CN113664221B - 应用金属增材制造的三周期极小曲面支撑结构及其制作方法 - Google Patents

应用金属增材制造的三周期极小曲面支撑结构及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明的应用金属增材制造的三周期极小曲面支撑结构及其制作方法，通过三周期极小曲面结构的支撑结构只需要使用较少的金属粉量及打印质量就可获得相对较高强度和较好的抗冲击性能，相较于传统的面片型支撑结构，三周期极小曲面结构可用更少的支撑体积就能达到相同的强度。同时，由于三期极小曲面结构是完全开放的曲面结构，打印过程中粉末不会被封闭起来而导致难以回收，从而提高粉末利用率，节省粉末。

Description

应用金属增材制造的三周期极小曲面支撑结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及激光粉末床金属增材制造技术，特别是涉及一种应用金属增材制造的三周期极小曲面支撑结构及其制作方法。
背景技术
激光粉末床金属增材制造技术(金属3D打印)是以高能激光作为热源，通过熔化粉材，实现金属打印构件逐层堆积成形。其采用离散堆积原理并融合计算机辅助设计、材料加工与成形等技术，能够制造具有高度复杂形状的金属零件，在航空航天领域有着广阔的应用前景。在激光粉末床金属增材制造中，构建合适的打印零件的支撑结构尤为重要。一方面是支撑结构可加强零件与打印基板连接的稳定性，其中最典型的应用是使用支撑结构来支撑悬垂几何结构；另一方面是支撑结构在3D打印过程中作为打印零件将热量快速传导至基板的辅助路径，防止热量集中导致的零件翘曲，减少零件构建过程中的失败几率。金属增材制造中使用的支撑结构往往无法后期回收，不仅耗费材料，也需要额外的打印时间，因此支撑的设计应尽可能的轻巧，同时确保一定的支撑强度。
在支撑结构方面，实体型和面片型支撑结构较为常见，其按形状又可划分为直杆型、线状型和格栅型。实体型支撑固定作用强，不易去除；面片型支撑固定作用较弱，但较容易去除。目前主流的设计师采用外包围实体支撑及基于投影区域生成支撑。但是针对薄壁零件或是脆性材料，为了克服变形，需要对面片型支撑结构进行加密，以抵消成形件翘曲拉断的趋势，抗衡消除凝固过程中的拉应力，这种支撑设计导致了支撑结构趋向于闭合，打印过程中，不仅打印支撑花费的粉末增多，而且粉末会被封闭在闭合的空间内，导致那部分的粉末不易回收。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种应用金属增材制造的三周期极小曲面支撑结构及其制作方法，用于解决现有技术中支撑效果较弱，且闭合结构导致打印支撑花费的粉末增多以及不易回收等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种应用金属增材制造的三周期极小曲面支撑结构，包括：由一或多个元胞结构构成的具有三周期极小曲面多孔结构胞元曲面结构的三周期极小曲面多孔结构胞元阵列，填充于基板与待支撑零件之间；其中，所述三周期极小曲面多孔结构胞元曲面结构由隐函数数学表达式以及设置参数获得。
于本发明的一实施例中，所述隐函数数学表达式的类型包括：Gyroid、Schwarz、Splitp、Lidinoid、I-WP、Scherk's、Skeletal以及Neovius中的一种或多种数学表达式。
于本发明的一实施例中，所述设置参数包括：元胞结构大小、元胞结构厚度、偏离t长度、轴向元胞大小、高度方向元胞大小、轴向方向对称数量、轴向高度以及在空间体积内以不同体积密度阵列方式以实现变周期变密度的功能中的一种或多种。
于本发明的一实施例中，所述三周期极小曲面多孔结构胞元阵列包括：上表面，连接所述待支撑零件；下表面，连接所述基板。
于本发明的一实施例中，所述上表面对应所述支撑零件的边缘高翘曲区域的元胞密度大于上表面其他区域的元胞密度。
于本发明的一实施例中，所述三周期极小曲面多孔结构胞元阵列为全开放结构。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种应用金属增材制造的三周期极小曲面支撑结构的制作方法，所述方法包括：基于输入的隐函数数学表达式以及设置参数生成具有三周期极小曲面多孔结构胞元曲面结构的三周期极小曲面多孔结构胞元阵列模型；对所述三周期极小曲面多孔结构胞元阵列模型进行3D打印，获得三周期极小曲面多孔结构胞元阵列；其中，所述三周期极小曲面多孔结构胞元阵列由一或多个元胞结构构成；将所述三周期极小曲面多孔结构胞元阵列填充至基板与待支撑零件之间。
于本发明的一实施例中，所述隐函数数学表达式的类型包括：Gyroid、Schwarz、Splitp、Lidinoid、I-WP、Scherk's、Skeletal以及Neovius中的一种或多种数学表达式。
