CN113059187A - 一种具有悬垂结构零件的3d打印方法 - Google Patents

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CN113059187A CN202110611316.4A CN202110611316A CN113059187A CN 113059187 A CN113059187 A CN 113059187A CN 202110611316 A CN202110611316 A CN 202110611316A CN 113059187 A CN113059187 A CN 113059187A
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Abstract

本发明公开了一种具有悬垂结构零件的3D打印方法，涉及增材制造技术领域。解决现有具有悬垂结构零件采用添加支撑的方式实现悬垂结构的成形，大尺寸悬垂结构存在内部组织性能不均匀的问题。当确定待打印零件在高度方向两个相邻部件中上方部件存在悬垂结构时，确定悬垂结构的悬臂长度，上方部件的第一熔化工艺参数，下方部件的第二熔化工艺参数；根据悬垂结构的悬臂长度、打印材料的悬臂成形极限、第一熔化工艺参数，第二熔化工艺参数、打印材料工艺渐变层厚系数和打印层厚度确定位于悬垂结构下方的台阶数量、台阶厚度以及台阶工艺改变量；依次采用第二熔化工艺参数、台阶工艺改变量和第一熔化工艺参数从下至上完成待打印零件。

Description

一种具有悬垂结构零件的3D打印方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，更具体的涉及一种具有悬垂结构零件的3D打印方法。
背景技术
悬垂结构是3D打印成形的难点，由于热应力无法得到有效释放，易产生翘曲变形的问题。一般通过改变零件摆放方式尽量避免较小的倾斜角度出现，较小倾斜角度无法避免时，需要通过添加支撑进行解决。水平悬垂结构，也称为悬臂结构，是倾斜角为零的悬垂结构，成形过程中部分区域熔池完全由粉末进行支撑，极易产生翘曲变形。一般通过悬臂长度衡量其成形的难易程度，悬臂长度越长，成形难度越大。
选择3D打印熔化工艺参数的首要考虑是制成组织均匀的全致密零件，零件密度是熔化质量的关键指标，如果存在孔隙，则无法达到要求的强度、延展性及抗疲劳性能。对于电子束3D打印技术，决定熔化质量的参数有扫描电流、扫描速度、扫描线间距、打印层厚等。对于特定的打印设备，可以根据电子束束斑尺寸确定扫描线间距，对于给定的零件，可以根据零件的精细程度和表面光洁度要求确定打印层厚。实际打印过程中，主要通过调节扫描电流及扫描速度控制熔化质量，因此，熔化工艺参数主要指扫描电流及扫描速度。由于截面面积不同，不同打印层的熔化线长度不同，采用相同的熔化工艺参数不能实现相同的熔化凝固条件，不同面积的截面对应的最优熔化工艺即致密化工艺参数不同。只有在零件的不同部位采用相应的致密化工艺参数才能得到全致密的零件，总体来说，较大面积的截面需要较高的能量输入，即较大的扫描电流或较小的扫描速度。
对于悬垂结构，如何有效解决局部散热，防止热应力变形是支撑结构最主要考虑的问题。申请号CN201710751049.4的专利，公开了一种悬空结构金属件的3D打印方法，在悬空结构金属件上的应力集中部分设置支撑结构，以所支撑的上层悬空结构金属件的重量为基准，选择支撑结构的打印致密度。申请号CN201822035301.4的实用新型专利，提供了一种金属增材制造用格栅状3D打印支撑结构，采用镂空格栅状支撑和实体支撑结合的方式实现悬垂结构的有效支撑。申请号CN202010279001.X的发明专利，公开了一种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，保证悬垂面成形。
现有技术采用添加支撑的方式降低悬垂结构处的热应力，技术的改进方向在于支撑结构的设计及多种支撑的优化组合，目的在于避免悬垂结构处翘曲变形，未曾考虑过悬垂结构处的组织均匀性及致密度问题，而致密度决定了零件的力学性能。实现零件的全致密意味着悬垂结构处存在熔化工艺突变，热应力问题更严重，加剧了零件翘曲变形的风险，现有技术没有提出相应的方法实现带有水平悬垂结构的零件全致密打印，同时避免成形过程中的翘曲变形。
综上所述，现有具有悬垂结构零件采用添加支撑的方式实现悬垂结构的成形，大尺寸悬垂结构存在内部组织性能不均匀的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种具有悬垂结构零件的3D打印方法，用以解决现有具有悬垂结构零件采用添加支撑的方式实现悬垂结构的成形，大尺寸悬垂结构存在内部组织性能不均匀的问题。
本发明实施例提供一种具有悬垂结构零件的3D打印方法，包括：
当确定待打印零件在高度方向两个相邻部件中上方部件存在悬垂结构时，确定所述悬垂结构的悬臂长度、所述上方部件的第一熔化工艺参数、下方部件的第二熔化工艺参数，其中，所述下方部件位于所述悬垂结构的下方，且所述下方部件的上表面与所述悬垂结构的下表面相接触；
根据所述悬垂结构的悬臂长度、打印材料的悬臂成形极限、第一熔化工艺参数、第二熔化工艺参数、打印材料工艺渐变层厚系数和打印层厚度确定位于悬垂结构下方的台阶数量、台阶厚度以及台阶工艺改变量；
依次采用第二熔化工艺参数、台阶工艺改变量和第一熔化工艺参数从下至上打印所述待打印零件。
优选地，所述根据所述悬垂结构的悬臂长度、打印材料的悬臂成形极限、第一熔化工艺参数、第二熔化工艺参数、打印材料工艺渐变层厚系数和打印层厚度确定位于悬垂结构下方的台阶数量、台阶厚度以及台阶工艺改变量，具体包括：
根据所述悬臂长度和打印材料的悬臂成形极限确定位于所述悬垂结构下的台阶数量；
