑件以所支撑的上层所述悬空结构金属件的重量为基准；
步骤四：完成打印成型，以平行于所述基座平台的方向自下而上逐层铺设金属粉末，并且，每铺设完一层金属粉末后进行激光烧结成型，完成烧结后铺设另一层金属粉末，循环往复直至封顶。
2.根据权利要求1所述的悬空结构金属件的3D打印方法，其特征在于：在所述步骤一中，所述悬空结构金属件于所述基座平台上的预设打印方位与金属粉末的铺设方向呈夹角。
3.根据权利要求1所述的悬空结构金属件的3D打印方法，其特征在于：在所述步骤二中，所述悬空结构金属件包括主体以及由所述主体向外延伸的伸出部，所述应力集中部位位于所述主体与所述伸出部的连接处，所述支撑件由所述连接处远离所述主体的方向铺设于所述伸出部与所述基座平台之间。
4.根据权利要求3所述的悬空结构金属件的3D打印方法，其特征在于：所述伸出部沿所述主体向外伸出的方向与所述金属粉末的铺设方向相同。
5.根据权利要求3所述的悬空结构金属件的3D打印方法，其特征在于：所述伸出部与所述基座平台之间的最小夹角范围为40°～45°。
6.根据权利要求3所述的悬空结构金属件的3D打印方法，其特征在于：在所述步骤二中，所述主体上开设孔洞结构，所述应力集中部位位于所述孔洞结构沿打印成型方向远离所述基座平台的封顶处，所述支撑件设于所述封顶处且沿所述孔洞结构的凹陷方向铺设。
7.根据权利要求1所述的悬空结构金属件的3D打印方法，其特征在于：在所述步骤三中，所述支撑件的打印致密度根据所支撑的上层所述悬空结构金属件的重量可分为大于所述悬空结构金属件的打印致密度、等于所述悬空结构金属件的打印致密度以及小于所述悬空结构金属件的打印致密度。
8.根据权利要求1所述的悬空结构金属件的3D打印方法，其特征在于：在所述步骤四中，打印成型通过粉末铺设加工平台来完成，所述粉末铺设加工平台包括加料刀、刮刀、集料盒以及收料盒，所述集料盒和所述收料盒对称设置在待打印成型的所述悬空结构金属件的相对两侧且与金属粉末铺设方向相同，所述加料刀从所述集料盒中取出金属粉末沿金属粉末铺设方向铺设于所述基座平台上的所述定位基准面内，所述刮刀沿金属粉末铺设方向刮平金属粉末以使金属粉末的表面形成与所述基座平台相平行的待烧结平面，多余的金属粉末由所述刮刀移载至所述收料盒内，所述待烧结面完成烧结后，所述基座平台沿竖直方向向下平移以使所述加料刀的高度高于所述待烧结平面的高度，以上为一层金属粉末成型的打印周期，多次重复上述所述打印周期成型形成半成品悬空结构金属件。
9.根据权利要求8所述的悬空结构金属件的3D打印方法，其特征在于：在所述步骤四中，所述半成品悬空结构金属件的外观面上预留用于定位装夹的装夹基准面。
10.根据权利要求1所述的悬空结构金属件的3D打印方法，其特征在于：所述悬空结构金属件的3D打印方法还包括步骤五，在所述步骤五中，对完成打印的所述悬空结构金属件的表面进行精细加工，除去所述支撑件。
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