于本发明的一实施例中，所述设置参数包括：元胞结构大小、元胞结构厚度、偏离t长度、轴向元胞大小、高度方向元胞大小、轴向方向对称数量、轴向高度以在空间体积内以不同体积密度阵列方式以实现变周期变密度的功能中的一种或多种。
于本发明的一实施例中，所述三周期极小曲面多孔结构胞元阵列包括：上表面，连接所述待支撑零件；下表面，连接所述基板；其中，所述上表面对应所述支撑零件的边缘高翘曲区域的元胞密度大于上表面其他区域的元胞密度。
如上所述，本发明的一种应用金属增材制造的三周期极小曲面支撑结构及其制作方法，具有以下有益效果：本发明通过三周期极小曲面结构的支撑结构只需要使用较少的金属粉量及打印质量就可获得相对较高强度和较好的抗冲击性能，相较于传统的面片型支撑结构，三周期极小曲面结构可用更少的支撑体积就能达到相同的强度。同时，由于三期极小曲面结构是完全开放的曲面结构，打印过程中粉末不会被封闭起来而导致难以回收，从而提高粉末利用率，节省粉末。
附图说明
图1显示为本发明一实施例中的应用金属增材制造的三周期极小曲面支撑结构的结构示意图。
图2显示为本发明一实施例中的三周期极小曲面多孔结构胞元阵列的结构示意图。
图3显示为本发明一实施例中的三周期极小曲面多孔结构胞元阵列的截面示意图。、
图4显示为本发明一实施例中的应用金属增材制造的三周期极小曲面支撑结构的结构示意图。
图5显示为本发明一实施例中的应用金属增材制造的三周期极小曲面支撑结构的结构示意图。
图6显示为本发明一实施例中的应用金属增材制造的三周期极小曲面支撑结构制作方法的流程示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，在下述描述中，参考附图，附图描述了本发明的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本发明的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本发明的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本发明。空间相关的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“下面”、“下方”、““下部”、“上方”、“上部”等，可在文中使用以便于说明图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。
在通篇说明书中，当说某部分与另一部分“连接”时，这不仅包括“直接连接”的情形，也包括在其中间把其它元件置于其间而“间接连接”的情形。另外，当说某种部分“包括”某种构成要素时，只要没有特别相反的记载，则并非将其它构成要素，排除在外，而是意味着可以还包括其它构成要素。
其中提到的第一、第二及第三等术语是为了说明多样的部分、成分、区域、层及/或段而使用的，但并非限定于此。这些术语只用于把某部分、成分、区域、层或段区别于其它部分、成分、区域、层或段。因此，以下叙述的第一部分、成分、区域、层或段在不超出本发明范围的范围内，可以言及到第二部分、成分、区域、层或段。
再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
本发明提供一种应用金属增材制造的三周期极小曲面支撑结构，本发明通过通过三周期极小曲面结构的支撑结构只需要使用较少的金属粉量及打印质量就可获得相对较高强度和较好的抗冲击性能，相较于传统的面片型支撑结构，三周期极小曲面结构可用更少的支撑体积就能达到相同的强度。同时，由于三期极小曲面结构是完全开放的曲面结构，打印过程中粉末不会被封闭起来而导致难以回收，从而提高粉末利用率，节省粉末，解决了现有技术的问题。
下面以附图为参考，针对本发明的实施例进行详细说明，以便本发明所述技术领域的技术人员能够容易地实施。本发明可以以多种不同形态体现，并不限于此处说明的实施例。
如图1展示本发明实施例中的一种应用金属增材制造的三周期极小曲面支撑结构的结构示意图。所述三周期极小曲面支撑结构使用极小曲面这种特殊的数学模型应用到支撑的结构设计中，针对薄壁零件或者脆性零件具有优异的支撑效果。
所述结构包括：由一或多个元胞结构构成的具有三周期极小曲面多孔结构胞元曲面结构的三周期极小曲面多孔结构胞元阵列11，填充于基板2与待支撑零件3之间。其中，所述三周期极小曲面多孔结构胞元曲面结构由隐函数数学表达式以及设置参数获得。
其中，所述三周期极小曲面多孔结构胞元曲面结构的三周期极小曲面多孔结构胞元阵列由隐函数数学表达式以及设置参数构建的模型进行3D打印获得，并适合于基板与待支撑零件之间的空间；在数学描述中，极小曲面的平均曲率恒定为0，即每个点的主曲率之和为0，其中三周期曲面需要对三个独立变量的标量值函数进行求解，三个独立的变量可被视为三维欧几里德空间中某一点的x、y和z坐标。函数表达式表示为f(x，y，z)＝c，x∈[xmin，x max]，y∈[y min，y max]，z∈[z min，z max]。
