CN113561492A - 一种3d打印件支撑件以及其添加方法和打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种3D打印件的支撑件，所述支撑件的至少一端与所述打印件连接；所述支撑件，包括主体部以及与打印件连接的连接部，所述打印件表面开设有凹陷，所述支撑件的连接部与该凹陷中心连接。本发明所要解决的技术问题是，通过在打印件的三维模型表面开设凹陷，支撑件用于与打印件连接的的连接部设置在凹陷中，那么在3D打印过程中，支撑件与打印件连接处的多余固化能够将凹陷部分填充，在3D打印完成后，支撑件与打印件能够直接分离，且分离后打印件与支撑件的连接处一般不会有多余的残料或是破损的情况，能够省略对打印件的打磨后处理步骤，从而实现免打磨的3D打印方式。

Description

一种3D打印件支撑件以及其添加方法和打印方法
技术领域
本发明涉及技术领域涉及3D打印，特别涉及一种免去后处理中对打印件打磨的3D打印支撑件以及其添加方法和打印方法。
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。
光固化3D打印是3D打印的一种类型，将光敏树脂通过光辐射固化逐层固化，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。
由于在对三维模型进行分层时，每一层的切片均具有一定的厚度，所述涉及支撑件与打印件的连接处的切片层中，其轮廓信息中存在支撑件与打印件所形成的“角”，由于每层切片的厚度很小(约0.05-0.2mm)，而且光辐射照射到光敏树脂时发生一定的折射，所以在3D打印过程中光敏树脂在针对支撑件与打印件连接处的折角轮廓会出现“多余固化”的情况，如图1所示，支撑件10与打印件20的连接处会具有多余固化30的部分形成凸起。打印完成后，去除支撑件10还需要对打印件20表面进行打磨，磨掉多余固化30形成的凸起。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，通过在打印件的三维模型表面开设凹陷，支撑件用于与打印件连接的的连接部设置在凹陷中，那么在3D打印过程中，支撑件与打印件连接处的多余固化能够将凹陷部分填充，在3D打印完成后，支撑件与打印件能够直接分离，且分离后打印件与支撑件的连接处一般不会有多余的残料或是破损的情况，能够省略对打印件的打磨后处理步骤，从而实现免打磨的3D打印方式。
本发明披露了一种3D打印件的支撑件，所述支撑件的至少一端与所述打印件连接；所述支撑件，包括主体部以及与打印件连接的连接部，所述打印件表面开设有凹陷，所述支撑件的连接部与该凹陷中心连接。
进一步地，所述打印件表面的一个凹陷连接一个连接部。
进一步地，所述凹陷的中心为该凹陷的最深点。
进一步地，所述支撑件的连接部的轴向方向与其所连接凹陷底部的切面相互垂直。
进一步地，所述凹陷为半球体、半椭圆体、圆锥体、圆台等对称结构。
进一步地，所述在凹陷与打印件表面连接的边缘开设倒角。
进一步地，所述倒角角度为45°。
进一步地，所述倒角为圆弧倒角。
进一步地，所述凹陷为半球体，所述圆弧倒角的圆弧半径小于或等于半球体的半径。
进一步地，所述主体部和连接部连接部分的横截面积大于连接部与打印件连接部分的横截面积。
进一步地，所述凹陷的体积以及深度可变化，变化规律为支撑件连接部与打印件连接部分的横截面积越大时，所述凹陷体积以及深度随之增大。
进一步地，所述支撑件连接部为圆台结构，所述圆台结构面积较小的底面与打印件连接，面积较大的底面与所述支撑件主体部连接。
另外，在3D打印之前，上述支撑件与打印件的结构以及二者的连接方式在计算机软件上的构建方式，即一种3D打印件的支撑件的添加方法，具体包括：
首先获取打印件的三维模型；
然后确定在三维模型上添加支撑件的连接点，以该连接点为中心，在三维模型的表面开设凹陷；
