CN110948880A - 一种3d打印支撑件和3d打印件 - Google Patents

一种3d打印支撑件和3d打印件 Download PDF

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朱光
林依禾
林治家
李杨
姚志锋
渠思源
车弘毅
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    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/40—Structures for supporting 3D objects during manufacture and intended to be sacrificed after completion thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
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Abstract

本申请公开了一种3D打印支撑件和3D打印件。所述3D打印支撑件的至少一端与打印件连接；所述支撑件与至少部分所述打印件共同形成的组合体被划分成多层平行的切片后，每层所述切片与初始打印切片之间的所有切片构成子组合体；每个子组合体的重心的连线位于与任意切片垂直的第一柱体空间内。

Description

一种3D打印支撑件和3D打印件
优先权声明
本申请要求2018年09月21日提交的申请号为201821549720.3的中国申请的优先权。
技术领域
本申请涉及3D打印技术领域，特别涉及一种3D打印支撑件、3D打印件、3D打印支撑件构建方法及3D打印方法。
背景技术
3D打印的技术原理是先将三维模型进行分层，然后获取每层的轮廓信息或者图像信息，并运用粉末状金属或树脂等可粘合材料通过逐层打印的方式来完成打印件的打印。
由于3D打印是将材料进行逐层固化，并层层叠加，在原理上一般要求模型的上层结构要有下层部分的支撑，因此如果打印件的某些部位是悬空的，通常就需要设计支撑件来支撑打印件的这些悬空的部分。尤其是在约束液面式(bottom up)光固化3D打印过程中，光源从树脂料槽下方往上照射，光固化由底部开始，成型台携带已固化的打印件由下向上运动，每完成一层固化，成型台向上移动一层的高度。这种类型的光固化打印过程中，附着在成型台上的打印件会受到重力的影响而产生晃动甚至偏离。这一问题在打印弹性材料和打印非对称的物体结构的过程中尤为突出。
发明内容
本申请实施例之一提供一种3D打印支撑件。所述支撑件的至少一端与打印件连接；所述支撑件与至少部分所述打印件共同形成的组合体被划分成多层平行的切片后，每层所述切片与初始打印切片之间的所有切片构成子组合体；每个子组合体的重心的连线位于与任意切片垂直的第一柱体空间内。
在一些实施例中，所述每个子组合体的重心的连线与任意切片垂直。
在一些实施例中，所述支撑件包括主体部与所述打印件连接的连接部，所述连接部与所述打印件连接的一端的横截面积小于所述主体部的面积。
在一些实施例中，所述支撑件包括柱状支撑件、片状支撑件和/或网状支撑件。
在一些实施例中，所述片状支撑件上设有沿其厚度方向延伸的一个或多个通孔。
在一些实施例中，所述片状支撑件与所述打印件连接的连接部呈锯齿状。
在一些实施例中，所述网状支撑件包括多个由支柱构成的单元结构；所述单元结构包括以下结构中的至少一种：四面体、立方体、长方体、八面体、十二面体、二十面体。
在一些实施例中，所述支撑件的两端均与所述打印件连接。
本申请另一实施例提供一种3D打印件，所述打印件在打印时采用了上述任一技术方案所述支撑件。