根据所述台阶数量、第一熔化工艺参数和第二熔化工艺参数确定所述台阶工艺改变量；
根据每个所述台阶工艺改变量、打印材料工艺渐变层厚系数和打印层厚度确定台阶厚度。
优选地，通过下列公式确定位于悬垂结构下方的台阶数量：
Figure 473430DEST_PATH_IMAGE001
其中，m示设置在悬垂结构下方的台阶数量，
Figure 379069DEST_PATH_IMAGE002
表示所述悬垂结构的悬臂长度向上取整函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
表示打印材料的悬臂成形极限。
优选地，通过下列公式确定台阶工艺改变量：
Figure 412884DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
表示每个台阶的扫描电流改变量，
Figure 62171DEST_PATH_IMAGE006
表示每个台阶的扫描速度改变量，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 363577DEST_PATH_IMAGE008
表示第一熔化工艺参数内的第一扫描电流，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
表示第二熔化工艺参数内的第二扫描电流，
Figure 440118DEST_PATH_IMAGE010
表示第一电流差值，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
表示第一扫描差值，
Figure 961229DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
表示第一熔化工艺参数内的第一扫描速度，
Figure 148628DEST_PATH_IMAGE014
表示第二熔化工艺参数内的第二扫描速度，m表示设置在悬垂结构下方的台阶数量。
优选地，通过下列公式确定台阶厚度：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
其中，H表示台阶厚度，k表示打印材料工艺渐变层厚系数，h表示打印层厚度，
Figure 570120DEST_PATH_IMAGE016
表示每个台阶的扫描电流改变量，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
表示每个台阶的扫描速度改变量。
优选地，所述依次采用第二熔化工艺参数、台阶工艺改变量和第一熔化工艺参数从下至上打印所述待打印零件，具体包括：
所述待打印零件包括的下方部件采用第二熔化工艺参数进行打印；
当开始打印位于悬垂结构下方的第一个台阶时，以所述第二熔化工艺参数为基准开始打印，且每个台阶内部打印时按照设定方式对所述第二熔化工艺参数进行修改，完成第一个台阶打印后，得到第一个台阶最后熔化工艺参数；
当开始打印位于悬垂结构下方的第N个台阶时，以第N-1个台阶最后熔化工艺参数为第N个台阶初始熔化工艺参数开始打印，且每个台阶内部打印时按照设定方式对所述第N个台阶初始熔化工艺参数进行修改，完成第N个台阶后，得到第N个台阶最后熔化工艺参数；其中，N大于1且小于等于设置在悬垂结构下方的台阶数量；
当所述第N个台阶最后熔化工艺参数等于第一熔化工艺参数时，完成悬垂结构下方台阶的打印；
所述待打印零件包括的上方部件采用第一熔化工艺参数进行打印。
优选地，所述每个台阶内部打印时按照设定方式对所述第二熔化工艺参数进行修改，具体包括：
每个台阶内部完成k层打印时，按照扫描电流增大0.1mA同时扫描速度减小0.1m/s的参数渐变方式对所述第二熔化工艺参数进行修改，若扫描电流的增大量先达到
Figure 817561DEST_PATH_IMAGE018
时，每完成k层打印，按照扫描电流不变扫描速度减小0.1m/s的参数渐变方式对所述第二熔化工艺参数进行修改；或者若扫描速度的减少量先达到
Figure DEST_PATH_IMAGE019
时，每完成k层打印，按照扫描速度不变扫描电流增大0.1mA的参数渐变方式对所述第二熔化工艺参数进行修改；
其中，
Figure 825969DEST_PATH_IMAGE018
表示每个台阶的扫描电流改变量，
Figure 817058DEST_PATH_IMAGE019
表示每个台阶的扫描速度改变量，k层表示打印材料工艺渐变层厚系数。
优选地，所述每个台阶内部打印时按照设定方式对所述第N个台阶初始熔化工艺参数进行修改，具体包括：
每个台阶内部完成k层打印时，按照扫描电流增大0.1mA同时扫描速度减小0.1m/s的参数渐变方式对所述第N个台阶初始熔化工艺参数进行修改；若扫描电流的增大量先达到
Figure 656838DEST_PATH_IMAGE018
时，每完成k层打印，按照扫描电流不变扫描速度减小0.1m/s的参数渐变方式对所述第N个台阶初始熔化工艺参数进行修改；或者若扫描速度的减少量先达到
Figure 573717DEST_PATH_IMAGE019
时，每完成k层打印，按照扫描速度不变扫描电流增大0.1mA的参数渐变方式对所述第N个台阶初始熔化工艺参数进行修改；
其中，
Figure 866158DEST_PATH_IMAGE018
表示每个台阶的扫描电流改变量，
Figure 660938DEST_PATH_IMAGE019
表示每个台阶的扫描速度改变量，k层表示打印材料工艺渐变层厚系数。
优选地，所述依次采用第二熔化工艺参数、台阶工艺改变量和第一熔化工艺参数从下至上打印所述待打印零件之后，还包括：
将位于上方部件和下方部件之间的台阶去除。
