CN112793164A

CN112793164A - 增材制造支撑结构及设计方法

Info

Publication number: CN112793164A
Application number: CN202110030781.9A
Authority: CN
Inventors: 赵小欢; 朱纪磊; 汤慧萍; 赵培; 全俊涛; 周勃延; 高峰
Original assignee: Xi'an Sailong Metal Materials Co ltd
Current assignee: Xi'an Sailong Metal Materials Co ltd
Priority date: 2021-01-11
Filing date: 2021-01-11
Publication date: 2021-05-14

Abstract

本发明实施例是关于一种增材制造支撑结构及设计方法。该方法包括：构建待加工工件的三维模型；设置所述待加工工件三维模型的摆放方式；将所述摆放好的待加工工件的三维模型需要添加支撑部位的外表面向预定方向偏移预设距离得到支撑壳体的三维模型；对所述支撑壳体三维模型设计支撑杆三维模型，使得所述支撑杆一端与支撑壳体连接，另一端向下方延伸，所述支撑杆有多个。本发明实施例设计的支撑结构，一方面该支撑结构不与零件表面相连接，不会影响零件的表面质量，并且去除支撑时不会引起零件表面损伤的问题；另一方面，支撑结构的支撑杆可以不与打印设备底板相接处而处于悬空状态，不但可以节省打印时间还可以减少后续处理工序和节约打印的成本。

Description

增材制造支撑结构及设计方法

技术领域

本发明实施例涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种增材制造支撑结构及设计方法。

背景技术

支撑结构的设计在增材制造过程中具有重要意义，在成形的过程中起到保证零件稳定性以及位置精度、传递热量防止零件翘起变形的作用，因此对增材制造中支撑结构设计方法进行研究，很有必要和意义。

相关技术中，支撑结构都是借助3D打印模型处理软件设计的，支撑结构直接与打印模型表面相连接，影响打印零件表面质量；并且去除支撑过程中，存在损伤零件的风险；同时支撑结构基本都与底板相连，这样的支撑所需的打印材料较多，一方面增加打印时间，增加打印成本，另一方面降低底板使用频次及寿命。

因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。

需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种增材制造支撑结构设计方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种增材制造支撑结构设计方法，包括：

构建待加工工件的三维模型；

设置所述待加工工件三维模型的摆放方式；

将所述摆放好的待加工工件的三维模型需要添加支撑部位的外表面向预定方向偏移预设距离得到支撑壳体的三维模型；

对所述支撑壳体三维模型设计支撑杆三维模型，使得所述支撑杆一端与支撑壳体连接，另一端向下方向延伸，所述支撑杆有多个。

本发明的一实施例中，将所述外表面向预定方向偏移预设距离为将所述外表面以与打印设备底板垂直的方向向下偏移预设距离从而得到支撑壳体的三维模型，或为将所述外表面上各点以其法线方向向外进行预设距离偏移，偏移后的各点组成的面为支撑壳体的三维模型。

本发明的一实施例中，所述预设距离与打印粉末的性能参数、高能束束斑精度尺寸参数和切层厚度参数中的至少一种参数相关。

本发明的一实施例中，所述支撑壳体为实体壳体或镂空壳体。

本发明的一实施例中，所述支撑壳体的厚度大于等于设备最小成形尺寸厚度。

本发明的一实施例中，在所述支撑壳体三维模型上设置支撑凸起三维模型，使得所述支撑凸起朝向待加工工件方向凸起。

本发明的一实施例中，所述支撑凸起为点状凸起、针状凸起、锯齿形凸起、条状凸起中的一种或多种构成。

本发明的一实施例中，所述支撑杆为直杆或带折角的杆或曲线形状的杆。

本发明的一实施例中，所述支撑杆从一端到另一端的截面积均相同或逐渐改变。

本发明的一实施例中，所述支撑杆的另一端向下方延伸与打印设备底板接触或相对所述底板呈悬空状。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种增材制造支撑结构，由上述任一实施例所述增材制造支撑结构设计方法制造而成。

