CN110421164B - 一种基于随形基板的金属增材制造支撑方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于随形基板的金属增材制造支撑方法，用于降低支撑点与基板之间距离，以生成的各支撑区域为基础，向下建立与成型零件表面相关的随形基板，在随形基板上再生成新的支撑，以降低支撑高度。此随形基板随着成型面的高度、形状、厚度不断变化，可保证生成的支撑的成型质量。以及提供一种基于随形基板的金属增材制造支撑装置。本发明在成型零部件形状结构复杂、支撑区域较高时，一方面能继续利用锥形支撑，节省材料、减小去除难度；另一方面能有效的降低基板与成型底面接触的支撑高度，提高零部件的底面和结构的成型质量。

Description

一种基于随形基板的金属增材制造支撑方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于随形基板的金属增材制造支撑方法及装置。主要涉及利用选择性激光熔化系统在基板上铺粉固化成型结构形状复杂且尺寸较大的零部件，特别是需要添加支撑区域与基板平面垂直高度较大的零件，用于增加零件支撑的强度和稳定性，保证成型零件的底面和复杂结构的成型质量。本发明属于金属增材制造领域。

背景技术

金属增材制造通过分层计算，将三维实体离散成一定厚度的二维截面，通过激光束将粉末材料熔化层层堆积，形成任意复杂形状的成型零件。在金属增材制造过程中，粉末材料通过送粉机构送至成型仓，成型仓的工作台上装有固定基板作为加工平台，加工平台下降设定的铺粉高度，并随刮刀的水平移动，在加工平台上铺成一定厚度的粉末材料,以形成分层厚度。激光束在计算机的控制下对二维截面轮廓进行扫描烧结熔化固结，以此往复，将二维的实体轮廓层层堆积，完成三维实体模型制造。

在金属增材制造过程中，但为了便于成型零件和基板分离，通常在基板上生成一定高度的支撑结构以支撑零部件表面的成型。为减小支撑的去除难度，节省材料的利用量，同时确保零件的成型质量，目前金属增材制造中普遍选择顶部和底部直径一定的锥台形结构作为锥形支撑。但当设计的直径较小、支撑点与基板垂直距离较大时，锥形支撑会形成细长支撑杆，在成型过程中容易出现弯曲变形甚至折断，使得锥形支撑的强度和刚度不足。出现弯曲变形的支撑作用在零件上会引发底面结构错位、挂渣、塌陷甚至翘曲变形，使得零件的成型质量较差。

目前为保证细长支撑的强度和刚度，提高零件的成型质量。现有的技术方法如CN201710719159.2的中国发明专利公开了一种用于增材制造的组合支撑结构的设计方法，利用软件功能将同一支撑区域生成的支撑各偏置一定量，将实体支撑类型和网格支撑类型组合起来。上述的发明专利为增加细高支撑结构的稳定性，并没有降低基板与支撑点间的高度，而是将其部分转换为实体支撑增加整体的强度。这样不仅增加粉末材料的利用量，还加大了去处难度，并不能降低与零件接触的支撑高度和保证零件成型质量。

发明内容

为解决成型的零部件形状结构复杂，支撑区域与基板距离较大造成添加的较高锥形支撑，在成型时出现弯曲变形的问题。本发明提出一种基于随形基板的金属增材制造支撑方法及装置，用于降低支撑点与基板之间距离，以生成的各支撑区域为基础，向下建立与成型零件表面相关的随形基板，在随形基板上再生成新的支撑，以降低支撑高度。此随形基板随着成型面的高度、形状、厚度不断变化，可保证生成的支撑的成型质量；在成型零部件形状结构复杂、支撑区域较高时，一方面能继续利用锥形支撑，节省材料、减小去除难度；另一方面能有效的降低基板与成型底面接触的支撑高度，提高零部件的底面和结构的成型质量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于随形基板的金属增材制造支撑方法，包括以下步骤：

S1、将成型件的三维模型导入magics软件，根据零件的结构形状、尺寸大小，确定三维模型的摆放位置，进一步判断出需要添加随形成型基板的支撑区域，并将支撑区域按照不同复杂程度的结构形状进行划分成多个区域，为便于后续随形成型基板的设计调整；

S2、设计随形成型基板：利用三维设计软件，导入成型件的三维模型，将划分好的支撑区域，向成型时固定基板方向投影，以投影轮廓创建随形基板的基本形状，同时沿投影轮廓边缘向外补偿0.5-1mm，将最终成型的轮廓面拉伸成体，拉伸厚度为0.5-3mm；

S3、添加随形支撑：将设计好的随形成型基板三维模型导入magics软件，通过成型件支撑区域和随形支撑高度确定随形成型基板摆放位置，并在生成支撑菜单栏中创建随形支撑，所述支撑高度为成型件支撑区域距随形成型基板之间距离，高度范围为2-6mm；