本发明实施例提供一种具有悬垂结构零件的3D打印方法，该方法包括当确定待打印零件在高度方向两个相邻部件中上方部件存在悬垂结构时，确定所述悬垂结构的悬臂长度、所述上方部件的第一熔化工艺参数、下方部件的第二熔化工艺参数，其中，所述下方部件位于所述悬垂结构的下方，且所述下方部件的上表面与所述悬垂结构的下表面相接触；根据所述悬垂结构的悬臂长度、打印材料的悬臂成形极限、第一熔化工艺参数、第二熔化工艺参数、打印材料工艺渐变层厚系数和打印层厚度确定位于悬垂结构下方的台阶数量、台阶厚度以及台阶工艺改变量；依次采用第二熔化工艺参数、台阶工艺改变量和第一熔化工艺参数从下至上打印所述待打印零件。该方法根据零件包括的悬垂结构，将零件分为上方部件和下方部件，且分别设置不同部件的熔化工艺参数，根据不同的熔化工艺参数、悬垂结构的悬臂长度、打印材料的参数等确定悬垂结构下方设置的工艺过渡结构的各个参数，通过打印台阶实现工艺分级过渡以及台阶内部工艺渐变方式，打印出带有水平悬垂结构的全致密零件，保证零件的力学性能；再者，通过将原始悬臂分解的方式，避免了长悬臂成形过程中的翘曲变形。该方法解决了现有具有悬垂结构零件采用添加支撑的方式实现悬垂结构的成形，大尺寸悬垂结构存在内部组织性能不均匀的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的一种具有悬垂结构零件的3D打印方法流程示意图；
图2为本发明实施例一提供的“T”型零件模型结构示意图；
图3为本发明实施例一提供的“T”型零件模型正视结构示意图；
图4为本发明实施例一提供的添加工艺过渡结构后的“T”型零件结构示意图；
图5为本发明实施例一提供的添加工艺过渡结构后的“T”型零件正视结构示意图；
其中，上方部件~1-1；下方部件~1-2；工艺过渡结构~1-3。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
利用3D打印技术成形带有水平悬垂悬臂结构的零件，成形过程中部分区域熔池完全由粉末进行支撑，极易产生翘曲变形。悬臂长度越长，成形难度越大，一般通过添加支撑降低热应力的方式解决。对于电子束3D打印，由于水平悬垂结构处上下截面的熔化线长度不同，对应的最优熔化工艺参数不同，存在熔化工艺突变，热应力问题更严重，加剧了零件翘曲变形的风险。现有技术针对水平悬垂结构的3D打印成形，仅从优化支撑类型及结构的角度考虑减轻热应力，避免零件变形，未曾考虑水平悬垂结构处的组织均匀性及致密度问题，更没有提出相应的方法实现带有水平悬垂结构的零件全致密打印，同时避免成形过程中的翘曲变形。
为了克服现有技术的不足，解决水平悬垂结构处的组织均匀性及致密度的问题，本发明实施例提供一种具有悬垂结构零件的3D打印方法，该方法通过优化模型、熔化工艺过渡的方式打印出带有水平悬垂结构的全致密零件，保证零件的力学性能，同时避免成形过程中的翘曲变形。
图1示例性的示出了本发明实施例提供的一种具有悬垂结构零件的3D打印方法流程示意图，如图1所示，该方法主要包括以下步骤：
步骤101，当确定待打印零件在高度方向两个相邻部件中上方部件存在悬垂结构时，确定所述悬垂结构的悬臂长度、所述上方部件的第一熔化工艺参数、下方部件的第二熔化工艺参数，其中，所述下方部件位于所述悬垂结构的下方，且所述下方部件的上表面与所述悬垂结构的下表面相接触；
步骤102，根据所述悬垂结构的悬臂长度、打印材料的悬臂成形极限、第一熔化工艺参数、第二熔化工艺参数、打印材料工艺渐变层厚系数和打印层厚度确定位于悬垂结构下方的台阶数量、台阶厚度以及台阶工艺改变量；
步骤103，依次采用第二熔化工艺参数、台阶工艺改变量和第一熔化工艺参数从下至上打印所述待打印零件。
需要说明的是，本发明实施例中所说的悬垂，其英文含义为“overhang”，在增材制造领域内，金属增材制造技术采用层层堆积原理来成形工件，增材制造俗称3D打印。金属增材制造技术采用计算机三维设计软件制作工件的三维模型，然后利用分层切片软件进行分层处理，通过激光束逐层熔化粉末来进行激光烧结，以成形工件。在成形工件时，当上方打印层面积大于下方打印层面积时，零件存在悬空部分，通常将悬空部分称为悬垂（overhang)结构。
在实际应用中，待打印零件的形状至少包括有规则零件和不规则零件，无论是规则零件和不规则零件，其都可能存在悬垂结构，若存在悬垂结构，为了实现零件的致密化及内部组织均匀性，则需要考虑零件熔化工艺改变对成形的影响。在本发明实施例中，为了保证悬垂结构处的组织均匀性及致密度，同时避免成形过程中的翘曲变形，在零件悬垂结构的下方添加工艺过渡结构。
在步骤101中，当确定打印待打印零件之前，需要先确认打印材料的悬臂成形极限、打印材料工艺渐变层厚系数、打印层厚度。进一步地，确定待打印零件在高度方向上两个相邻部件中上方部件是否存在悬垂结构。
若待打印零件在高度方向上两个相邻部件中上方部件不存在悬垂结构时，则该待打印零件按照正常打印工艺进行打印即可。若待打印零件在高度方向上两个相邻部件中上方部件存在悬垂结构时，则需要先确认该悬垂结构的悬臂长度。
具体地，当悬臂长度大于该材料的悬臂成形极限时，则需要在该悬垂结构的下方添加工艺过渡结构，即在悬垂结构所在的上方部件与下方部件相交的位置添加工艺过渡结构。
需要说明的是，在实际应用中，每种打印材料对应一种悬臂成形极限，因此，在本发明实施例中，对悬臂长度不做具体限定。
在本发明实施例中，采用最优熔化工艺参数进行上方部件和下方部件的打印。其中，最优熔化工艺参数指使零件致密度达到最大的熔化工艺参数，即致密化工艺参数，其包括扫描电流和扫描速度。
具体地，设置上方部件打印时所对应的最优熔化工艺参数为第一熔化工艺参数，下方部件打印时所对应的最优熔化工艺参数为第二熔化工艺参数。在实际应用中，由于大面积的截面需要较高的能量输入，因此，第二熔化工艺参数包括的第二扫描速度会大于第一熔化工艺参数包括的第一扫描速度，相应地，第二熔化工艺参数包括的第二扫描电流会小于第一熔化工艺参数包括的第一扫描电流。