最后构建支撑件，所述支撑件包括主体部以及与所述打印件连接的连接部，将支撑件的连接部与三维模型表面凹陷的中心连接。
以及，上述打印件的三维模型的3D打印方法，具体包括：
准备3D打印原料；
对处理后的所述打印件三维模型进行3D打印。
进一步地，所述凹陷的体积以及深度可变化，变化规律为打印原料的粘度越大，所述凹陷体积以及深度随之增大。
进一步地，所述打印件三维模型3D打印完成后，将支撑件与打印件分离，支撑件与打印件连接处表面趋于平滑。
附图说明
图1是本发明背景技术中现有技术中打印件与支撑件的结构示意图；
图2是本发明中打印件与支撑件结构示意图；
图3是本发明中打印件表面凹陷的结构示意图；
图4是本发明中打印件与支撑件分别在三维模型和3D打印后的连接示意图。
其中：10、支撑件；11、主体部；12、连接部；20、打印件；21、凹陷；22倒角；30、多余固化。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对发明作进一步详细地说明。
要理解的是，当一个元件被提到在另一元件“上”、“附着到”另一元件上、“连接到”另一元件上、与另一元件“结合”、“接触”另一元件等时，其可以直接在另一元件上、附着到另一元件上、连接到另一元件上、与另一元件结合和/或接触另一元件或也可存在中间元件。相反，当一个元件被提到“直接在另一元件上”、“直接附着到”另一元件上、“直接连接到”另一元件上、与另一元件“直接结合”或“直接接触”另一元件时，不存在中间元件。本领域技术人员还会理解，提到与另一构件“相邻”布置的一个结构或构件可具有叠加在该相邻构件上或位于该相邻构件下的部分。
空间相关术语，如“下方”、“低于”、“下部”、“上方”、“上部”等在本文中可为易于描述而使用以描述如附图中所示的元件或构件与另外的一个或多个元件或构件的关系。要理解的是，空间相关术语除附图中描绘的取向外还意在包括器件在使用或运行中的不同取向。例如，如果倒转附图中的器件，被描述为在其它元件或构件“下方”或“下面”的元件则将取向在其它元件或构件“上方”。因此，示例性术语“下方”可包括上方和下方的取向两者。器件可以以其它方式取向(旋转90度或其它取向)并相应地解释本文所用的空间相关描述词。类似地，除非明确地另行指示，术语“向上”、“向下”、“垂直”、“水平”等在本文中仅用于解释说明。
本申请实施例主要涉及一种3D打印支撑件，该支撑件可以适用于打印3D打印件的多种场景。例如，该支撑件可以应用到光固化成型、熔融沉积快速成型及三维粉末粘接成型等3D打印的技术中。在一些实施例中，该支撑件可以是3D打印设计过程中的支撑件，也可以是打印过程中的支撑件，还可以是打印完成后的支撑件。本申请还涉及在打印时采用了3D打印支撑件的打印件，该打印件可以是应用在医用、工业、生活及艺术等各个方面的镂空打印件品。本申请还涉及一种打印件的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等软件上采用该支撑件构建方法来实现打印件的支撑件的构建，并通过各种3D打印设备来完成打印。本申请对于该打印件的支撑件、打印件、打印件的支撑件构建方法及3D打印方法的应用场景均不作限制。
本发明所披露的一种3D打印支撑件10，如图1-4所示，包括主体部11以及与打印件20连接的连接部12，所述打印件20表面开设有凹陷21，所述支撑件10的连接部12与该凹陷21中心连接。在本申请的实施例中，打印件20表面开设的凹陷21并非是原打印件20的表面轮廓，而是为了配合支撑件10在原打印件20的表面开设新的凹陷21，在完成3D打印后该凹陷21将会被固化过程中发生的多余固化30所填充。需要说明的是，支撑件10的连接部12与打印件20连接，即支撑件10的至少一端与打印件20连接，可以是支撑件10的一端与3D打印设备中的成型台(在打印过程中用于支撑打印件20)连接，而其另一端与打印件20连接；也可以是支撑件10的两端均与打印件20连接。
关于发明中凹陷21的结构：