S4、确定随形辅助基板的数量：将固定基板与随形成型基板的距离作为基板支撑总高度，并将其分成若干等份，以确定平行固定基板的数量；所述基板支撑总高度范围为10-250mm；

S5、设计随形辅助基板：通过三维设计软件，以随形成型基板的轮廓面向成型时固定基板方向投影，创建随形辅助基板的基本形状，并拉伸成体，拉伸厚度为0.5-3mm，为便于设计调整，通常随形辅助基板和随形成型基板使用相同大小的形状轮廓；

S6、创建基板支撑：将多块随形辅助基板导入magics，按照划分的基板支撑总高度确定相应的基板支撑高度，并摆放至相应的位置，在支撑列表中，选择各随形辅助基板的支撑面创建基板支撑；

同时在支撑列表中，选择固定基板支撑区域的支撑面创建基板支撑；所述基板支撑高度为相邻两随形辅助基板支撑面之间距离，和随形辅助基板与相邻固定基板间距离；所述固定基板支撑区域为不需要添加随形基板的支撑区域。

一种基于随形基板的金属增材制造支撑装置，包括固定基板、基板支撑、随形基板和随形支撑；

所述固定基板为金属增材制造机器中成型仓内工作台上装有作为加工平台的基板；

所述随形基板是通过判断需要添加支撑的零件结构的高度，和要添加支撑截面的结构形状，确定随形基板的形状大小与数量；包括随形成型基板和随形辅助基板，所述随形成型基板是靠近支撑区域，结合随形支撑保证成型件支撑区成型质量；所述随形辅助基板是结合基板支撑保证整体支撑的稳定性和强度；

所述基板支撑为金属增材制造机器固定基板与随形辅助基板之间的支撑和各相邻随形基板之间的支撑，以及不需要添加随形基板的支撑区域与固定基板之间的支撑；

所述随形支撑是以随形成型基板与支撑区域间的支撑。

进一步，所述随形基板的设计是根据需要添加支撑区域的结构形状，向固定基板方向的投影轮廓为基础，创建随形基板的基本形状，也可通过交互设计并将其调整合适形状，或者为节省设计时间，可根据支撑区域的结构形状设计合适的多边形形状，并具有一定厚度的板状结构，同时随形基板外缘沿支撑区域投影轮廓边缘向外补偿一定距离。

优选的，所述随形基板的数量，包括所述随形成型基板和所述随形辅助基板的数量，根据需要添加的支撑区域确定所述随形成型基板的数量，再通过判断各所述随形成型基板与距所述固定基板的垂直高度差，将其分成若干份后确定所述随形辅助基板的数量。

再进一步，所述基板支撑为锥形支撑、树状支撑等，根据基板的形状、大小及位置选择合适的支撑类型。

所述随形支撑可以为锥形支撑、树状支撑等，可根据需要添加支撑的零件底面形状、大小及位置选择合适的支撑类型。

所述树状支撑是树状的柱形结构，包括树干和树枝，所述的树干根据需要添加支撑区域确定支撑高度、支撑间距、树干底部直径和顶部直径，所述的树枝根据需要添加的支撑区域确定树枝数量、树枝底部直径和顶部直径。

所述锥形支撑是以底部和顶部直径一定的锥台型支撑，可根据支撑区域确定锥形支撑间距、支撑高度、支撑底部直径和顶部直径。

本发明的金属材料为不锈钢、纯钛、钛合金钴铬合金。

本发明的有益效果主要表现在：：能有效的利用锥形支撑，避免设计结构复杂的支撑结构达到支撑效果，加快零件的设计时间和制造时间；在不耗费粉末材料的情况下，多层的基板支撑具有高度底、刚性足、整体稳定性强，能有效的保证距固定基板较高的支撑区域的成型质量；生成的随形支撑高度底，支撑直径可大大减小，能够减小去除强度，加快零件制造时间。

附图说明

图1是本发明实施例1结构示意图。

图2是本发明实施例1正视图。

图3是本发明实施例1随形基板的支撑区域俯视图。

图4是采用树状支撑的实施例1正视图。

图5是常用树形结构支撑成型示意图。

图6是常用锥形结构支撑成型示意图。

图7是本发明实施例2结构示意图。

图8是实施例2采用树状支撑的正视图。

图9是实施例2采用随支撑区域结构形状改变的随形成型基板。

图10是实施例2采用组合的随形辅助基板示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例1

参照图1～图6，一种基于随形基板的金属增材制造支撑装置，图1所示为一个带有孔状结构的悬垂面，且悬垂面距固定基板的高度较大，用于增加零件支撑的强度和稳定性，保证成型零件的底面和复杂结构的成型质量，本发明使用一种基于随形基板的金属增材制造支撑方法。如图所示包括固定基板1、基板支撑2、随形辅助基板3、随形成型基板4、随形支撑5、随形成型基板支撑区域6和固定基板支撑区域7。