在一些实施例中，所述打印件包括至少两个子打印件。
在一些实施例中，所述至少两个子打印件相同；所述至少两个子打印件呈旋转对称布置。
本申请又一实施例提供一种3D打印支撑件构建方法，所述构建方法包括：获取打印件模型；为所述打印件模型构建支撑件，所述支撑件的至少一端与所述打印件连接，所述支撑件与至少部分所述打印件共同形成的组合体被划分成多层平行的切片后，每层所述切片与初始打印切片之间的所有切片构成子组合体，每个子组合体的重心的连线位于与任意切片垂直的第一柱体空间内。
在一些实施例中，所述支撑件包括主体部以及与所述打印件连接的连接部，所述连接部与所述打印件连接的一端的横截面积小于所述主体部的横截面积。
本申请再一实施例提供一种3D打印方法，所述打印方法包括：根据上述任一技术方案所述的3D打印支撑件构建方法为打印件模型构建支撑件；利用3D打印设备打印所述打印件和所述支撑件。
附图说明
本申请将以示例性实施例的方式进一步说明，这些示例性实施例将通过附图进行详细描述。这些实施例并非限制性的，在这些实施例中，相同的编号表示相同的结构，其中：
图1是根据本申请一些实施例所示的3D打印支撑件与打印件的连接示意图；
图2是根据本申请一些实施例所示的3D打印支撑件的片状支撑件的结构示意图；
图3是根据本申请一些实施例所示的3D打印支撑件的网状支撑件的结构示意图；
图4是根据本申请一些实施例所示的3D打印件的子打印件和支撑件的结构示意图；
图5是根据本申请一些实施例所示的3D打印支撑件构建方法流程图。
图中，1为打印件，2为支撑件，10为子打印件，21为片状支撑件；22为网状支撑件，201为主体部，202为连接部，221为单元结构。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
相反，本申请涵盖任何由权利要求定义的在本申请的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本申请有更好的了解，在下文对本申请的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本申请。
本申请实施例主要涉及一种3D打印支撑件，该3D打印支撑件可以适用于多种场景。在一些实施例中，支撑件可以是3D打印设计过程中的支撑件、打印过程中的支撑件和/或打印完成后的支撑件。本申请还涉及在打印时采用了3D打印支撑件的3D打印件，该3D打印件可以是应用在医用、工业、生活及艺术等各个方面的3D打印物品。本申请还涉及一种3D打印支撑件构建方法和3D打印方法，本领域技术人员可以在Rhino、Solidworks、Catia或UG等软件上采用该3D打印支撑件构建方法来实现3D打印支撑件的构建，并通过各种3D打印设备来完成打印。本申请对于该3D打印支撑件、3D打印件、3D打印支撑件构建方法及3D打印方法的应用场景均不作限制。
在本申请的实施例中，3D打印支撑件2的至少一端与打印件1连接，支撑件2与至少部分打印件1共同形成的组合体被划分为多层平行的切片后，每层切片与初始打印切片之间的所有切片构成子组合体；每个子组合体的重心的连线位于与任意切片垂直的第一柱体空间内。支撑件2的至少一端与打印件1连接可以是支撑件2的一端与3D打印的成型台连接，而其另一端与打印件1连接；也可以是支撑件2的两端均与打印件1连接。图1是根据本申请一些实施例所示的3D打印支撑件与打印件的连接示意图，在图1所示的实施例中，支撑件2的两端均与打印件1连接。