进一步地，当确定了上方部件打印时所对应的第一熔化工艺参数，下方部件打印时所对应的第二熔化工艺参数之后，则可以确定第一扫描电流和第二扫描电流之间的第一电流差值、第一扫描速度和第二扫描速度之间的第一扫描差值，具体地，通过下列公式依次确定第一电流差值和第一扫描差值：
Figure 355225DEST_PATH_IMAGE020
其中，
Figure 944469DEST_PATH_IMAGE008
表示第一熔化工艺参数内的第一扫描电流，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
表示第二熔化工艺参数内的第二扫描电流，
Figure 927469DEST_PATH_IMAGE022
表示第一熔化工艺参数内的第一扫描速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
表示第二熔化工艺参数内的第二扫描速度，
Figure 758896DEST_PATH_IMAGE024
表示第一扫描差值，
Figure 307689DEST_PATH_IMAGE010
表示第一电流差值。
在步骤102中，根据悬臂长度、打印材料的悬臂成形极限确定位于悬垂结构的台阶数量，具体地，通过下列公式确定位于悬垂结构的台阶数量：
Figure 333414DEST_PATH_IMAGE001
（3）
其中，m示设置在悬垂结构下方的台阶数量，
Figure 600447DEST_PATH_IMAGE002
表示所述悬垂结构的悬臂长度向上取整函数，
Figure 737031DEST_PATH_IMAGE003
表示打印材料的悬臂成形极限，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
表示向上取整。
举例来说，若公式（3）中
Figure 78013DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure 336956DEST_PATH_IMAGE027
，
Figure 527504DEST_PATH_IMAGE028
，可以确定在悬垂结构下方设置的2个台阶；或者若公式（3）中
Figure 264516DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 725584DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 93111DEST_PATH_IMAGE031
，可以确定在悬垂结构下方设置的3个台阶。
进一步地，根据台阶数量、第一熔化工艺参数、第二熔化工艺参数确定台阶工艺改变量，具体地，通过下列公式确定台阶工艺改变量：
Figure 69158DEST_PATH_IMAGE032
其中，
Figure 547544DEST_PATH_IMAGE033
表示每个台阶的扫描电流改变量，
Figure 191014DEST_PATH_IMAGE034
表示每个台阶的扫描速度改变量，
Figure 962399DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 691321DEST_PATH_IMAGE008
表示第一熔化工艺参数内的第一扫描电流，
Figure 707818DEST_PATH_IMAGE021
表示第二熔化工艺参数内的第二扫描电流，
Figure 205796DEST_PATH_IMAGE010
表示第一电流差值，
Figure 649547DEST_PATH_IMAGE011
表示第一扫描差值，
Figure 865764DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 685953DEST_PATH_IMAGE013
表示第一熔化工艺参数内的第一扫描速度，
Figure 38437DEST_PATH_IMAGE014
表示第二熔化工艺参数内的第二扫描速度，m表示设置在悬垂结构下方的台阶数量。
进一步地，根据每个台阶工艺改变量、打印材料工艺渐变层厚系数和打印层厚度确定台阶厚度，具体地，通过下列公式确定台阶厚度：
Figure 417203DEST_PATH_IMAGE015
（6）
其中，H表示台阶厚度，k表示打印材料工艺渐变层厚系数，h表示打印层厚度，
Figure 855138DEST_PATH_IMAGE016
表示每个台阶的扫描电流改变量，
Figure 213438DEST_PATH_IMAGE017
表示每个台阶的扫描速度改变量。
在实际应用中，通过大量试验发现，对于同一种打印材料，若成形后存在悬垂结构，先确定设置在悬垂结构下方的台阶数量、台阶高度和台阶工艺改变量。再者，在悬垂结构下方添加工艺过渡结构之后，即添加一定数量的台阶之后，虽然保证了悬垂结构的成形，还要考虑后期去除时，尽量减少对零件表面的破坏。实际打印过程中发现，当采用块状支撑时，2.5mm的支撑间隔是便于去除的最小支撑间隔，在此基础上可通过试验确定出每种不同打印材料的悬臂成形极限
Figure 623691DEST_PATH_IMAGE035
；通过增加台阶的方式，利用
Figure 409244DEST_PATH_IMAGE035
分解原始悬臂臂长L，可化解长悬臂的成形难题，同时增加的台阶可用于熔化工艺过渡，避免熔化工艺突变加剧翘曲变形的风险；进一步地，对于电子束3D打印，当扫描电流增大0.1mA同时扫描速度减小0.1m/s，熔化效果没有明显变化，可以作为工艺渐变的最小间隔；再者，根据工艺渐变间隔可以计算出每级台阶内部的工艺渐变次数，考虑到不同材料的打印层厚、逐层旋转角度不同，为保证层间的良好结合，每打印k层，可以改变一次工艺，在本发明实施例中，k即为打印材料的工艺渐变层厚系数。
