CN111318703B - Slm制造金属零件减轻应力形变的支撑结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种SLM制造金属零件减轻应力形变的支撑结构，包括网格状支撑单元、锥状支撑单元以及体积支撑单元；在需要支撑的零件的狭长悬垂面的下方设置基板；在所述狭长悬垂面的底面与所述基板之间，设置所述网格状支撑单元；对于零件特征残余应力大于设定阀值的位置，设置所述体积支撑单元；本发明提供的SLM制造金属零件减轻应力形变的支撑结构，同时采用网格状支撑单元、锥状支撑单元以及体积支撑单元三种支撑结构，在激光选区熔融3D打印过程中减轻零件因为自身应力发生形变，从而保证零件成型性，提升零件的打印精度。
Description
技术领域
本发明属于金属零件支撑技术领域，具体涉及一种SLM制造金属零件减轻应力形变的支撑结构。
背景技术
3D打印(3DP)是快速成型技术的一种，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。因为是逐层打印，所以在制造形状复杂的零件时，与传统制造业相比具有更为明显的优势。具体的，相对于传统制造业，3D打印技术无需数控铣削，无需专用工具，直接根据数模而将复杂结构的零件打印出来，传统工业无法制造的孔隙结构、轻量化和内流道等，利用3D打印技术也能完成制造。一般来说，采用3D打印技术所打印的零件，制造时间和成本均不超过传统技术的1/2。采用的材料不仅限于尼龙，材料种类还能扩展到多种纯金属或合金材料，如不锈钢、工具钢、铁合金等。采用3D打印技术所打印的零件，成型件相对密度接近或达到100％，总体力学性能比采用传统方法制造的零件更为优秀。
快速成型技术正向直接制造金属零件的方向发展，SLM技术即Selective lasermelting(选择性激光熔化)，采用能量沉积式技术，是现有金属增材制造技术中，成型件致密度较高，力学性能较好的技术。用快速成型技术能直接成型出接近完全致密度、力学性能良好的金属零件。SLM技术克服了选择性激光烧结(Selective Laser Sintering。SLS)技术制造金属零件工艺过程复杂的困扰。
但是SLM技术也有其缺点，由于其局部高温及快速冷却的特点，导致在加工过程中不可避免地产生残余应力，即消除外力或不均匀的温度场等作用后仍留在物体内的自相平衡的内应力，残余应力会对零件的成型性以及成型尺寸精度产生较大影响。对于应力较大的零件，易出现翘曲，裂纹等现象，从而降低了零件的成型精度。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种SLM制造金属零件减轻应力形变的支撑结构，可有效解决上述问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种SLM制造金属零件减轻应力形变的支撑结构，包括网格状支撑单元、锥状支撑单元以及体积支撑单元；
在需要支撑的零件的狭长悬垂面的下方设置基板；在所述狭长悬垂面的底面与所述基板之间，设置所述网格状支撑单元，从而保证零件的成型性；对于零件特征残余应力大于设定阀值的位置，设置所述体积支撑单元；所述体积支撑单元的顶面与所述零件的支撑位置面接触；所述体积支撑单元的底面与所述基板相连；通过所述体积支撑单元，提供拉应力，以平衡零件本身残余应力；对于零件特征残余应力小于设定阀值的位置，均匀设置多个所述锥状支撑单元；所述锥状支撑单元的顶面与所述零件的支撑位置面接触；所述锥状支撑单元的底面与所述基板相连；通过所述锥状支撑单元，传导热量，以减少打印过程中产生的残余应力。
优选的，所述锥状支撑单元包括锥顶面和锥底面；所述锥顶面的直径小于等于所述锥底面的直径；随着支撑高度的增加，所述锥状支撑单元的锥顶面和锥底面的直径相应增加。
优选的，所述体积支撑单元的支撑面积与支撑放射角度，随着零件的支撑位置产生的应力大小不同而不同；所述支撑放射角度在0-15度之间。
优选的，对于薄壁圆环状零件，所述体积支撑单元采用肋状支撑结构；所述肋状支撑结构的上坡度为30-45度之间。
优选的，所述肋状支撑结构的设置数量为多个，在薄壁圆环状零件的圆环外部均匀分布。
本发明提供的SLM制造金属零件减轻应力形变的支撑结构具有以下优点：