在本申请的实施例中，第一柱体与任意切片垂直是指第一柱体的中心轴线与任意切片垂直。在一些实施例中，第一柱体可以包括但不限于圆柱、三菱柱、四棱柱、六棱柱等。在一些实施例中，第一柱体的尺寸可以根据具体情况(如打印件尺寸)设定。例如，当第一柱体为圆柱体时，第一柱体的直径可以设置为0.1～50mm(如0.1mm、0.5mm、1mm、5mm、10mm等)。在一些实施例中，每个子组合体的重心的连线位于第一柱体空间内可以理解为每个子组合体的重心的连线垂直或近似垂直于任意切片。在一些实施例中，组合体可以由支撑件2与打印件1整体共同形成。在一些实施例中，组合体也可以由支撑件2与部分打印件1共同形成。例如，该部分打印件可以为被划分成切片后切片中包含有支撑件的部分打印件。在一些实施例中，初始打印切片可以理解为打印件1在打印时打印的第一层切片。
在一些实施例中，保证每个子组合体的重心的连线位于与任意切片垂直的第一柱体空间内的操作可以是以程序的形式嵌入到支撑件的构建软件中，从而在利用软件构建支撑件的时候可以调用或默认采用。另外，将组合体划分为多层平行的切片可以在建模过程中、打印过程中和/或打印完成后体现。还需说明的是，组合体被划分的多层切片一般平行于3D打印的成型台，以便于3D打印过程的顺利进行。支撑件2的具体结构根据打印件1的形状来进行确定，支撑件2的具体结构构建可以通过软件算法(例如Grasshopper)来自动完成，也可以人工进行设计和调节。在一些实施例中，为了进一步防止3D打印过程中打印件出现晃动，可以使得每个子组合体的重心的连线与任意切片垂直。
在一些实施例中，3D打印支撑件2可以包括柱状支撑件、片状支撑件21和/或网状支撑件22。在图2和图3所示的实施例中，图2是根据本申请一些实施例所示的3D打印支撑件的片状支撑件的结构示意图，图3是根据本申请一些实施例所示的3D打印支撑件的网状支撑件的结构示意图。支撑件2可以包括柱状支撑件、片状支撑件21和网状支撑件22中一种或多种的任意组合，本领域技术人员可以在实际的操作过程中根据需要来具体进行设置，本申请对此不作限制。在一些实施例中，当3D打印支撑件2包括片状支撑件21时，片状支撑件21可以包括一个平面或多个彼此不平行的平面，片状支撑件21的一个或多个平面的设计可以使得每个子组合体的重心的连线与任意切片垂直或近似垂直，从而在3D打印过程中更好地维持打印件1的稳定性。在另一些实施例中，片状支撑件21还可以包括一个或多个弧面。
在一些实施例中，支撑件2可以包括主体部201以及与打印件1连接的连接部202，连接部202与打印件1连接的一端的横截面积小于主体部201的横截面积。具体的，连接部202连接在主体部201与打印件1之间，主体部201用于对打印件1起到支撑的作用，主体部201不与打印件1相连，而连接部202将主体部201与打印件1连接起来，并通过上述横截面积的变化来保证支撑件2在打印结束后便于从打印件1上去除。这样可以方便打印完成后将支撑件2从打印件1上分离下来，防止过多的支撑件2材料残留在打印件1上而影响打印件1的正常使用，也能够保证打印件1的美观。当主体部201的形状不同时，本领域技术人员可以通过多种设计形式来保证连接部202与打印件1连接的一端的横截面积小于主体部201的横截面积。例如，当支撑件2包括柱状支撑件时，主体部201可以包括一个或多个支撑柱，连接部202可以包括分别连接在一个或多个支撑柱与打印件1之间的连接柱。连接柱的横截面积可以设置为小于支撑柱的横截面积。又例如，连接部202可以呈现为金字塔状、圆锥状或圆台状等，且金字塔状、圆锥状、圆台状等形状的连接部的横截面积较小的一端与打印件1相连，而其横截面积较大的一端与支撑柱相连。又例如，当支撑件2包括网状支撑件22时，主体部201可以包括构成网状的多个支柱，而连接部202可以包括连接在支柱与打印件1之间的连接柱。连接柱的横截面积可以设置为小于支柱的横截面积，也可以是，连接柱呈现为金字塔状、圆锥状或圆台状等，且金字塔状、圆锥状、圆台状等形状的连接柱的横截面积较小的一端与打印件1相连，而其横截面积较大的一端与支柱相连。
