CN109570504B - 区块式激光选区熔化支撑结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种区块式激光选区熔化支撑结构，包括设置为壳状且底部和顶部均为开口的支撑外轮廓，支撑外轮廓每个侧壁下部上均开设有至少一个窗口，支撑外轮廓内部且位于窗口的上方设置有四个内基准壁，每个内基准壁的两端均与支撑外轮廓侧壁相连接为一体，四个内基准壁与支撑外轮廓将支撑外轮廓内部位于窗口的上方的空间划分为九个区域，位于四周的八个区域内均设置有一个次级内壁，位于中间的一个区域内设置有中部点支撑杆，内基准壁、次级内壁以及中部点支撑杆的上端面均与支撑外轮廓顶部平齐。解决了现有技术中存在的实体支撑后期难以去除干净且材料浪费大、加工时间长以及分散棒状支撑结构的强度及刚度较差的问题。

Description

区块式激光选区熔化支撑结构

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，涉及一种区块式激光选区熔化支撑结构。

背景技术

激光选区熔化技术是增材制造技术的一个重要技术分枝，该技术以激光为加工热源，主要用于加工金属材料，该技术具有较高的加工柔性，且材料利用率高，利用该技术可成形大量难加工的航空航天领域金属零部件。在激光选区熔化加工过程中，很多零件因存在几何悬空结构，无法直接成形，需要在零件之外添加一定量的支撑作为零件的成形基础，支撑已成为激光选区熔化技术中不可或缺的一项技术要素，传统支撑多为实体或分散的棒状结构。

传统支撑结构一般为实体或分散棒状，实体类型支撑在激光选区熔化的加工过程中，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，由于与零件的连接区域过大，导致该类支撑后期难以去除干净，影响零件表面质量，另外实体支撑因体积庞大，会导致材料大幅度的浪费和整个加工时间的延长。棒状支撑因棒与棒之间相互独立，每一个支撑单元均依靠一根或少量支撑主干生长，结构的强度及刚度较差，在加工过程中易受到刮刀的干涉，造成局部棒杆断裂，失去支撑功能，影响零件的最终成形，甚至导致零件加工失败。

发明内容

本发明的目的是提供一种区块式激光选区熔化支撑结构，解决了现有技术中存在的实体支撑后期难以去除干净且材料浪费大、加工时间长以及分散棒状支撑结构的强度及刚度较差的问题。

本发明所采用的技术方案是，区块式激光选区熔化支撑结构，包括设置为壳状且底部和顶部均为开口的支撑外轮廓，支撑外轮廓的水平投影呈正方形，支撑外轮廓每个侧壁下部上均开设有至少一个窗口且窗口底部延伸至支撑外轮廓的底部，支撑外轮廓内部且位于窗口的上方设置有四个内基准壁，四个内基准壁中的两个内基准壁相互平行且平行于支撑外轮廓的一个侧壁，四个内基准壁中的另外两个彼此相互平行且与其余两个相互垂直设置，每个内基准壁的两端均与支撑外轮廓侧壁相连接为一体，四个内基准壁与支撑外轮廓将支撑外轮廓内部位于窗口的上方的空间划分为九个区域，位于四周的八个区域内均设置有一个次级内壁，位于中间的一个区域内设置有中部点支撑杆，内基准壁、次级内壁以及中部点支撑杆的上端面均与支撑外轮廓顶部平齐。

本发明的特征还在于，

内基准壁的底面均设置为从底面中线向其对应连接的支撑外轮廓两内壁逐渐向下倾斜状，形成的倾斜面与水平面的夹角α为45～55°。

次级内壁的两端面分别与围成所在区域的支撑外轮廓以及与该支撑外轮廓相对应的内基准壁连接为一体，位于支撑外轮廓内左右两侧的六个次级内壁平行设置，位于其余两个次级内壁与该六个次级内壁垂直设置，每个次级内壁将其对应设置的区域分为两个次级区域。

每个次级内壁的底面均设置为从底面中线向其对应连接的支撑外轮廓以及内基准壁逐渐向下倾斜状，形成的倾斜面与水平面的夹角β为45～55°。

支撑外轮廓每个侧壁下部上均开设有两个窗口，且两个窗口在所在的支撑外轮廓侧壁上以该支撑外轮廓侧壁的中线为对称轴呈对称分布。

窗口靠近支撑外轮廓侧壁的中线的一侧设置为竖直面，远离支撑外轮廓侧壁的中线的一侧设置为上端朝竖直面倾斜的斜面，斜面与Z轴的夹角γ不小于45°，斜面的上端与竖直面上端分离且共同连接有一过渡面。