在一些实施例中，所述打印件20表面的一个凹陷21连接一个连接部12，即每一个支撑件10均与各自对应的凹陷21相连，如图2所示，相邻支撑件10的主体部11分相互连接，呈网状，其连接部12独立伸出相互连接的网状结构中，并与打印件20相连。
在一些实施例中，所述凹陷21的中心为该凹陷21的最深点，即支撑件10的连接部12延伸至凹陷21的最深点与打印件20相连接。在一些实施例中，所述支撑件10的连接部12的轴向方向与其所连接凹陷21底部的切面相互垂直。在一些实施例中，所述凹陷21为半球体、半椭圆体、圆锥体、圆台等对称结构。这样的设计均是为了在3D打印过程中，发生多余固化30时，凹陷21能够被填充的更均匀，以实现打印完成，打印件20与支撑件10分离后，打印件20表面趋近于平滑，免除需要对打印件20进行打磨的后处理工艺的目的。
在一些实施例中，所述凹陷21的深度在0.1-0.5mm之间，若凹陷21设置在较宽的打印件20表面(打印件20表面的宽度大于凹陷的直径)，凹陷21是一个完整的半球体、半椭圆体、圆锥体、圆台等对称结构，其在打印件20表面上的开口面积0.03-0.8mm2之间。
在一些实施例中，若凹陷21设置在较窄的打印件20表面(打印件20表面的宽度小于凹陷的直径)，则在打印件20的三维模型表面设置预设的凹陷21，将凹陷21的中心与预设区域的中心重合，这样即使凹陷21在打印件20上并不完整，但是尽可能保证凹陷21在打印件20上是一个对称的结构，有利于在3D打印过程中，发生多余固化30时，凹陷21能够被填充的更均匀。
由于普通的边缘设计会导致凹陷21与打印件20表面的过渡处(即凹陷21的边缘)存在棱角，导致多余固化30的填充会有额外凸起，造成支撑件10分离后仍然不够平滑，故在一些实施例中，如图3所示，在凹陷21的边缘开设倒角22，倒角22的设计是为了在边缘处的局部多余固化30解决边缘的优化。故优选的，在凹陷21开设圆弧倒角，令凹陷21边缘与打印件20表面过渡得更加平缓。改设计令支撑件10与打印件20分离之后，由多余固化造成的打印件凹陷21的填充更加平滑。
关于凹陷21结构的优方案，具体为：
如图3所示，凹陷21为半球体，在凹陷21的边缘开设弧度为45°的圆弧倒角，所述凹陷21为半球体，所述圆弧倒角的圆弧半径与半球体的半径相等。(这里需说明，圆弧倒角的圆弧半径以及凹陷21半径的大小均可以根据实际打印需求调节，优选的方案为圆弧倒角的圆弧半径小于或等于半球体的半径。)所述凹陷21的体积以及深度可变化，变化规律为支撑件10连接部12与打印件20连接部分的横截面积越大时，所述凹陷21体积以及深度随之增大。
关于本发明中支撑件10的结构：
根据实际的打印需求，支撑件10的结构将根据打印物结构的变化发生调整。在一些实施例中，支撑件10的具体结构构建可以通过软件算法(例如Grasshopper)来自动完成，也可以结合人工进行设计和调节。在一些实施例中，支撑件10可以包括柱状支撑件、片状支撑件、网状支撑件等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，当支撑件10包括片状支撑件时，片状支撑件可以包括一个平面或多个彼此不平行的平面，也可以包括一个或多个弧面。片状支撑件的厚度可以选择为0.1-10mm。
在一些实施例中，连接部12的横截面积可以与主体部11相等。在一些实施例中，连接部12与打印件20连接的一端的横截面积小于主体部11的横截面积。具体的，连接部12连接在主体部11与打印件20之间，主体部11用于对打印件20起到支撑的作用，主体部11不与打印件20相连，而连接部12将主体部11与打印件20连接起来，并通过上述横截面积的变化来保证支撑件10在打印结束后便于从打印件20上去除。当主体部11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12与打印件20连接的一端的横截面积小于主体部11的横截面积。