本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明的实施例中，通过上述增材制造支撑结构设计方法设计的支撑结构，一方面该支撑结构不与零件表面相连接，不会影响零件的表面质量，并且去除支撑时不会引起零件表面损伤的问题；另一方面，支撑结构的支撑杆可以不与打印设备底板相接处而处于悬空状态，不但可以节省打印时间还可以减少后续处理工序和节约打印的成本。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本发明示例性实施例中增材制造支撑结构设计方法流程图；

图2示出本发明示例性实施例中支撑结构示意图；

图3示出本发明示例性实施例中支撑壳体结构示意图；

图4示出本发明示例性实施例中不同形状待加工工件的支撑壳体结构示意图；

图5示出本发明示例性实施例中相同形状待加工工件的不同支撑壳体结构示意图；

图6示出本发明示例性实施例中另一相同形状待加工工件的不同支撑壳体结构示意图。

其中：101-待加工工件，102-支撑壳体，103-支撑杆，104-支撑凸起，105-打印设备底板。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本发明实施例的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。

本示例实施方式中首先提供了一种增材制造支撑结构设计方法。参考图1中所示，该增材制造支撑结构设计方法可以包括：

S101：构建待加工工件101的三维模型；

S102：设置所述待加工工件101三维模型的摆放方式；

S103：将所述摆放好的待加工工件的三维模型需要添加支撑部位的外表面向预定方向偏移预设距离得到支撑壳体的三维模型；

S104：对所述支撑壳体102三维模型设计支撑杆103三维模型，使得所述支撑杆103一端与支撑壳体102连接，另一端向下方向延伸，所述支撑杆103有多个。

具体的，在步骤S101中，构建待加工工件101的三维模型。即根据所要打印的目标工件对其进行三维模型的构建。

在步骤S102中，设置所述待加工工件101三维模型的摆放方式。所述摆放方式根据打印要求来决定，例如，若要求打印时间最少，则摆放零件高度最小；若要求零件表面成形质量最好，则需要添加支撑最少；也可根据成形空间综合考虑，在成形空间能摆下的前提下，加工工件能顺利成形的方向，当然并不限于此。

在步骤S103中，将所述摆放好的待加工工件101的三维模型需要添加支撑部位的外表面向外进行预设偏移从而得到支撑壳体102的三维模型。即，当摆放好的待加工工件101的三维模型的某一部分需要添加支撑结构时，将待加工工件101三维模型该部分的壳体外表面向外进行偏移，偏移后得到支撑壳体102的三维模型，预设距离为建模人员根据相关参数进行预先设定的，如此一来，待加工工件101的三维模型与所述支撑壳体102的三维模型之间有预设的距离，在进行铺粉打印过程中，支撑壳体102和待加工工件101之间的缝隙会夹有一层粉末，从而使得支撑壳体102既能够起到支撑作用，又不会与待加工工件连接。

在步骤S104中：对所述支撑壳体102三维模型设计支撑杆103三维模型，使得所述支撑杆103一端与支撑壳体102连接，另一端向下方向延伸，所述支撑杆103有多个。即，对支撑壳体102三维模型设计支撑杆103的三维模型，支撑杆103一端连于支撑壳体102上，另一端即自由端向下方向伸进行延伸，即朝向打印设备底板105的方向延伸，支撑杆103一般有多个，可起到较良好的支撑作用，同时，支撑杆103还可以起到导热的作用。

上述增材制造支撑结构设计方法设计的支撑结构，一方面该支撑结构不与零件表面相连接，不会影响零件的表面质量，并且去除支撑时不会引起零件表面损伤的问题；另一方面，支撑结构的支撑杆103可以不与打印设备底板105相接处而处于悬空状态，不但可以节省打印时间还可以减少后续处理工序和节约打印的成本。