支撑外轮廓的水平投影呈正方形的尺寸为：10×10mm～20×20mm，支撑外轮廓的壁厚为0.6～2mm。

每个窗口的截面面积占所在支撑外轮廓侧壁面积的13-20％。

内基准壁的壁厚为1～1.6mm；每个次级内壁的壁厚为0.5～1mm。

中部点支撑杆包括两个支撑杆，两个支撑杆的一端连接且连接处位于支撑外轮廓顶部的中心位置，两个支撑杆的另一端分别连接在形成区域相对应的两侧壁上，且两个支撑杆与水平面的夹角θ为45～55°。

本发明的有益效果是：

本发明的支撑结构体积小且为中空结构，对比实体支撑结构，可实现减重40～70％，成形材料消耗少，成形加工耗时短，因整个支撑单元内部结构均相互连接，结构刚度好，受刮刀干涉风险小，结构成形可靠性高，整个支撑单元结构均具有自成形角度可直接成形，所有支撑壁均为薄片结构，支撑结构后期易于去除，对零件表面质量的影响程度小，是一种高效经济的激光选区熔化支撑结构。

附图说明

图1是本发明区块式激光选区熔化支撑结构的结构示意图；

图2是图1的局部剖视图；

图3是本发明区块式激光选区熔化支撑结构只设置内基准壁后的俯视图；

图4是在图3的基础上设置次级内壁后的俯视图；

图5是本发明区块式激光选区熔化支撑结构中内基准壁或次级内壁的结构示意图；

图6是本发明区块式激光选区熔化支撑结构中窗口的结构示意图；

图7是本发明区块式激光选区熔化支撑结构中中部点支撑杆的结构示意图；

图8是本发明区块式激光选区熔化支撑结构使用示意图；

图9是本发明区块式激光选区熔化支撑结构的一种实施例图。

图中，1.支撑外轮廓，2.窗口，3.内基准壁，4.次级内壁，5.中部点支撑杆，6.区域，7.次级区域，8.基板，9.工件；

2-1.竖直面，2-2.斜面，2-3.过渡面。

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。

本发明区块式激光选区熔化支撑结构，其结构如图1-图2所示，包括设置为壳状且底部和顶部均为开口的支撑外轮廓1，支撑外轮廓1的水平投影呈正方形，支撑外轮廓1每个侧壁下部上均开设有至少一个窗口2且窗口2底部延伸至支撑外轮廓1的底部，如图3所示，支撑外轮廓1内部且位于窗口2的上方设置有四个内基准壁3，四个内基准壁3中的两个内基准壁3相互平行且平行于支撑外轮廓1的一个侧壁，四个内基准壁3中的另外两个彼此相互平行且与其余两个相互垂直设置，每个内基准壁3的两端均与支撑外轮廓1侧壁相连接为一体，四个内基准壁3与支撑外轮廓1将支撑外轮廓1内部位于窗口2的上方的空间划分为九个区域6，如图4所示，位于四周的八个区域6内均设置有一个次级内壁4，位于中间的一个区域6内设置有中部点支撑杆5，内基准壁3、次级内壁4以及中部点支撑杆5的上端面均与支撑外轮廓1顶部平齐。

如图5所示，内基准壁3的底面均设置为从底面中线向其对应连接的支撑外轮廓1两内壁逐渐向下倾斜状，形成的倾斜面与水平面的夹角α为45～55°，该角度可保证内基准壁依附于支撑外轮廓壁倾斜生长出来，避免支撑内壁由基板直接竖直长时的额外材料浪费，同时也降低支撑单元的去除难度。

次级内壁4的两端面分别与围成所在区域6的支撑外轮廓1以及与该支撑外轮廓1相对应的内基准壁3连接为一体，位于支撑外轮廓1内左右两侧的六个次级内壁4平行设置，位于其余两个次级内壁4与该六个次级内壁4垂直设置，每个次级内壁4将其对应设置的区域6分为两个次级区域7。

每个次级内壁4的底面均设置为从底面中线向其对应连接的支撑外轮廓1以及内基准壁3逐渐向下倾斜状，形成的倾斜面与水平面的夹角β为45～55°，同理，该角度可有效保障次级内壁4依附于其对应的连接壁倾斜生长出来，避免额外材料浪费，同时也降低支撑单元的去除难度。