例如，当支撑件10包括柱状支撑件时，主体部11可以包括一个或多个支撑柱，连接部12可以包括分别连接在一个或多个支撑柱与打印件20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，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20相连，而其横截面积较大的一端与支撑柱相连。当支撑件10包括网状支撑件时，主体部11可以包括构成网状的多个支柱，而连接部12可以包括连接在支柱与打印件20之间的连接柱。如图2所示，主体部11为圆柱体，多条圆柱体互相连接，互相支撑，具体的，圆柱体的直径可以设置为0.1～50mm(如0.1mm、0.5mm、1mm、5mm、10mm等)。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20相连，而其横截面积较大的一端与支柱相连。当支撑件10包括片状支撑时，主体部11可以包括支撑片，支撑片的厚度可以选择为0.1-10mm，而连接部12可以包括连接在支撑片与打印件20之间的锯齿状结构或多个间隔设置的连接柱。锯齿状的连接部12的横截面积较小的一端与打印件20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，片状支撑件与打印件20连接的连接部12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20相连，而其横截面积较大的一端与支撑片连接。
关于本发明中凹陷21与支撑件10结构之间的关系：
由于，根据实际的打印需求，支撑件10的结构将根据打印物结构的变化发生调整，而凹陷21的结构也将跟随支撑件10结构的变化而发生一定的调整。在一些实施例中，支撑件10的具体结构构建可以通过软件算法(例如Grasshopper)来自动完成，也可以结合人工进行设计和调节。具体的，所述凹陷21的体积以及深度可根据支撑件10结构的变化发生调整，为了确保在3D打印过程中多余固化30的均匀，调整的规律为支撑件10连接部12与打印件20接触的面积越大时，所述凹陷21体积以及深度随之增大。
关于本发明中支撑件10与打印件20的添加以及打印方法：
在实际操作过程中在3D打印之前，所述支撑件10与打印件20的结构以及二者的连接方式在计算机软件(Rhino、Solidworks、Catia或UG等软件)来实现上的构建方式，具体包括包括：
首先获取打印件20的三维模型；
然后确定在三维模型上添加支撑件10的连接点，以该连接点为中心，在三维模型的表面开设凹陷21；
最后构建支撑件10，所述支撑件10包括主体部11以及与所述打印件20连接的连接部12，将支撑件10的连接部12与三维模型表面凹陷21的中心连接。
这里需要说明的是，上述的计算机软件算法逻辑顺序是目前采用在打印件20三维模型上添加支撑件10的优选顺序，如对该顺序进行调换均应包含在本申请的保护范围之内。
3D打印方法，具体包括：
准备3D打印原料；
对处理后的所述打印件20三维模型进行3D打印；
在打印件20三维模型3D打印完成后，将支撑件10与打印件20分离，支撑件10与打印件20连接处表面趋于平滑。
由于不同配方的3D打印原料，其性能不同，其中原料粘度是打印过程至关重要的一个因素，原料的粘度将影响其折射率以及流动速率。在一些实施例中，所述打印原料的粘度越大，所述凹陷21体积以及深度随之增大。
本申请所披露的3D打印件20的支撑件10构建方法可能带来的有益效果包括但不限于：(1)所构建的支撑件10在与打印件20分离后，支撑件10的残留材料不会留在打印件20的外表面上，从而不会影响打印件20的外观和使用功能；(2)所构建的支撑件10在打印完成后易于与打印件20分离；(3)所构建的支撑件10在与打印件20分离后，打印件20表面趋于平滑，无需进行打磨等后处理，提高了生产效率。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。