下面，将参考图2和图3对本示例实施方式中的上述增材制造支撑结构设计方法的各个部分进行更详细的说明。

在一个实施例中，将所述外表面向预定方向偏移预设距离可以为将所述外表面以与打印设备底板105垂直的方向向下偏移预设距离从而得到支撑壳体102的三维模型，或可以为将所述外表面上各点以其法线方向向外进行预设距离偏移，偏移后的各点组成的面为支撑壳体102的三维模型。

参考图4~图6，具体的，参考图4所示，当所述待加工工件101的三维模型需要添加支撑部位的外表面为平面或其为曲面但曲率较小接近于平面时，可以将所述需要添加支撑部位的外表面以与打印设备底板105垂直向下的方向进行预设距离的偏移，从而得到支撑壳体102的三维模型；参考图5和图6所示，当所述待加工工件101的三维模型需要添加支撑部位的外表面为曲面且曲率较大或部分位置曲率较大时，例如所述待加工工件101的三维模型需要添加支撑部位的外表面为半圆形或较凸出的W形凸起时，如图5a和图6a所示，若采用将所述需要添加支撑部位的外表面以与打印设备底板105垂直向下的方向进行预设距离的偏移的方式来获得支撑壳体102，则支撑壳体102与待加工工件101之间的距离不均匀，会出现部分位置距离过小的问题；因此，在此种情况下，可如图5b和图6b所示，采用将所述外表面上各点以其法线方向向外进行预设距离的偏移，此时偏移后的各点组成的面即为支撑壳体102，该情况下，支撑壳体102与所述待加工工件101之间的距离是均匀且相等的，具体的所述预设距离可根据加工情况进行自行设定；以外表面个点向外偏移形成的支撑壳体102各点均与所述待加工工件101的距离相等，相较于将外表面统一向下方进行偏移形成的支撑壳体102其支撑力更加的均匀，且不会出现部分支撑壳体102与待加工工件101之间距离过近，可能产生粘连，不利于分离的问题。

在一个实施例中，所述预设距离可以与打印粉末的性能参数、高能束束斑精度尺寸参数和切层厚度参数中的至少一种参数相关。

具体的，所述粉末性能参数包括粉末的粒度分布、粉末的松装密度、粉末的振实密度等，当然并不限于此；所述预设距离具体与哪个参数相关需根据实际加工情况进行判断，当所有参数中某个参数占据主导位置时，则考虑该主导参数，当与粉末的性能参数相关时，所述预设距离≥粉末最大粒径；当与所述高能束束板精度尺寸参数相关时，所述预设距离≥2倍高能束的束斑精度尺寸；当与所述切层厚度参数相关时，所述预设距离≥2倍切层厚度，当然并不限于此。

在一个实施例中，所述支撑壳体102可以为实体壳体或镂空壳体。示例的，所述支撑壳体102可以是实面壳体、也可以是镂空壳体，具体的可以是孔洞镂空也可以是网格镂空，在此不做具体的限定，镂空壳体相对于实体壳体更加的节省材料并且在一定程度上节省了打印的时间。

在一个实施例中，所述支撑壳体102的厚度可以大于等于设备最小成形尺寸厚度。具体的，所述壳体的厚度大于等于设备最小成形尺寸厚度。壳体的厚度可以起到支撑零件的作用即可，壳体厚度越厚，支撑零件的效果越好，越不容易在成形过程中，粉床塌陷，但同时打印时间越长，粉末消耗越多，成本越高。因此壳体的厚度≥设备最小成形尺寸厚度，能顺利成形，起到支撑零件的作用即可。

在一个实施例中，在所述支撑壳体102三维模型上可以设置支撑凸起104三维模型，使得所述支撑凸起104朝向待加工工件方向凸起。具体的，在所述支撑壳体102上可以设置支撑凸起104，所述支撑凸起104即可以起到支撑零件的作用，还可以在打印过程中起到固定粉末的作用，当然并不限于此。