本发明是一种基于随形基板的金属增材制造支撑方法，包括以下步骤：

S1、将成型件的三维模型导入magics软件，根据零件的结构形状、尺寸大小，确定三维模型的摆放位置，进一步判断出需要添加随形成型基板支撑区域6。

S2、设计随形成型基板4：利用三维设计软件，导入成型件的三维模型，将划分好的支撑区域6，向成型时固定基板1方向投影，以投影轮廓创建随形基板的基本形状，同时沿投影轮廓边缘向外补偿0.5-1mm，将最终成型的轮廓面拉伸成体，拉伸厚度为0.5-3mm。

S3、添加随形支撑5：将设计好的随形成型基板4三维模型导入magics软件，通过随形成型基板支撑区域6和随形支撑高度8确定随形成型基板4的摆放位置，并在生成支撑菜单栏中创建随形支撑5，所述支撑高度为随形成型基板支撑区域6距随形成型基板4之间距离，高度范围为2-6mm。

S4、确定随形辅助基板3的数量。具体地说，将固定基板1与随形成型基板4的距离作为基板支撑总高度9，并将其分成若干等份，以确定平行固定基板的数量；所述基板支撑总高度9范围为10-250mm。

S5、设计随形辅助基板3：通过三维设计软件，以随形成型基板4的轮廓面向成型时固定基板1方向投影，创建随形辅助基板3的基本形状，并拉伸成体，拉伸厚度为0.5-3mm；为便于设计调整，本发明实施例1的随形辅助基板3和随形成型基板4形状大小相同。

S6、创建基板支撑2：将多块随形辅助基板3导入magics，按照划分的基板支撑总高度9确定相应的基板支撑高度，并摆放至相应的位置，在支撑列表中，选择各随形辅助基板3的支撑面创建基板支撑2；同时在支撑列表中，选择固定基板支撑区域7的支撑面创建基板支撑；所述基板支撑高度为相邻两随形辅助基板支撑面之间距离，和随形辅助基板与相邻固定基板间距离；所述固定基板支撑区域为不需要添加随形基板的支撑区域。

在本实施例中，各个所述的随形辅助基板3和随形成型基板4的创建方法相同。

图3为添加随形基板的支撑区域俯视图。10是各随形支撑点，11是支撑区域轮廓边缘，12是随形成型基板4轮廓边缘；所述支撑区域轮廓边缘补偿值可根据实际需要进行调整，补偿L范围为0.5-1mm；各支撑点在X和Y方向最小间距根据需要调整，在本实施例中，所述各锥形支撑在X和Y方向间距相同，间距大小为0.3-3mm；

在本实施例中，图4表示为部分基板支撑采用树状支撑13，目的为降低支撑和固定基板的去除难度。

图5表示树状支撑的成型示意图，图6表示锥形支撑示意图。在本实施例中，各个所述的基板支撑2和随形支撑5都为锥形支撑，且底部直径和顶部直径为固定数值，直径范围为0.1-0.5mm；所述的树状支撑13的所述的树干支撑高度、树干底部直径和顶部直径，所述的树枝数量、树枝底部直径和顶部直径可根据随形辅助基板大小自行调整。所述各锥形支撑和树状支撑顶面和底面都嵌入成型面内，嵌入深度范围为0.1-0.8mm。

实施例2

参照图5～图10，一种基于随形基板的金属增材制造支撑装置，图7示意了具有多个形状的随形基板金属增材制造支撑方法。实例2的金属增材制造支撑方法与实例1具体实施方法基本相同，区别在于实例2需要设计多个支撑区域轮廓的随形基板。以下结合图7、图8和图9介绍实例2的金属增材制造支撑方法。

结合实例1的实施方法，实例2的成型件18在支撑区域19、支撑区域20需要添加随形基板，通过magics软件，确定随形成型基板21的支撑高度14、16，在支撑列表中相应的支撑区域添加锥形支撑；判断基板支撑总高度15、基板支撑总高度17确定随形辅助基板数量，在软件中摆放至相应位置后，在支撑列表中相应的支撑面自动生成锥形支撑；为减小随形辅助基板22与固定基板23的去除难度，本实例2中图8采用了树形结构支撑作为基板支撑24。

图9为组合的随形辅助基板示意图。在本实例2中，成型件的支撑区域19、20造成两个独立的随形辅助基板22，但两随形辅助基板的位置高度相差不大，可选择将其组合成一块随形辅助基板25成型使用。

