CN112276114B - 一种用于金属增材制造的高可靠性柱状支撑结构成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于金属增材制造的高可靠性柱状支撑结构成型方法，属于快速成形领域；步骤一、沿竖直方向成型3个一阶主体杆；步骤二、成型3个二阶主体杆；成型4个第一分支结构；步骤三、在轴向最顶端第一分支结构上成型第二分支结构；步骤四、成型第三分支结构；成型第四分支结构；第三分支结构和第四分支结构的交点定义为相交点；步骤五、在3个二阶主体杆的顶部和2个相交点的顶部成型支撑细杆；步骤六、将n个柱状支撑结构依次排列，支撑细杆成5×n的形式分布，通过支撑细杆实现对外部零件的支撑；本发明具有成形过程不易变形、材料消耗少、易去除等优点。

Description

一种用于金属增材制造的高可靠性柱状支撑结构成型方法
技术领域
本发明属于快速成形领域，涉及一种用于金属增材制造的高可靠性柱状支撑结构成型方法。
背景技术
金属增材制造成形金属零件时，往往需要添加支撑结构。目前常用的支撑样式有实体支撑、网格支撑和柱状支撑。实体支撑在激光选区熔化成形过程中，往往需要从基板面整体大面积向上生长，才能保证支撑底部的牢固性，由于与零件的接触面过大，导致这类支撑去除困难，从而影响零件的表面质量。而且，采用实体支撑还存在浪费材料和加工时间长等缺点。网格支撑由于强度弱，在成形过程中容易出现塌陷和刮刀作用下破损等缺陷，在实际使用时存在风险。对于传统的柱状支撑而言，由于柱子之间相互独立，随着成形高度的增加，当支撑受到刮刀干涉时，容易造成柱子变形或断裂，失去支撑功能，影响零件的最终成形。在实际成形过程中，更多时候采用柱状支撑和块状支撑的复合支撑，由于在网格支撑中引入了柱状支撑，复合支撑的强度得到了提升，支撑的可靠性也大大提高。但是这类支撑也存在不足之处：1、支撑中的粉末很难清理回收，容易造成原材料的浪费；2、支撑的去除性差，零件成形后支撑不易去除，造成后处理的难度增加。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种用于金属增材制造的高可靠性柱状支撑结构成型方法，具有成形过程不易变形、材料消耗少、易去除等优点，而且高可靠性柱状支撑结构使用UG参数化设计建模方法，因此支撑的设计、添加、修改更为灵活，缩短了支撑的设计时间。
本发明解决技术的方案是：
一种用于金属增材制造的高可靠性柱状支撑结构成型方法，包括如下步骤：
步骤一、沿竖直方向成型3个一阶主体杆；
步骤二、沿3个一阶主体杆的轴向继续竖直向上成型3个二阶主体杆；同时，以中间的二阶主体杆为基准杆，与相邻二阶主体杆之间成型4个第一分支结构；
步骤三、在轴向最顶端第一分支结构上成型第二分支结构；
步骤四、在轴向最顶端第一分支结构上成型第三分支结构；同时在第二分支结构上成型第四分支结构；第三分支结构和第四分支结构的交点定义为相交点；
步骤五、在3个二阶主体杆的顶部和2个相交点的顶部成型支撑细杆；
步骤六、重复步骤一至步骤五共n次，制作n个柱状支撑结构；将n个柱状支撑结构依次排列，支撑细杆成5×n的形式分布，通过支撑细杆实现对外部零件的支撑。
在上述的一种用于金属增材制造的高可靠性柱状支撑结构成型方法，所述步骤一中，一阶主体杆为轴向竖直放置的杆状结构；一阶主体杆轴向长度为6mm，直径为1.5-3mm；3个一阶主体杆等间距放置；相邻2个一阶主体杆的间距为1.5-4mm。
在上述的一种用于金属增材制造的高可靠性柱状支撑结构成型方法，所述步骤二中，二阶主体杆与一阶主体杆一一对应，且二阶主体杆的直径与一阶主体杆直径相同；二阶主体杆的轴向长度为40mm；第一分支结构为V形结构；4个第一分支结构沿竖直方向均匀分布在二阶主体杆上；每个第一分支结构的高度L1为10mm；相邻2个第一分支结构的间距L2为8mm。
在上述的一种用于金属增材制造的高可靠性柱状支撑结构成型方法，所述步骤二中，第一分支结构的成型方法为：
以中间的二阶主体杆与对应一阶主体杆的连接处为基准点，沿45°分别向两侧上方延伸至与外侧的2个二阶主体杆相交，形成第一分支结构。
在上述的一种用于金属增材制造的高可靠性柱状支撑结构成型方法，所述步骤三中，第二分支结构的程序方法为：