在一些实施例中，当支撑件2包括片状支撑件21时，主体部201可以包括支撑片，而连接部202可以包括连接在支撑片与打印件1之间的锯齿状结构或多个间隔设置的连接柱。如图2所示，片状支撑件21与打印件1连接的连接部202呈锯齿状，锯齿状的连接部202的横截面积较小的一端与打印件1连接，而横截面积较大的一端与支撑片连接。在一些替代性实施例中，片状支撑件21与打印件1连接的连接部202可以包括金字塔状、圆锥状、圆台状等形状的连接柱，且金字塔状、圆锥状、圆台状等形状的连接柱的横截面积较小的一端与打印件1相连，而其横截面积较大的一端与支撑片连接。在一些实施例中，连接部202也可以是连续的线型或条状结构，连接部202与主体部201共同形成完整的片状支撑件21。在一些实施例中，片状支撑件21的厚度可以选择为0.1-10mm。
在一些实施例中，当3D打印支撑件2包括片状支撑件21时，为了减少支撑件2的用料，片状支撑件21上可以设有沿其厚度方向延伸的一个或多个通孔。该通孔可以是任意形状的通孔，如圆形孔、方形孔、三角形孔或其他不规则形状的孔等。若通孔为圆形孔时，该通孔的直径可以选择为1-10mm。在一些替代性实施例中，片状支撑柱上也可以设置盲孔、埋孔或凹槽来减少支撑件2的用料。
在一些实施例中，当3D打印支撑件2包括网状支撑件22时，网状支撑件22包括多个由支柱构成的单元结构221。单元结构221可以包括四面体、立方体、长方体、八面体、十二面体、二十面体等一种或多种的任意组合。每一个单元结构221的多个支柱限定了该单元结构221的基本几何形状。本领域技术人员可以根据网状支撑件22需要设计的结构强度来确定支柱的直径(如设置为2mm、3mm或4mm等)和/或单元结构的大小。在一些替代性实施例中，支撑件2的单元结构221也可以包括多个由支柱构成的二维网孔单元，该二维网孔单元可以呈三角形、四边形和/或六边形等形状。在一些实施例中，本领域技术人员也可以设置既具有二维的网格又具有三维的多面体单元构件221的网状支撑件22。采用网状支撑件22可以减少支撑件2的用料，同时又可以保证支撑件2的支撑强度，从而保证支撑件2在打印过程中对打印件1进行更稳定地支撑。此外，网状支撑件22便于通过改变单元结构221的形状和大小来改变每个子组合体的重心，从而保证每个子组合体的重心的连线与任意切片垂直或近似垂直。尤其是应用于对形状不规则的打印件1进行支撑时，可以通过改变单元结构221的形状和大小来调节支撑件2的结构，从而方便地调节组合体的每个子组合体的重心位置。
本申请所披露的3D打印支撑件可能带来的有益效果包括但不限于：(1)在3D打印过程中防止打印件1晃动，减小打印偏差，提升打印精度；(2)支撑件用料少，能够降低打印成本；(3)打印完成后能够方便地将支撑件与打印件分离，从而在打印件上减少材料残留。需要说明的是，不同的实施例可能产生的有益效果不同，在不同的实施例里，可能产生的有益效果可以是以上任意一种或几种组合，也可以是其他任何可能获得的有益效果。
本申请另一实施例提供一种3D打印件，打印件1在打印时采用了上述任一技术方案所述的支撑件2。通过支撑件的设置，打印件在其打印过程中不易出现晃动，能够尽可能地减少打印偏差，提高打印精度。例如，对于约束液面式(bottom up)光固化3D打印技术而言，由于光固化由树脂料槽底部开始，每完成一层固化，成型台携带已固化的打印件向上移动一层的高度，整个打印过程需要成型台不断向上运动，附着在成型台上的打印件会受到重力以及未固化液体(如光敏树脂)的影响，成型台在每层打印完成向上移动的过程都可能使得打印件产生晃动，甚至造成打印的偏差。在光固化3D打印的材料为弹性体材料时，成型台向上移动而造成的打印件晃动问题会尤为凸出。弹性体材料一般具有较低的杨氏模量和较高的破坏应变，在受力时发生大变形，而撤出外力后能迅速回复其近似初始形状和尺寸。弹性体材料可以包括但不限于橡胶、热塑性聚氨酯等。本申请实施例所涉及的3D打印件以及3D打印支撑件可以由弹性体材料打印而成。3D打印件1通过使用上述任一技术方案所述的支撑件2，能够保证成型台在每层打印完往上移动时打印件1和支撑件2组合体重心在垂直或近似垂直于切片的一条直线上，从而保证打印件在打印过程中不易出现晃动。