如图6所示，支撑外轮廓1每个侧壁下部上均开设有两个窗口2，且两个窗口2在所在的支撑外轮廓1侧壁上以该支撑外轮廓1侧壁的中线为对称轴呈对称分布。

窗口2靠近支撑外轮廓1侧壁的中线的一侧设置为竖直面2-1，远离支撑外轮廓1侧壁的中线的一侧设置为上端朝竖直面2-1倾斜的斜面2-2，斜面2-2与Z轴的夹角γ不小于45°，斜面2-2的上端与竖直面2-1上端分离且共同连接有一过渡面2-3。

支撑外轮廓1的水平投影呈正方形的尺寸为：10×10mm～20×20mm，支撑外轮廓1的壁厚为0.6～2mm。

每个窗口2的截面面积占所在支撑外轮廓1侧壁面积的13-20％。

内基准壁3的壁厚为1～1.6mm，每个内基准壁3远离支撑外轮廓1中心的一侧到其对应一侧支撑外轮廓1内壁的距离相等，根据情况设置为合适的距离即可；每个次级内壁4的壁厚为0.5～1mm；每个次级内壁4均设置为其对应区域6的中心位置处。

如图7所示，中部点支撑杆5包括两个支撑杆，两个支撑杆的一端连接且连接处位于支撑外轮廓1顶部的中心位置，两个支撑杆的另一端分别连接在形成区域6相对应的两侧壁上，且两个支撑杆与水平面的夹角θ为45～55°，该角度可保障两侧支撑杆均依附于区域6相对应的两侧壁生长。

本发明的区块式激光选区熔化支撑结构可利用激光选区熔化技术直接成形，使用时如图8所示，区块式激光选区熔化支撑结构底面放在基板8上，区块式激光选区熔化支撑结构的顶面作为支撑面支撑工件9。

本发明窗口2的设计应在其结构的基础上尽可能大以便于加工完成时支撑单元内部残余粉末倒出。

本发明支撑杆直径为0.5～1.5mm。

实施例

设置支撑外轮廓1的水平投影呈正方形的尺寸为：10×10mm，壁厚为0.8mm，支撑外轮廓1每个侧壁下部上均开设有两个窗口2，且两个窗口2在所在的支撑外轮廓1侧壁上以该支撑外轮廓1侧壁的中线为对称轴呈对称分布；窗口2靠近支撑外轮廓1侧壁的中线的一侧设置为竖直面2-1，远离支撑外轮廓1侧壁的中线的一侧设置为上端朝竖直面2-1倾斜的斜面2-2，斜面2-2与Z轴的夹角γ不小于45°，斜面2-2的上端与竖直面2-1上端分离且共同连接有一过渡面2-3，每个窗口2的截面面积占所在支撑外轮廓1侧壁面积的20％，内基准壁3的壁厚为1.2mm，每个内基准壁3远离支撑外轮廓1中心的一侧到其对应一侧支撑外轮廓1内壁的距离相等，其距离L＝1.4mm，每个次级内壁4的壁厚为0.6mm，每个次级内壁4均设置为其对应区域6的中心位置处；内基准壁3的底面均设置为从底面中线向其对应连接的支撑外轮廓1两内壁逐渐向下倾斜状，形成的倾斜面与水平面的夹角α为45°；每个次级内壁4的底面均设置为从底面中线向其对应连接的支撑外轮廓1以及内基准壁3逐渐向下倾斜状，形成的倾斜面与水平面的夹角β为45°；中部点支撑杆5包括两个支撑杆，两个支撑杆的一端连接且连接处位于支撑外轮廓1顶部的中心位置，两个支撑杆的另一端分别连接在形成区域6相对应的两侧壁上，且两个支撑杆与水平面的夹角θ为45°。

本发明的区块式激光选区熔化支撑结构在使用时，

1.将准备采用激光选区熔化工艺加工的工件三维模型通过商业建模软件导出为STL格式文件；

2.将导出的STL格式数据文件导入至商用模型前处理软件中；

3.根据需要添加的工件状态设计本发明的区块式激光选区熔化支撑结构的尺寸；

4.将设计好的区块式支撑结构导出为STL格式文件，并导入至商用的前处理软件之中；

5.将区块式激光选区熔化支撑结构数据添加至商用前处理软件的支撑模型库中作为备选方案；

6.确定零件摆放位置后，选择设计好的区块式激光选区熔化支撑结构作为支撑添加方案，对零件需要添加支撑的悬空面添加设计的支撑结构，如图8所示；

7.将添加好支撑的零件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；

8.待激光选区熔化成形设备准备就绪，将支撑结构与零件一次成形。

本发明的该结构可利用激光选区熔化技术直接成形，结构单元外轮廓投影呈正方形，结构单元各处与基材及零件仅作区域性的连接，连接形式可视为薄片状连接，支撑单元内部所有结构均相互呈连续性连接，无独立的离散结构或高加工风险的悬空外延结构，整个单元结构刚度得到提升，该支持单元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，整体结构为中空薄壁特征，可实现材料及加工时间的极大节约。