在步骤103中，当确定了位于悬垂结构下方的台阶数量、台阶厚度以及台阶工艺改变量三个参数之后，则可以根据最初确定的第一熔化工艺参数、第二熔化工艺参数以及台阶工艺改变量，开始对待打印零件进行打印。
在本发明实施例中，为了整个零件的组织均匀性及致密度，可以根据待打印零件的结构采用由下至上分段设置熔化工艺参数的方式进行打印。具体地，待打印零件的初始层至悬垂结构的下方，即下方部件的初始层至下方部件的最上层采用第二熔化工艺参数进行打印。
当完成下方部件的打印，进入工艺过渡结构打印时，则需要按照工艺渐变方式进行，具体地，设置在悬垂结构下方的第一个台阶，其可以第二熔化工艺参数为基准开始打印，由于第一个台阶的高度和该材料所对应的打印厚度已经确定，因此，在打印第一个台阶时，将第二熔化工艺参数确定为第一个台阶初始熔化工艺参数；第一次完成k层打印之后，则需要对第一个台阶初始熔化工艺参数进行修改，具体为，第一个台阶初始熔化工艺参数所包括的扫描电流会增大0.1mA，同时第一个台阶初始熔化工艺参数所包括的扫描速度会减小0.1m/s，得到第一个台阶二次熔化工艺参数；进一步地，第二次完成k层打印之后，对第一个台阶二次熔化工艺参数进行修改，具体为，第一个台阶二次熔化工艺参数所包括的扫描电流会增大0.1mA，同时第一个台阶二次熔化工艺参数所包括的扫描速度会减小0.1m/s，得到第一个台阶三次熔化工艺参数；以此类推，直至第一个台阶完成打印。需要说明的是，在本发明实施例中，第一个台阶完成打印之后，得到的第一个台阶最后熔化工艺参数和第二熔化工艺参数之间的差值分别等于
Figure 334475DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure 995001DEST_PATH_IMAGE016
。
需要说明的是，在实际应用中，由于每个台阶的扫描电流的改变量和每个台阶的扫描速度改变量是根据上方部件的第一熔化工艺参数和下方部件的第二熔化工艺参数来确定的。其中，第一扫描电流和第二扫描电流之间的差值与第一扫描速度和第二扫描速度的差值可能相等，也可以不相等。当第一扫描电流和第二扫描电流之间的差值与第一扫描速度和第二扫描速度的差值相等时，可以根据上述提供的“每完成k层打印之后，第一个台阶初始熔化工艺参数所包括的扫描电流会增大0.1mA，同时第一个台阶初始熔化工艺参数所包括的扫描速度会减小0.1m/s”的方式进行打印。
当第一扫描电流和第二扫描电流之间的差值与第一扫描速度和第二扫描速度的差值不相等时，则需要在完成台阶内部打印之后，确保每个台阶的扫描电流的改变量等于
Figure 322077DEST_PATH_IMAGE036
，每个台阶的扫描速度改变量等于
Figure 544111DEST_PATH_IMAGE019
。为了解决上述问题，优选地，若完成多个k层打印之后，确定扫描电流的改变量先达到
Figure 956638DEST_PATH_IMAGE018
时，则后续打印时，则每完成k层打印之后，按照扫描电流保持不变，扫描速度减小0.1m/s的参数渐变方式继续对熔化工艺参数进行修改，直至完成台阶的打印，且确定扫描速度的改变量达到
Figure 656740DEST_PATH_IMAGE019
，或者，若完成多个k层打印之后，确定扫描速度的改变量先达到
Figure 838323DEST_PATH_IMAGE019
时，则后续打印时，则每完成k层打印之后，按照扫描速度保持不变，扫描电流增加0.1mA的参数渐变方式继续对熔化工艺参数进行修改，直至完成台阶的打印，且确定扫描电流的改变量达到
Figure 231258DEST_PATH_IMAGE018
。
举例来说，若上方部件的第一熔化工艺参数分别为：11mA，2.8m/s，下方部件的第二熔化工艺参数分别为：10mA，4m/s，假设添加在上方部件和下方部件之间的台阶数量为2，则每个台阶工艺改变量为：0.5mA，0.6m/s，即
Figure 131081DEST_PATH_IMAGE016
等于0.5mA，
Figure 133410DEST_PATH_IMAGE017
等于0.6m/s。在打印第一个台阶时，5个k层打印后第一个台阶的扫描电流的改变量为0.5mA，但扫描速度的改变量未到0.6m/s，则需要再打印k层，然后此次扫描电流保持不变，但扫描速度可以减小0.1m/s，使得扫描速度的改变量达到0.6m/s。
当第一个台阶完成打印后，开始打印第二个台阶时，此时可以将第一个台阶最后熔化工艺参数确定为第二个台阶初始熔化工艺参数，然后以第二个台阶初始熔化工艺参数为基准开始打印，当第一次完成k层打印之后，则需要对第二个台阶初始熔化工艺参数进行修改，具体为，第二个台阶初始熔化工艺参数所包括的扫描电流会增大0.1mA，同时第二个台阶初始熔化工艺参数所包括的扫描速度会减小0.1m/s，得到第二个台阶二次熔化工艺参数；以此类推，直至第二个台阶完成打印。需要说明的是，在本发明实施例中，第二个台阶完成打印之后，得到的第二个台阶最后熔化工艺参数和第一个台阶最后熔化工艺参数之间的差值分别等于
Figure 169499DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure 733336DEST_PATH_IMAGE016
。
需要说明的是，在实际应用中，由于每个台阶的扫描电流的改变量和每个台阶的扫描速度改变量是根据上方部件的第一熔化工艺参数和下方部件的第二熔化工艺参数来确定的。其中，第一扫描电流和第二扫描电流之间的差值与第一扫描速度和第二扫描速度的差值可能相等，也可以不相等。当第一扫描电流和第二扫描电流之间的差值与第一扫描速度和第二扫描速度的差值相等时，可以根据上述提供的“每完成k层打印之后，第二个台阶初始熔化工艺参数所包括的扫描电流会增大0.1mA，同时第二个台阶初始熔化工艺参数所包括的扫描速度会减小0.1m/s”的方式进行操作。