在第一分支结构的中部位置，沿与第一分支结构垂直角度，向中间的二阶主体杆延伸，直至与中间二阶主体杆相交，形成第二分支结构。
在上述的一种用于金属增材制造的高可靠性柱状支撑结构成型方法，所述步骤四中，第三分支结构和第四分支结构的成型方法为：
设定第一分支结构与第二分支结构的交点为A点；第一分支结构与外侧二阶主体杆的交点为B点；第二分支结构与中间二阶主体杆的交点为C点；
取AB的中点，沿与第一分支垂直角度，向中间的二阶主体杆延伸，成型第三分支结构；取AC的中点，沿与第二分支结构垂直角度，向外侧二阶主体杆延伸，成型第四分支结构；直至第三分支结构与第四分支结构相交，得到相交点；第三分支结构和第四分支结构成型完成。
在上述的一种用于金属增材制造的高可靠性柱状支撑结构成型方法，所述步骤四中，中间的二阶主体杆的两侧各有1个相交点。
在上述的一种用于金属增材制造的高可靠性柱状支撑结构成型方法，所述步骤五中，支撑细杆为轴向竖直放置的杆状结构；支撑细杆轴向长度为4mm；直径为0.1-0.5mm。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明的分支结构不但可以确保柱状支撑的稳定性和强度，又容易实现粉末的清理回收；
(2)本发明在相邻主体杆之间共设置了1级、2级、3级、4级共4个级别的分支，形成了高可靠性柱状支撑结构与成形件接触的数量和分支单元的数量，既有效降低了支撑结构的重量，同时最大化的提供了支撑强度。
附图说明
图1为本发明柱状支撑结构成型侧视图；
图2为本发明n个柱状支撑结构排列俯视图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提供一种用于金属增材制造的高可靠性柱状支撑结构成型方法，主要用于增材制造过程中悬垂面的支撑，以保证成形件的成形质量，属于激光先进制造中的快速成形领域。
金属增材制造成形金属零件时，往往需要添加支撑结构。目前常用的支撑样式有实体支撑、网格支撑和柱状支撑。实体支撑在激光选区熔化成形过程中，往往需要从基板面整体大面积向上生长，才能保证支撑底部的牢固性，由于与零件的接触面过大，导致这类支撑去除困难，从而影响零件的表面质量。而且，采用实体支撑还存在浪费材料和加工时间长等缺点。网格支撑由于强度弱，在成形过程中容易出现塌陷和刮刀作用下破损等缺陷，在实际使用时存在风险。
柱状支撑结构成型方法，具体包括如下步骤：
步骤一、沿竖直方向成型3个一阶主体杆1，如图1所示，一阶主体杆1为轴向竖直放置的杆状结构；一阶主体杆1轴向长度为6mm，直径为1.5-3mm；3个一阶主体杆1等间距放置；相邻2个一阶主体杆1的间距为1.5-4mm。
步骤二、沿3个一阶主体杆1的轴向继续竖直向上成型3个二阶主体杆2；同时，以中间的二阶主体杆2为基准杆，与相邻二阶主体杆2之间成型4个第一分支结构3；二阶主体杆2与一阶主体杆1一一对应，且二阶主体杆2的直径与一阶主体杆1直径相同；二阶主体杆2的轴向长度为40mm；第一分支结构3为V形结构；4个第一分支结构3沿竖直方向均匀分布在二阶主体杆2上；每个第一分支结构3的高度L1为10mm；相邻2个第一分支结构3的间距L2为8mm。
第一分支结构3的成型方法为：以中间的二阶主体杆2与对应一阶主体杆1的连接处为基准点，沿45°分别向两侧上方延伸至与外侧的2个二阶主体杆2相交，形成第一分支结构3。
步骤三、在轴向最顶端第一分支结构3上成型第二分支结构4；第二分支结构4的程序方法为：在第一分支结构3的中部位置，沿与第一分支结构3垂直角度，向中间的二阶主体杆2延伸，直至与中间二阶主体杆2相交，形成第二分支结构4。
步骤四、在轴向最顶端第一分支结构3上成型第三分支结构5；同时在第二分支结构4上成型第四分支结构6；第三分支结构5和第四分支结构6的交点定义为相交点；第三分支结构5和第四分支结构6的成型方法为：
设定第一分支结构3与第二分支结构4的交点为A点；第一分支结构3与外侧二阶主体杆2的交点为B点；第二分支结构4与中间二阶主体杆2的交点为C点；