本发明提供的SLM制造金属零件减轻应力形变的支撑结构，同时采用网格状支撑单元、锥状支撑单元以及体积支撑单元三种支撑结构，在激光选区熔融3D打印过程中减轻零件因为自身应力发生形变，从而保证零件成型性，提升零件的打印精度。
附图说明
图1为本发明SLM制造金属零件狭长悬垂面特征的支撑结构示意图；
图2为图1的力方向示意图；
图3为本发明SLM制造金属零件薄壁圆环状残余应力示意图；
图4为本发明SLM制造金属零件薄壁圆环状特征的支撑结构示意图。
其中：
1：横向圆柱实体；2：第一体积支撑单元；3：网格状支撑单元；4：锥状支撑单元；5：第二体积支撑单元；6：悬垂面；7：薄壁圆环状零件；8：肋状支撑结构；9：基板。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为控制零件在成型过程中的形变，防止出现翘曲，裂纹等现象，本发明提供一种SLM制造金属零件减轻应力形变的支撑结构，是一种采用实体支撑的方式，主要应用于激光选区熔融3D打印过程中，可减轻零件因为自身应力发生形变，可保证零件的成型性与精度，尤其适用于残余应力较大的零件，属于激光快速成型领域。具体的，本发明提供的支撑结构，是一种应用于激光选区熔化SLM技术制造金属零件过程中的减轻应力形变的支撑结构，在保证所打印零件能够成型的同时，保证零件的弧度，直线度，垂直度，孔的圆度等等方面达到质量技术要求。本发明主要针对零件狭长悬垂面特征的支撑方案，以及薄壁圆环结构零件的支撑方案，用于减轻金属零件在3D打印过程中，因为残余应力所造成的形变。本发明可以极大减少零件残余应力对其自身产生的影响，提升产品的精度以及合格率，从而降低人工以及原材料成本，高效高质量的完成零件打印。
具体的，本发明提供的SLM制造金属零件减轻应力形变的支撑结构，应用于零件开始打印之前的预处理工序，该工序作用为添加支撑，以保证零件成型性以及精度。在大多数情况下，形状越偏向于狭长，面积越大的零件特征残余应力越大，更容易产生形变，因此，一方面，采用网格状支撑提供拉力来平衡零件特征的部分残余应力，同时，使用锥状支撑与体积支撑来平衡零件特征的剩余残余应力。所使用支撑的大小形状应根据具体零件特征进行选择。
其中，本发明中，体积支撑分两种情况，第一种为狭长悬垂面特征，该特征受残余应力影响，主要表现为翘曲，悬垂面添加的支撑一般取决于悬垂面的形状与大小，根据大小形状不同，分别添加锥形与体积支撑；另一种情况，一般指的是大尺寸薄壁环状零件特征，该零件特征，由于残余应力的影响，主要变现为向内坍缩变形，此时，常规的添加方法已经无法满足3D打印加工需求，需要添加肋状支撑以保证打印精度。
本发明提供的SLM制造金属零件减轻应力形变的支撑结构，包括网格状支撑单元、锥状支撑单元以及体积支撑单元；
对于易产生应力形变的零件，在需要支撑的零件的狭长悬垂面的下方设置基板；在所述狭长悬垂面的底面与所述基板之间，设置所述网格状支撑单元，从而保证零件的成型性；
对于零件特征残余应力大于设定阀值的位置，设置所述体积支撑单元；所述体积支撑单元的顶面与所述零件的支撑位置面接触；所述体积支撑单元的底面与所述基板相连；通过所述体积支撑单元，提供拉应力，以平衡零件本身残余应力；实际应用中，根据特征产生的应力大小不同，所述体积支撑单元的支撑面积与支撑放射角度，随着零件的支撑位置产生的应力大小不同而不同；所述支撑放射角度在0-15度之间。例如，体积支撑的方向与Z方向呈一定的放射角度a，角度a一般在0-15度之间；在与零件连接时支撑探入实体0.1mm。
对于零件特征残余应力小于设定阀值的位置，均匀设置多个所述锥状支撑单元；所述锥状支撑单元的顶面与所述零件的支撑位置面接触；所述锥状支撑单元的底面与所述基板相连；通过所述锥状支撑单元，传导热量，以减少打印过程中产生的残余应力。实际应用中，锥状支撑单元的密度需要根据支撑面的尺寸以及距基板的高度进行调整，即X,Y,Z三个方向的数值；所述锥状支撑单元包括锥顶面和锥底面；所述锥顶面的直径小于等于所述锥底面的直径；随着支撑高度的增加，所述锥状支撑单元的锥顶面和锥底面的直径相应增加。
对于薄壁圆环状零件，所述体积支撑单元采用肋状支撑结构；所述肋状支撑结构的上坡度为30-45度之间。所述肋状支撑结构的设置数量为多个，在薄壁圆环状零件的圆环外部均匀分布。
下面结合附图，对本发明举例说明：