当第一扫描电流和第二扫描电流之间的差值与第一扫描速度和第二扫描速度的差值不相等时，则需要在完成台阶内部打印之后，确定每个台阶的扫描电流的改变量等于
Figure 120455DEST_PATH_IMAGE036
，每个台阶的扫描速度改变量等于
Figure 162360DEST_PATH_IMAGE019
。为了解决上述问题，优选地，若完成多个k层打印之后，确定扫描电流的改变量先达到
Figure 318535DEST_PATH_IMAGE018
时，则后续打印时，则每完成k层打印之后，按照扫描电流保持不变，扫描速度减小
Figure 53273DEST_PATH_IMAGE038
的参数渐变方式继续对熔化工艺参数进行修改，直至完成台阶的打印，且确定扫描速度的改变量达到
Figure 662108DEST_PATH_IMAGE019
；或者，若完成多个k层打印之后，确定扫描速度的改变量先达到
Figure 271819DEST_PATH_IMAGE019
时，则后续打印时，则每完成k层打印之后，按照扫描速度保持不变，扫描电流增加0.1mA的参数渐变方式继续对熔化工艺参数进行修改，直至完成台阶的打印，且确定扫描电流的改变量达到
Figure 220184DEST_PATH_IMAGE018
。
按照上述打印方式，当悬垂结构下方的第N个台阶完成打印时，得到第N个台阶最后熔化工艺参数，其中，N大于1且小于等于设置在悬垂结构下方的台阶数量。在本发明实施例中，当最后一个台阶完成打印时，得到的第N个台阶最后熔化工艺参数正好等于第一熔化工艺参数。上方部件的初始层至上方部件的最上层采用第一熔化工艺参数进行打印，直至待打印零件完成打印。
需要说明的是，在打印多个台阶的过程中，为了避免添加台阶之后的短悬臂会存在翘边的问题，优选地，还可以在台阶下表面即短悬臂的下方添加支撑结构。在本发明实施例中，对台阶下方添加的支撑结构的具体形状和方式均不作具体限定。
进一步地，当待打印零件完成打印之后，则需要将添加在上方部件和下方部件之间的工艺过渡结构即多个台阶去除；同时，若在台阶下方添加支撑结构，则在去除工艺过渡结构的同时，也将支撑结构同时去除。在本发明实施例中，对工艺过渡结构的具体去除方法不做限定。
图2为本发明实施例一提供的“T”型零件模型结构示意图；图3为本发明实施例一提供的“T”型零件模型正视结构示意图；图4为本发明实施例一提供的添加工艺过渡结构后的“T”型零件结构示意图；图5为本发明实施例一提供的添加工艺过渡结构后的“T”型零件正视结构示意图。为了更清楚的介绍本发明实施例提供的具有悬垂结构零件的3D打印方法，以下结合图2至图5为例，详细介绍如何悬垂结构下方添加工艺过渡结构。
在开始打印该待打印零件之前，先确定打印层厚度为
Figure 188140DEST_PATH_IMAGE039
，该待打印零件的悬垂结构的悬垂长度
Figure 221955DEST_PATH_IMAGE040
；待打印零件所采用的打印材料的悬臂成形极限
Figure 667979DEST_PATH_IMAGE041
，打印材料的工艺渐变层厚系数
Figure 736430DEST_PATH_IMAGE042
。
在步骤201中，从待打印零件的悬垂结构处将零件分为上方部件1-1和下方部件1-2两段，分别确定上方部件1-1的第一熔化工艺参数为
Figure 875287DEST_PATH_IMAGE043
，
Figure 894933DEST_PATH_IMAGE044
，下方部件1-2的第二熔化工艺参数为
Figure 144649DEST_PATH_IMAGE045
，
Figure 67606DEST_PATH_IMAGE046
。
进一步地，通过公式（1）和（2）分别确定第一电流差值和第一扫描差值。其中，第一电流差值为
Figure 377364DEST_PATH_IMAGE047
，第一扫描差值为
Figure 385772DEST_PATH_IMAGE048
。
在步骤202中，根据悬臂长度、打印材料的悬臂成形极限确定位于悬垂结构的台阶数量，具体为：
Figure 439178DEST_PATH_IMAGE049
可以确定悬垂结构下方设置2个台阶，即增加2个类似的水平悬垂结构，增加的台阶使得原始悬臂等分为3个长度为15的悬臂。
进一步地，根据台阶数量、第一熔化工艺参数、第二熔化工艺参数确定台阶工艺改变量，具体为：
Figure 216641DEST_PATH_IMAGE050
进一步地，根据每个台阶工艺改变量、打印材料工艺渐变层厚系数和打印层厚度确定台阶厚度，具体为：
Figure 697301DEST_PATH_IMAGE051
步骤203中，根据待打印零件的结构采用由下至上分段设置熔化工艺参数的方式进行打印。
第一步：待打印零件的初始层至悬垂结构的下方，采用第二熔化工艺参数
Figure 425961DEST_PATH_IMAGE052
进行打印。
第二步：工艺过渡结构1-3打印时，则需要按照工艺渐变方式进行，具体地，设置在悬垂结构下方的第一个台阶，其可以按照第二熔化工艺参数
Figure 220741DEST_PATH_IMAGE053
为基准开始打印，当第一次完成4层打印之后，则需要对第二熔化工艺参数进行修改，即第二熔化工艺参数所包括的扫描电流会增大0.1mA，同时第二熔化工艺参数所包括的扫描速度会减小0.1m/s，以此类推，直至第一个台阶完成打印。进一步确定，第一个台阶完成打印后得到的第一个台阶最后熔化工艺参数和第二熔化工艺参数之间的差值等于一个台阶工艺改变量，即
Figure 915028DEST_PATH_IMAGE054
。