取AB的中点，沿与第一分支3垂直角度，向中间的二阶主体杆2延伸，成型第三分支结构5；取AC的中点，沿与第二分支结构4垂直角度，向外侧二阶主体杆2延伸，成型第四分支结构6；直至第三分支结构5与第四分支结构6相交，得到相交点；第三分支结构5和第四分支结构6成型完成。中间的二阶主体杆2的两侧各有1个相交点。
步骤五、在3个二阶主体杆2的顶部和2个相交点的顶部成型支撑细杆7；支撑细杆7为轴向竖直放置的杆状结构；支撑细杆7轴向长度为4mm；直径为0.1-0.5mm。
步骤六、重复步骤一至步骤五共n次，制作n个柱状支撑结构；将n个柱状支撑结构依次排列，支撑细杆7成5×n的形式分布，如图2所示，通过支撑细杆7实现对外部零件的支撑；n为正整数，且n大于等于5。
本发明提供了一种用于金属增材制造的高可靠性柱状支撑结构成型方法。该结构具有成形过程不易变形、材料消耗少、易去除等优点，而且高可靠性柱状支撑结构使用参数化设计建模方法，因此支撑的设计、添加、修改更为灵活，缩短了支撑的设计时间。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于金属增材制造的高可靠性柱状支撑结构成型方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、沿竖直方向成型3个一阶主体杆(1)；一阶主体杆(1)为轴向竖直放置的杆状结构；一阶主体杆(1)轴向长度为6mm，直径为1.5-3mm；3个一阶主体杆(1)等间距放置；相邻2个一阶主体杆(1)的间距为1.5-4mm；
步骤二、沿3个一阶主体杆(1)的轴向继续竖直向上成型3个二阶主体杆(2)；同时，以中间的二阶主体杆(2)为基准杆，与相邻二阶主体杆(2)之间成型4个第一分支结构(3)；二阶主体杆(2)与一阶主体杆(1)一一对应，且二阶主体杆(2)的直径与一阶主体杆(1)直径相同；二阶主体杆(2)的轴向长度为40mm；第一分支结构(3)为V形结构；4个第一分支结构(3)沿竖直方向均匀分布在二阶主体杆(2)上；每个第一分支结构(3)的高度L1为10mm；相邻2个第一分支结构(3)的间距L2为8mm；
步骤三、在轴向最顶端第一分支结构(3)上成型第二分支结构(4)；
步骤四、在轴向最顶端第一分支结构(3)上成型第三分支结构(5)；同时在第二分支结构(4)上成型第四分支结构(6)；第三分支结构(5)和第四分支结构(6)的交点定义为相交点；
步骤五、在3个二阶主体杆(2)的顶部和2个相交点的顶部成型支撑细杆(7)；
步骤六、重复步骤一至步骤五共n次，制作n个柱状支撑结构；将n个柱状支撑结构依次排列，支撑细杆(7)成5×n的形式分布，通过支撑细杆(7)实现对外部零件的支撑；n为正整数，且n大于等于5；
所述步骤二中，第一分支结构(3)的成型方法为：
以中间的二阶主体杆(2)与对应一阶主体杆(1)的连接处为基准点，沿45°分别向两侧上方延伸至与外侧的2个二阶主体杆(2)相交，形成第一分支结构(3)；
所述步骤三中，第二分支结构(4)的程序方法为：
在第一分支结构(3)的中部位置，沿与第一分支结构(3)垂直角度，向中间的二阶主体杆(2)延伸，直至与中间二阶主体杆(2)相交，形成第二分支结构(4)；
所述步骤四中，第三分支结构(5)和第四分支结构(6)的成型方法为：
设定第一分支结构(3)与第二分支结构(4)的交点为A点；第一分支结构(3)与外侧二阶主体杆(2)的交点为B点；第二分支结构(4)与中间二阶主体杆(2)的交点为C点；
取AB的中点，沿与第一分支结构(3)垂直角度，向中间的二阶主体杆(2)延伸，成型第三分支结构(5)；取AC的中点，沿与第二分支结构(4)垂直角度，向外侧二阶主体杆(2)延伸，成型第四分支结构(6)；直至第三分支结构(5)与第四分支结构(6)相交，得到相交点；第三分支结构(5)和第四分支结构(6)成型完成。
2.根据权利要求1所述的一种用于金属增材制造的高可靠性柱状支撑结构成型方法，其特征在于：所述步骤四中，中间的二阶主体杆(2)的两侧各有1个相交点。
3.根据权利要求2所述的一种用于金属增材制造的高可靠性柱状支撑结构成型方法，其特征在于：所述步骤五中，支撑细杆(7)为轴向竖直放置的杆状结构；支撑细杆(7)轴向长度为4mm；直径为0.1-0.5mm。
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