图4是根据本申请一些实施例所示的3D打印件的子打印件和支撑件的结构示意图，在图4所示的实施例中，打印件1包括至少两个子打印件10。上述任一方案所述的3D打印支撑件2可以连接在相邻的两个子打印件10之间，此时支撑件2可以与3D打印的成型台相连，也可以不与3D打印的成型台相连。在3D打印过程中同时打印至少两个子打印件10，支撑件2可以对各子打印件10进行支撑和/或连接，各个打印件1之间均能够保持相对稳定。尤其是对于难以单独稳定放置的子打印件10而言，各个子打印件10能够通过支撑件2而相互支撑，在打印过程中减少晃动。
在一些实施例中，至少两个子打印件10相同，至少两个子打印件10呈旋转对称布置。例如，两个子打印件可以呈180°旋转对称布置，如图4所示。又例如，三个子打印件可以呈120°旋转对称布置。通过这样的设置，首先能够提高子打印件10的生产效率，另外，在每一层切片中，打印件1自身均为对称的结构，便于对支撑件2的结构进行设计。例如，可以通过设计支撑件而使得每层切片的重心位于旋转中心。例如，每层切片中的支撑件也可以关于该层切片的旋转中心呈旋转对称。在一些替代性实施例中，至少两个子打印件10也可以包括其他布置方式(如轴对称布置)。
本申请又一实施例提供一种3D打印支撑件构建方法，图5是根据本申请一些实施例所示的3D打印支撑件构建方法流程图，如图5所示，该构建方法可以包括：获取打印件1模型；为打印件1模型构建支撑件2，支撑件2的至少一端与打印件1连接，支撑件2与至少部分打印件1共同形成的组合体被划分成多层平行的切片后，每层切片与初始打印切片之间的所有切片构成子组合体，每个子组合体的重心的连线位于与任意切片垂直的第一柱体空间内。在一些实施例中，为打印件1模型构建支撑件2的过程可以包括：为打印件1构建至少一端与打印件1相连的支撑件2；将支撑件2与打印件1的组合体按照一定的层厚(比如0.1mm、0.15mm或0.2mm等)划分成平行于3D打印的成型台的多层平行的切片；计算每个子组合体的重心位置，并根据重心位置调节支撑件2的结构形状，以使得每个子组合体的重心的连线位于与任意切片垂直的第一柱体空间内。需要说明的是，支撑件2的至少一端与打印件1连接可以理解为：支撑件的一端与成型台连接，而另一端与打印件1连接；或者支撑件的两端均与打印件1连接。打印件1模型构建可以通过Rhino、Solidworks、Catia或UG等软件来实现。支撑件2的构建可以根据打印件1的形状来进行确定。支撑件2的具体结构构建可以通过软件算法(例如Grasshopper)来自动完成，也可以通过人工进行设计和调节。
在一些实施例中，支撑件2可以包括主体部201以及与打印件1连接的连接部202，连接部202与打印件1连接的一端的横截面积小于主体部201的横截面积。具体的，连接部202连接在主体部201与打印件1之间，主体部201用于对打印件1起到支撑的作用，而连接部202将主体部201与打印件1连接起来，并通过上述横截面积的变化来保证整个支撑件2在打印结束后便于从打印件1上去除。在一些实施例中，支撑件2可以包括柱状支撑件、片状支撑件21和网状支撑件22等一种或多种的任意组合。