当第一个台阶完成打印之后，开始打印第二个台阶，此时可以将第一个台阶最后熔化工艺参数确定为第二个台阶初始熔化工艺参数，然后以第二个台阶初始熔化工艺参数为基准开始打印，当第一次完成4层打印之后，则需要对第二个台阶初始熔化工艺参数进行修改，具体为，第二个台阶初始熔化工艺参数所包括的扫描电流会增大0.1mA，同时第二个台阶初始熔化工艺参数所包括的扫描速度会减小0.1m/s，得到第二个台阶二次熔化工艺参数；以此类推，直第二个台阶完成打印。进一步确定，第二个台阶完成打印后得到的第二个台阶最后熔化工艺参数和第一个台阶最后熔化工艺参数之间的差值等于一个台阶工艺改变量，即
Figure 504272DEST_PATH_IMAGE054
。
需要说明的是，在该实施例中，在打印2个台阶的过程中，为了避免添加台阶之后的短悬臂会存在翘边的问题，优选地，还可以在台阶下表面即短悬臂的下方添加支撑结构。在本发明实施例中，台阶下方添加的支撑结构的具体形状和方式均不作具体限定。
在该实施例中，由于悬垂结构下方设置的台阶的数量包括2个，因此，当第二个台阶完成打印之后，确定设置在悬垂结构下方的台阶完成打印。此时，第二个台阶最后熔化工艺参数等于第一熔化工艺参数
Figure 549589DEST_PATH_IMAGE055
，
Figure 882481DEST_PATH_IMAGE056
。
需要说明的是，在本发明实施例中，打印材料为Ti600粉末，且形状为球形，其球形度>90%，质量纯度不小于99.9%，粉末粒径为45~150微米，流动性≤28s/50g。
具体地，打印工艺的其它工艺参数包括：模型切层厚度0.03~0.1mm；路径规划使用表层缩进距离为0.02~0.1mm，使用零件内部hacth填充，hatch路径间距为0.05~0.15mm，hatch填充逐层旋转角度为45~90º；成形底板材质为不锈钢或钼底板，底板电子束扫描预热过程电子束扫描电流为5mA~30mA，扫描速度为12-25m/s，预热温度760~800℃，预热过程控制在40min-60min；铺粉后粉床预热工艺为预热电流为30~38mA，扫描速度为10~20m/s，预热时间5~20s，电子束扫描线间距为0.8mm~1.5mm；熔化时电子束扫描间距0.05mm~0.1mm。
第三步：上方部件1-1的初始层至上方部件1-1的最上层采用第一熔化工艺参数
Figure 431274DEST_PATH_IMAGE057
，
Figure 955534DEST_PATH_IMAGE058
进行打印，直至待打印零件完成打印。
步骤204，当待打印零件完成打印之后，则需要将添加在上方部件1-1和下方部件1-2之间的工艺过渡结构1-3即多个台阶去除，同时，若在台阶下方添加支撑结构，则在去除工艺过渡结构1-3的同时，也将支撑结构同时去除。
综上所述，本发明实施例提供一种具有悬垂结构零件的3D打印方法，该方法包括当确定待打印零件在高度方向两个相邻部件中上方部件存在悬垂结构时，确定所述悬垂结构的悬臂长度、所述上方部件的第一熔化工艺参数、下方部件的第二熔化工艺参数，其中，所述下方部件位于所述悬垂结构的下方，且所述下方部件的上表面与所述悬垂结构的下表面相接触；根据所述悬垂结构的悬臂长度、打印材料的悬臂成形极限、第一熔化工艺参数、第二熔化工艺参数、打印材料工艺渐变层厚系数和打印层厚度确定位于悬垂结构下方的台阶数量、台阶厚度以及台阶工艺改变量；依次采用第二熔化工艺参数、台阶工艺改变量和第一熔化工艺参数从下至上打印所述待打印零件。该方法根据零件包括的悬垂结构，将零件分为上方部件和下方部件，且分别设置不同部件的熔化工艺参数，根据不同的熔化工艺参数、悬垂结构的悬臂长度、打印材料的参数等确定悬垂结构下方设置的工艺过渡结构的各个参数，通过打印台阶实现工艺分级过渡以及台阶内部工艺渐变方式，打印出带有水平悬垂结构的全致密零件，保证零件的力学性能；再者，通过将原始悬臂分解的方式，避免了长悬臂成形过程中的翘曲变形。该方法解决了现有具有悬垂结构零件采用添加支撑的方式实现悬垂结构的成形，大尺寸悬垂结构存在内部组织性能不均匀的问题。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种具有悬垂结构零件的3D打印方法，其特征在于，包括：
当确定待打印零件在高度方向两个相邻部件中上方部件存在悬垂结构时，确定所述悬垂结构的悬臂长度、所述上方部件的第一熔化工艺参数、下方部件的第二熔化工艺参数，其中，所述下方部件位于所述悬垂结构的下方，且所述下方部件的上表面与所述悬垂结构的下表面相接触；
根据所述悬垂结构的悬臂长度、打印材料的悬臂成形极限、第一熔化工艺参数、第二熔化工艺参数、打印材料工艺渐变层厚系数和打印层厚度确定位于悬垂结构下方的台阶数量、台阶厚度以及台阶工艺改变量；
依次采用第二熔化工艺参数、台阶工艺改变量和第一熔化工艺参数从下至上打印所述待打印零件。
2.如权利要求1所述的具有悬垂结构零件的3D打印方法，其特征在于，所述根据所述悬垂结构的悬臂长度、打印材料的悬臂成形极限、第一熔化工艺参数、第二熔化工艺参数、打印材料工艺渐变层厚系数和打印层厚度确定位于悬垂结构下方的台阶数量、台阶厚度以及台阶工艺改变量，具体包括：
根据所述悬臂长度和打印材料的悬臂成形极限确定位于所述悬垂结构下的台阶数量；
根据所述台阶数量、第一熔化工艺参数和第二熔化工艺参数确定所述台阶工艺改变量；
根据每个所述台阶工艺改变量、打印材料工艺渐变层厚系数和打印层厚度确定台阶厚度。
3.如权利要求2所述的具有悬垂结构零件的3D打印方法，其特征在于，通过下列公式确定位于悬垂结构下方的台阶数量：
Figure 483297DEST_PATH_IMAGE001
其中，m示设置在悬垂结构下方的台阶数量，
Figure 835781DEST_PATH_IMAGE002
表示所述悬垂结构的悬臂长度向上取整函数，
Figure 716012DEST_PATH_IMAGE003
表示打印材料的悬臂成形极限。