如图1，为零件特征为狭长悬垂面的支撑结构，1为横向圆柱实体，而且尺寸公差要求为±0.05mm，在这个精度必须添加支撑才能保证其成型质量和尺寸精度等；2、5分别为第一体积支撑单元和第二体积支撑单元，体积支撑单元将零件特征残余应力较大的位置与基板相连，提供足够的拉应力，以平衡零件本身残余应力，保证零件精度；3为网格状支撑单元，主要用以保证零件的成型性；4为锥状支撑单元，主要用以连接基板，传导热量，以减少打印过程中产生的残余应力。以悬垂面6为分析面，如图2所示，随着悬垂面长宽比的增加，其相对位置的残余应力越大，所需拉应力也越大(零件中间位置取网格状支撑与锥状支撑的均值)，支撑所能提供的许用应力必须大于零件本身残余应力，才能保障零件精度。
如图1，为了兼顾零件精度与支撑去除的难易程度，锥状支撑的添加有一定的范围要求，一般来说，锥状支撑的锥顶与锥底圆直径为0.1-1mm，锥状支撑之间的间隔在2-5mm之间。
如图4，列举零件特征为薄壁圆环状零件特征的支撑结构，如图3所示，薄壁圆环状零件特征的残余应力方向指向圆心，如不加支撑，会导致零件向内坍缩，产生较大形变；如图4所示，当圆环直径超过40时应添加肋状支撑，肋状支撑角度一般为40°到50°之间，宽度与圆直径的比例一般为1：50，支撑数量为8-16个，在圆环外部均匀分布。
本发明提供的SLM制造金属零件减轻应力形变的支撑结构具有以下优点：
本发明提供的SLM制造金属零件减轻应力形变的支撑结构，同时采用网格状支撑单元、锥状支撑单元以及体积支撑单元三种支撑结构，在激光选区熔融3D打印过程中减轻零件因为自身应力发生形变，从而保证零件成型性，提升零件的打印精度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种SLM制造金属零件减轻应力形变的支撑结构，其特征在于，同时采用网格状支撑单元、锥状支撑单元以及体积支撑单元三种支撑结构；
零件特征为狭长悬垂面，在需要支撑的零件的狭长悬垂面的下方设置基板；在所述狭长悬垂面的底面与所述基板之间，设置所述网格状支撑单元，从而保证零件的成型性；对于零件特征残余应力大于设定阀值的位置，设置所述体积支撑单元；所述体积支撑单元的顶面与所述零件的支撑位置面接触；所述体积支撑单元的底面与所述基板相连；通过所述体积支撑单元，提供拉应力，以平衡零件本身残余应力；对于零件特征残余应力小于设定阀值的位置，均匀设置多个所述锥状支撑单元；所述锥状支撑单元的顶面与所述零件的支撑位置面接触；所述锥状支撑单元的底面与所述基板相连；通过所述锥状支撑单元，传导热量，以减少打印过程中产生的残余应力；
其中，所述锥状支撑单元包括锥顶面和锥底面；所述锥顶面的直径小于等于所述锥底面的直径；随着支撑高度的增加，所述锥状支撑单元的锥顶面和锥底面的直径相应增加；锥状支撑的锥顶面与锥底面的直径为0.1-1mm，锥状支撑之间的间隔在2-5mm之间；
其中，所述体积支撑单元的支撑面积与支撑放射角度，随着零件的支撑位置产生的应力大小不同而不同；所述支撑放射角度在0-15度之间，其中，支撑放射角度为体积支撑的方向与Z方向之间的夹角；
以悬垂面为分析面，随着悬垂面长宽比的增加，其相对位置的残余应力越大，所需拉应力也越大，支撑所能提供的许用应力必须大于零件本身残余应力，才能保障零件精度。
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| GR01 | Patent grant | ||
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
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Denomination of invention: Support Structure for SLM Manufacturing Metal Parts to Reduce Stress and Deformation Granted publication date: 20220415 Pledgee: Industrial Bank Co.,Ltd. Daqing branch Pledgor: HARBIN FORWEDO INTELLIGENT EQUIPMENT CO.,LTD. Registration number: Y2024230000002 |