Claims (10)

1.区块式激光选区熔化支撑结构，其特征在于，包括设置为壳状且底部和顶部均为开口的支撑外轮廓(1)，所述支撑外轮廓(1)的水平投影呈正方形，所述支撑外轮廓(1)每个侧壁下部上均开设有至少一个窗口(2)且所述窗口(2)底部延伸至所述支撑外轮廓(1)的底部，所述支撑外轮廓(1)内部且位于窗口(2)的上方设置有四个内基准壁(3)，四个内基准壁(3)中的两个内基准壁(3)相互平行且平行于所述支撑外轮廓(1)的一个侧壁，四个内基准壁(3)中的另外两个彼此相互平行且与其余两个相互垂直设置，每个所述内基准壁(3)的两端均与所述支撑外轮廓(1)侧壁相连接为一体，四个所述内基准壁(3)与所述支撑外轮廓(1)将支撑外轮廓(1)内部位于窗口(2)的上方的空间划分为九个区域(6)，位于四周的八个区域(6)内均设置有一个次级内壁(4)，位于中间的一个区域(6)内设置有中部点支撑杆(5)，所述内基准壁(3)、次级内壁(4)以及中部点支撑杆(5)的上端面均与支撑外轮廓(1)顶部平齐。

2.根据权利要求1所述的区块式激光选区熔化支撑结构，其特征在于，所述内基准壁(3)的底面均设置为从底面中线向其对应连接的支撑外轮廓(1)两内壁逐渐向下倾斜状，形成的倾斜面与水平面的夹角α为45～55°。

3.根据权利要求1所述的区块式激光选区熔化支撑结构，其特征在于，所述次级内壁(4)的两端面分别与围成所在区域(6)的支撑外轮廓(1)以及与该支撑外轮廓(1)相对应的内基准壁(3)连接为一体，位于所述支撑外轮廓(1)内左右两侧的六个次级内壁(4)平行设置，位于其余两个次级内壁(4)与该六个次级内壁(4)垂直设置，每个次级内壁(4)将其对应设置的区域(6)分为两个次级区域(7)。

4.根据权利要求3所述的区块式激光选区熔化支撑结构，其特征在于，每个所述次级内壁(4)的底面均设置为从底面中线向其对应连接的支撑外轮廓(1)以及内基准壁(3)逐渐向下倾斜状，形成的倾斜面与水平面的夹角β为45～55°。

5.根据权利要求1所述的区块式激光选区熔化支撑结构，其特征在于，所述支撑外轮廓(1)每个侧壁下部上均开设有两个窗口(2)，且两个窗口(2)在所在的支撑外轮廓(1)侧壁上以该支撑外轮廓(1)侧壁的中线为对称轴呈对称分布。

6.根据权利要求5所述的区块式激光选区熔化支撑结构，其特征在于，所述窗口(2)靠近支撑外轮廓(1)侧壁的中线的一侧设置为竖直面(2-1)，远离支撑外轮廓(1)侧壁的中线的一侧设置为上端朝竖直面(2-1)倾斜的斜面(2-2)，所述斜面(2-2)与水平面的夹角γ不小于45°，所述斜面(2-2)的上端与竖直面(2-1)上端分离且共同连接有一过渡面(2-3)。

7.根据权利要求3所述的区块式激光选区熔化支撑结构，其特征在于，所述支撑外轮廓(1)的水平投影呈正方形的尺寸为：10×10mm～20×20mm，所述支撑外轮廓(1)的壁厚为0.6～2mm。

8.根据权利要求7所述的区块式激光选区熔化支撑结构，其特征在于，每个所述窗口(2)的截面面积占所在支撑外轮廓(1)侧壁面积的13-20％。

9.根据权利要求7所述的区块式激光选区熔化支撑结构，其特征在于，所述内基准壁(3)的壁厚为1～1.6mm；每个所述次级内壁(4)的壁厚为0.5～1mm。

10.根据权利要求3所述的区块式激光选区熔化支撑结构，其特征在于，所述中部点支撑杆(5)包括两个支撑杆，两个支撑杆的一端连接且连接处位于所述支撑外轮廓(1)顶部的中心位置，两个所述支撑杆的另一端分别连接在所述形成所述区域(6)相对应的两侧壁上，且两个所述支撑杆与水平面的夹角θ为45～55°。

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