4.如权利要求2所述的具有悬垂结构零件的3D打印方法，其特征在于，通过下列公式确定台阶工艺改变量：
Figure 153947DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 512247DEST_PATH_IMAGE005
表示每个台阶的扫描电流改变量，
Figure 984816DEST_PATH_IMAGE006
表示每个台阶的扫描速度改变量，
Figure 98266DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 459715DEST_PATH_IMAGE008
表示第一熔化工艺参数内的第一扫描电流，
Figure 684023DEST_PATH_IMAGE009
表示第二熔化工艺参数内的第二扫描电流，
Figure 683203DEST_PATH_IMAGE010
表示第一电流差值，
Figure 967554DEST_PATH_IMAGE011
表示第一扫描差值，
Figure 317764DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 345762DEST_PATH_IMAGE013
表示第一熔化工艺参数内的第一扫描速度，
Figure 465028DEST_PATH_IMAGE014
表示第二熔化工艺参数内的第二扫描速度，m表示设置在悬垂结构下方的台阶数量。
5.如权利要求2所述的具有悬垂结构零件的3D打印方法，其特征在于，通过下列公式确定台阶厚度：
Figure 654701DEST_PATH_IMAGE015
其中，H表示台阶厚度，k表示打印材料工艺渐变层厚系数，h表示打印层厚度，
Figure 990742DEST_PATH_IMAGE016
表示每个台阶的扫描电流改变量，
Figure 494536DEST_PATH_IMAGE017
表示每个台阶的扫描速度改变量。
6.如权利要求1所述的具有悬垂结构零件的3D打印方法，其特征在于，所述依次采用第二熔化工艺参数、台阶工艺改变量和第一熔化工艺参数从下至上打印所述待打印零件，具体包括：
所述待打印零件包括的下方部件采用第二熔化工艺参数进行打印；
当开始打印位于悬垂结构下方的第一个台阶时，以所述第二熔化工艺参数为基准开始打印，且每个台阶内部打印时按照设定方式对所述第二熔化工艺参数进行修改，完成第一个台阶打印后，得到第一个台阶最后熔化工艺参数；
当开始打印位于悬垂结构下方的第N个台阶时，以第N-1个台阶最后熔化工艺参数为第N个台阶初始熔化工艺参数开始打印，且每个台阶内部打印时按照设定方式对所述第N个台阶初始熔化工艺参数进行修改，完成第N个台阶后，得到第N个台阶最后熔化工艺参数；其中，N大于1且小于等于设置在悬垂结构下方的台阶数量；
当所述第N个台阶最后熔化工艺参数等于第一熔化工艺参数时，完成悬垂结构下方台阶的打印；
所述待打印零件包括的上方部件采用第一熔化工艺参数进行打印。
7.如权利要求6所述的具有悬垂结构零件的3D打印方法，其特征在于，所述每个台阶内部打印时按照设定方式对所述第二熔化工艺参数进行修改，具体包括：
每个台阶内部完成k层打印时，按照扫描电流增大0.1mA同时扫描速度减小0.1m/s的参数渐变方式对所述第二熔化工艺参数进行修改，若扫描电流的增大量先达到
Figure 733887DEST_PATH_IMAGE016
时，每完成k层打印，按照扫描电流不变扫描速度减小0.1m/s的参数渐变方式对所述第二熔化工艺参数进行修改；或者若扫描速度的减少量先达到
Figure 94462DEST_PATH_IMAGE017
时，每完成k层打印，按照扫描速度不变扫描电流增大0.1mA的参数渐变方式对所述第二熔化工艺参数进行修改；
其中，
Figure 419264DEST_PATH_IMAGE016
表示每个台阶的扫描电流改变量，
Figure 789065DEST_PATH_IMAGE017
表示每个台阶的扫描速度改变量，k层表示打印材料工艺渐变层厚系数。
8.如权利要求6所述的具有悬垂结构零件的3D打印方法，其特征在于，所述每个台阶内部打印时按照设定方式对所述第N个台阶初始熔化工艺参数进行修改，具体包括：
每个台阶内部完成k层打印时，按照扫描电流增大0.1mA同时扫描速度减小0.1m/s的参数渐变方式对所述第N个台阶初始熔化工艺参数进行修改；若扫描电流的增大量先达到
Figure 679661DEST_PATH_IMAGE018
时，每完成k层打印，按照扫描电流不变扫描速度减小0.1m/s的参数渐变方式对所述第N个台阶初始熔化工艺参数进行修改；或者若扫描速度的减少量先达到
Figure 912934DEST_PATH_IMAGE017
时，每完成k层打印，按照扫描速度不变扫描电流增大0.1mA的参数渐变方式对所述第N个台阶初始熔化工艺参数进行修改；
其中，
Figure 521770DEST_PATH_IMAGE016
表示每个台阶的扫描电流改变量，
Figure 632945DEST_PATH_IMAGE017
表示每个台阶的扫描速度改变量，k层表示打印材料工艺渐变层厚系数。
9.如权利要求1所述的具有悬垂结构零件的3D打印方法，其特征在于，所述依次采用第二熔化工艺参数、台阶工艺改变量和第一熔化工艺参数从下至上打印所述待打印零件之后，还包括：
将位于上方部件和下方部件之间的台阶去除。
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Patentee after: Xi'an Sailong Additive Technology Co.,Ltd.

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