这里需要说明的的是，支撑件10本质是用于在3D打印过程中对打印件20起到支撑作用，在打印完成后需要进行去除，支撑件10本身并不是所需打印件20的一部分。所以在满足支撑功能的情况下，支撑件10应该尽可能的容易被去除。本发明所披露的技术方案中，在3D打印前在打印件20的三维模型上开设凹陷21，支撑件10连接在凹陷21中央，通过3D打印中的多余固化30将该凹陷21填充，实现打印完成后，支撑件10与打印件20连接处无“凸起”的效果，那么更加有益支撑件10与打印件20的分离，且能够一定程度的保证二者是无残料分离。本发明所披露的技术方案适用于所有结构的打印件20以及支撑件10。
以上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 (16)

1.一种3D打印件的支撑件，其特征在于，所述支撑件的至少一端与所述打印件连接；所述支撑件，包括主体部以及与打印件连接的连接部，所述打印件表面开设有凹陷，所述支撑件的连接部与该凹陷中心连接。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印件的支撑件，其特征在于，所述打印件表面的一个凹陷连接一个连接部。
3.根据权利要求1所述的一种3D打印件的支撑件，其特征在于，所述凹陷的中心为该凹陷的最深点。
4.根据权利要求1所述的一种3D打印件的支撑件，其特征在于，所述支撑件的连接部的轴向方向与其所连接凹陷底部的切面相互垂直。
5.根据权利要求1所述的一种3D打印件的支撑件，其特征在于，所述凹陷为半球体、半椭圆体、圆锥体、圆台等对称结构。
6.根据权利要求1所述的一种3D打印件的支撑件，其特征在于，所述在凹陷与打印件表面连接的边缘开设倒角。
7.根据权利要求6所述的一种3D打印件的支撑件，其特征在于，所述倒角角度为45°。
8.根据权利要求所述的一种3D打印件的支撑件，其特征在于，所述倒角为圆弧倒角。
9.根据权利要求8所述的一种3D打印件的支撑件，其特征在于，所述凹陷为半球体，所述圆弧倒角的圆弧半径小于或等于半球体的半径。
10.根据权利要求1所述的一种3D打印件的支撑件，其特征在于，所述主体部和连接部连接部分的横截面积大于连接部与打印件连接部分的横截面积。
11.根据权利要求1所述的一种3D打印件的支撑件，其特征在于，所述凹陷的体积以及深度可变化，变化规律为支撑件连接部与打印件连接部分的横截面积越大时，所述凹陷体积以及深度随之增大。
12.根据权利要求1所述的一种3D打印件的支撑件，其特征在于，所述支撑件连接部为圆台结构，所述圆台结构面积较小的底面与打印件连接，面积较大的底面与所述支撑件主体部连接。
13.一种3D打印件的支撑件的添加方法，其特征在于，包括：
利用如权利要求1～12中任一项所述的一种3D打印件支撑件中支撑件与打印件的结构以及二者的连接方式；
首先获取打印件的三维模型；
然后确定在三维模型上添加支撑件的连接点，以该连接点为中心，在三维模型的表面开设凹陷；
最后构建支撑件，所述支撑件包括主体部以及与所述打印件连接的连接部，将支撑件的连接部与三维模型表面凹陷的中心连接。
14.一种3D打印方法，其特征在于，包括：
利用如权利要求13中任一项所述的3D打印件支撑件的添加方法对打印件三维模型进行处理；准备3D打印原料；
对处理后的所述打印件三维模型进行3D打印。
15.根据权利要求14所述的一种3D打印方法，其特征在于，所述凹陷的体积以及深度可变化，变化规律为3D打印原料的粘度越大，所述凹陷体积以及深度随之增大。
16.根据权利要求14所述的一种3D打印方法，其特征在于，所述打印件三维模型3D打印完成后，将支撑件与打印件分离，支撑件与打印件连接处表面趋于平滑。
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