本申请所披露的3D打印支撑件构建方法可能带来的有益效果包括但不限于：(1)可以构建出合适的支撑件2，以在3D打印过程中尽可能防止打印件1晃动，减少打印偏差；(2)所构建的支撑件2可以减少用料，降低打印成本；(3)所构建的支撑件2在打印完成后易于与打印件1分离，从而在打印件1上减少支撑件2的材料残留。需要说明的是，不同的实施例可能产生的有益效果不同，在不同的实施例里，可能产生的有益效果可以是以上任意一种或几种组合，也可以是其他任何可能获得的有益效果。
本申请再一实施例提供一种3D打印方法，打印方法包括：根据上述任一技术方案的3D打印支撑件构建方法为打印件1模型构建支撑件2；利用3D打印设备打印该打印件1和支撑件2。打印该打印件1和支撑件2的3D打印设备可以是光固化3D打印机。通过使用上述3D打印支撑件构建方法来为3D打印进行前期建模，构建出支撑件2和打印件1，可以在3D打印设备打印该打印件1和支撑件2的过程中减少打印件1的晃动，从而使得打印出的打印件1的精度较高。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种3D打印支撑件，其特征在于，所述支撑件的至少一端与打印件连接；
所述支撑件与至少部分所述打印件共同形成的组合体被划分成多层平行的切片后，每层所述切片与初始打印切片之间的所有切片构成子组合体；
每个子组合体的重心的连线位于与任意切片垂直的第一柱体空间内。
2.如权利要求1所述的3D打印支撑件，其特征在于，所述每个子组合体的重心的连线与任意切片垂直。
3.如权利要求1所述的3D打印支撑件，其特征在于，所述支撑件包括主体部以及与所述打印件连接的连接部，所述连接部与所述打印件连接的一端的横截面积小于所述主体部的横截面积。
4.如权利要求1所述的3D打印支撑件，其特征在于，所述支撑件包括柱状支撑件、片状支撑件和/或网状支撑件。
5.如权利要求4所述的3D打印支撑件，其特征在于，所述片状支撑件上设有沿其厚度方向延伸的一个或多个通孔。
6.如权利要求4所述的3D打印支撑件，其特征在于，所述片状支撑件与所述打印件连接的连接部呈锯齿状。
7.如权利要求4所述的3D打印支撑件，其特征在于，所述网状支撑件包括多个由支柱构成的单元结构；
所述单元结构包括以下结构中的至少一种：四面体、立方体、长方体、八面体、十二面体、二十面体。
8.如权利要求1所述的3D打印支撑件，其特征在于，所述支撑件的两端均与所述打印件连接。
9.一种3D打印件，其特征在于，所述打印件在打印时采用了如权利要求1-8中任一项所述的支撑件。
10.如权利要求9所述的3D打印件，其特征在于，所述打印件包括至少两个子打印件。
11.如权利要求10所述的3D打印件，其特征在于，所述至少两个子打印件相同；
所述至少两个子打印件呈旋转对称布置。
12.一种3D打印支撑件构建方法，其特征在于，包括：
获取打印件模型；
为所述打印件模型构建支撑件，所述支撑件的至少一端与所述打印件连接，所述支撑件与至少部分所述打印件共同形成的组合体被划分成多层平行的切片后，每层所述切片与初始打印切片之间的所有切片构成子组合体，每个子组合体的重心的连线位于与任意切片垂直的第一柱体空间内。
13.如权利要求12所述的3D打印支撑件构建方法，其特征在于，所述支撑件包括主体部以及与所述打印件连接的连接部，所述连接部与所述打印件连接的一端的横截面积小于所述主体部的横截面积。
14.如权利要求12所述的3D打印支撑件构建方法，其特征在于，所述支撑件包括柱状支撑件、片状支撑件和/或网状支撑件。
15.一种3D打印方法，其特征在于，包括：
根据权利要求12～14任一项所述的3D打印支撑件构建方法为打印件模型构建支撑件；
利用3D打印设备打印所述打印件和所述支撑件。
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