图10为本实例2采用随支撑区域结构形状改变的随形成型基板，随形成型基板27可随支撑区域26的结构形状设计，从而达到支撑作用。

以上结合两个具体实例介绍基于随形基板的金属增材制造支撑方法，通过添加随形基板的方法保证整体支撑的强度和稳定，确保支撑面的成型质量；基板支撑确保随形基板的成型质量，但为了方便后期去除，各相邻基板支撑的最小间距可适当调大，或采用其他结构支撑类型。

以上所述，仅为本发明方法的一个具体实施实例，但不涵盖本发明所有设计思想和方法。本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (8)

1.一种基于随形基板的金属增材制造支撑方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、将成型件的三维模型导入magics软件，根据零件的结构形状、尺寸大小，确定三维模型的摆放位置，进一步判断出需要添加随形成型基板的支撑区域，并将支撑区域按照不同复杂程度的结构形状进行划分成多个区域，为便于后续随形成型基板的设计调整；

S2、设计随形成型基板：利用三维设计软件，导入成型件的三维模型，将划分好的支撑区域，向成型时固定基板方向投影，以投影轮廓创建随形基板的基本形状，同时沿投影轮廓边缘向外补偿0.5-1mm，将最终成型的轮廓面拉伸成体，拉伸厚度为0.5-3mm；

S3、添加随形支撑：将设计好的随形成型基板三维模型导入magics软件，通过成型件支撑区域和随形支撑高度确定随形成型基板摆放位置，并在生成支撑菜单栏中创建随形支撑，所述支撑高度为成型件支撑区域距随形成型基板之间距离，高度范围为2-6mm；

S4、确定随形辅助基板的数量：将固定基板与随形成型基板的距离作为基板支撑总高度，并将其分成若干等份，以确定随形辅助基板的数量；所述基板支撑总高度范围为10-250mm；

S5、设计随形辅助基板：通过三维设计软件，以随形成型基板的轮廓面向成型时固定基板方向投影，创建随形辅助基板的基本形状，并拉伸成体，拉伸厚度为0.5-3mm，为便于设计调整，通常随形辅助基板和随形成型基板使用相同大小的形状轮廓；

S6、创建基板支撑：将多块随形辅助基板导入magics，按照划分的基板支撑总高度确定相应的基板支撑高度，并摆放至相应的位置，在支撑列表中，选择各随形辅助基板的支撑面创建基板支撑；

同时在支撑列表中，选择固定基板支撑区域的支撑面创建基板支撑；所述基板支撑高度为相邻两随形辅助基板支撑面之间距离，和随形辅助基板与相邻固定基板间距离；所述固定基板支撑区域为不需要添加随形基板的支撑区域。

2.如权利要求1所述的一种基于随形基板的金属增材制造支撑方法的装置，其特征在于，所述装置包括固定基板、基板支撑、随形基板和随形支撑；

所述固定基板为金属增材制造机器中成型仓内工作台上装有作为加工平台的基板；

通过判断需要添加支撑的零件结构的高度和要添加支撑截面的结构形状确定随形基板的形状大小与数量；包括随形成型基板和随形辅助基板，所述随形成型基板是靠近支撑区域，结合随形支撑保证成型件支撑区域成型质量；所述随形辅助基板是结合基板支撑保证整体支撑的稳定性和强度；

所述基板支撑为金属增材制造机器固定基板与随形辅助基板之间的支撑和各相邻随形基板之间的支撑，以及不需要添加随形基板的支撑区域与固定基板之间的支撑；

所述随形支撑是随形成型基板与支撑区域间的支撑。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述随形基板的设计是根据需要添加支撑的区域的结构形状，向固定基板方向的投影轮廓为基础，创建随形基板的基本形状，根据支撑区域的结构形状设计多边形形状，并具有一定厚度的板状结构，同时随形基板外缘沿支撑区域投影轮廓边缘向外补偿一定距离。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述随形基板的数量，包括所述随形成型基板和所述随形辅助基板的数量，根据需要添加支撑的区域确定所述随形成型基板的数量，再通过判断各所述随形成型基板与距所述固定基板的垂直高度差，将其分成若干份后确定所述随形辅助基板的数量。

5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述基板支撑为锥形支撑或树状支撑，根据基板的形状、大小及位置选择的支撑类型。

6.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述随形支撑为锥形支撑或树状支撑，根据需要添加支撑的零件底面形状、大小及位置选择支撑类型。

7.如权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述树状支撑是树状的柱形结构，包括树干和树枝，所述的树干根据需要添加支撑的区域确定支撑高度、支撑间距、树干底部直径和顶部直径，所述的树枝根据需要添加的支撑区域确定树枝数量、树枝底部直径和顶部直径。

8.如权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述锥形支撑是以底部和顶部直径一定的锥台型支撑，根据支撑区域确定锥形支撑间距、支撑高度、支撑底部直径和顶部直径。

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