在一个实施例中，所述支撑凸起104为点状凸起、针状凸起、锯齿形凸起、条状凸起中的一种或多种构成。具体的，所述支撑壳体102上的支撑凸起104可以是一种形状构成，也可以是有多种形状组合构成，在此不做具体限定。

在一个实施例中，所述支撑杆103可以为直杆或带折角的杆或曲线形状的杆。具体的，为避免支撑杆103与待加工工件101相交从而影响到待加工工件的打印质量，所述支撑杆103可以是待弯折角或者曲线形状的杆，当然并不限于此。

在一个实施例中，所述支撑杆103从一端到另一端的截面积均相同或逐渐改变。示例性的，所述支撑杆103的截面积可以是圆形、方形、菱形、梯形、多边形、不规则形状等。

在一个实施例中，所述支撑杆103的另一端向下方延伸与打印设备底板105接触或相对所述底板105呈悬空状。示例性的，所述支撑杆102的另一端即自由端可以是与打印设备底板105接触的，也可以是相对所述底板105呈悬空状，所述支撑杆103呈悬空状时相较于与打印设备底板105接触的支撑杆103用的材料较少并且打印时间较短。具体的，所述一个支撑壳体102的支撑杆103可以都是悬空的也可以都是与打印设备底板105接触的，当然还可以是部分支撑杆103悬空、部分支撑杆103与打印设备底板105接触的情况，但是，当所述支撑杆103需具有较好的导热作用时，所述支撑杆103需要与所述打印设备底板105接触。

本示例实施方式中其次还提供了一种增材制造支撑结构，所述增材制造支撑结构可以由上述任一实施例所述增材制造支撑结构设计方法制造而成。

需要理解的是，上述描述中的术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims

1.一种增材制造支撑结构设计方法，其特征在于，包括：

构建待加工工件的三维模型；

设置所述待加工工件三维模型的摆放方向；

对所述支撑壳体三维模型设计支撑杆三维模型，使得所述支撑杆一端与支撑壳体连接，另一端向下方延伸，所述支撑杆有多个。

2.根据权利要求1所述增材制造支撑结构设计方法，其特征在于，将所述外表面向预定方向偏移预设距离为将所述外表面以与打印设备底板垂直的方向向下偏移预设距离从而得到支撑壳体的三维模型，或为将所述外表面上各点以其法线方向向外进行预设距离偏移，偏移后的各点组成的面为支撑壳体的三维模型。

3.根据权利要求2所述增材制造支撑结构设计方法，其特征在于，所述预设距离与打印粉末的性能参数、高能束束斑精度尺寸参数和切层厚度参数中的至少一种参数相关。

4.根据权利要求3所述增材制造支撑结构设计方法，其特征在于，所述支撑壳体为实体壳体或镂空壳体。

5.根据权利要求4所述增材制造支撑结构设计方法，其特征在于，所述支撑壳体的厚度大于等于设备最小成形尺寸厚度。

6.根据权利要求5所述增材制造支撑结构设计方法，其特征在于，在所述支撑壳体三维模型上设置支撑凸起三维模型，使得所述支撑凸起朝向待加工工件方向凸起。

7.根据权利要求6所述增材制造支撑结构设计方法，其特征在于，所述支撑凸起为点状凸起、针状凸起、锯齿形凸起、条状凸起中的一种或多种构成。

8.根据权利要求1~7所述增材制造支撑结构设计方法，其特征在于，所述支撑杆为直杆或带折角的杆或曲线形状的杆。

9.根据权利要求8所述增材制造支撑结构设计方法，其特征在于，所述支撑杆从一端到另一端的截面积均相同或逐渐改变。

10.根据权利要求9所述增材制造支撑结构设计方法，其特征在于，所述支撑杆的另一端向下方延伸与所述底板接触或相对所述底板呈悬空状。