可选的，如图2所示，所述支撑结构可根据不同的零件设计成不同的三周期最小曲面结构，因此可采用不同类型的隐函数数学表达式；所述隐函数数学表达式的类型包括：Gyroid、Schwarz、Splitp、Lidinoid、I-WP、Scherk's、Skeletal、Neovius等结构中的一种或多种数学表达式；
例如，所述Gyroid的公式为：cos(x)*sin(y)+cos(y)*sin(z)+sin(x)*cos(z)；所述Splitp的公式为：1.1*(sin(2*x)*cos(y)*sin(z)+sin(2*y)*cos(z)*sin(x)+sin(2*z)*cos(x)*sin(y))-0.2*(cos(2*x)*cos(2*y)+cos(2*y)*cos(2*z)+cos(2*z)*cos(2*x))-0.4*(cos(2*y)+cos(2*z)+cos(2*x))；所述Lidinoid的公式为：(sin(x)*cos(y)*sin(z)+sin(y)*cos(z)*sin(x)+sin(z)*cos(x)*sin(y))-(cos(x)*cos(y)+cos(y)*cos(z)+cos(z)*cos(x))；所述I-WP的公式为：cos(x)*cos(y)+cos(y)*cos(z)+cos(z)*cos(x)-cos(x)*cos(y)*cos(z)；所述Scherk's的公式为：4*sin(z)-sin(x)*sinh(y)；所述Skeletal的公式为:cos(x)*cos(y)+cos(y)*cos(z)+cos(x)*cos(z)-cos(x)-cos(y)-cos(z)。所述Neovius的公式为：3*(cos(x)+cos(y)+cos(z))+4*cos(x)*cos(y)*cos(z)。
举例来说，比如极小曲面类型之一：陀螺面(Gyroid)，其方程由三角函数组成，可近似定义为：FG(x,y,z)＝sin(2pi(x/L))*cos(2pi(y/L))+sin(2pi(y/L))*cos(2pi(z/L))+sin(2pi(z/L))*cos(2pi(x/L))-t。其中L是立方单元长度，水平参数t是一个变量，用于确定与表面分离区域相关的体积分数。使用数学表达式来定义结构的一个显著优势是可以将所需的参数分配给模型，以便相对轻松地进行后续结构的设计优化。
可选的，所述设置参数包括：元胞结构大小、元胞结构厚度、偏离t长度、轴向元胞大小、高度方向元胞大小、轴向方向对称数量、轴向高度以及在空间体积内以不同体积密度阵列方式以实现变周期变密度的功能中的一种或多种。
其中，所述在空间体积内以不同体积密度阵列方式以实现变周期变密度的功能是指根据零件设计，在薄壁，易变形的地方增加晶格密度，由此就可实现在空间内不同密度阵列，可以是XY/Z方向上的梯度阵列，如：支撑从密到疏，也可以是随心所欲地根据零件需求来按需设计不同地方支撑的密度。
举例来说，如图3所示，所述元胞大小为1mm-50mm,元胞厚度为0.1-5mm,偏离t长度为-1-1mm,轴向元胞大小为1mm-50mm，高度方向胞大小为1mm-50mm，轴向方向对称数量为1-50个，轴向高度为1-100mm。
可选的，所述三周期极小曲面多孔结构胞元阵列11包括：上表面，连接所述待支撑零件；下表面，连接所述基板；针对零件边缘区域的高翘曲区域，进行(1-10倍)加密处理，实现强化支撑的作用，所述上表面对应所述支撑零件的边缘高翘曲区域的元胞密度大于上表面其他区域的元胞密度，以实现在打印应力最大处创建高密度的三期极小曲面，而在应力较小处创建低密度的支撑结构。
需要说明的是，也可根据零件具体要求，选择性在需要加强支撑区域增大元胞密度。
可选的，所述三周期极小曲面多孔结构胞元阵列11为全开放结构，打印过程中粉末不会被封闭起来而导致难以回收，从而提高粉末利用率，节省粉末。
为了更好的描述所述应用金属增材制造的三周期极小曲面支撑结构，提供具体实施例；
实施例1：一种应用金属增材制造的三周期极小曲面支撑结构。如图4所示为应用金属增材制造的三周期极小曲面支撑结构的结构示意图；
支撑结构由由一或多个元胞结构构成的具有三周期极小曲面多孔结构胞元曲面结构的三周期极小曲面多孔结构胞元阵列，在空间内根据实际零件设计需求及传热要求变密度分布组成，填充于基板与待支撑零件之间；其中，所述三周期极小曲面多孔结构胞元曲面结构由隐函数数学表达式以及设置参数获得。
结合有限元分析，对比本实施例的三期极小曲面结构和传统的面片支撑的优势，仿真分析结果如下：零件的翘曲控制量分别为:三周期极小曲面结构最大变形0.25mm和面片支撑0.23mm。支撑体积分别为：三周期极小曲面结构支撑体积为77.8立方毫米和面片支撑体积为92立方毫米。综合来说，三周期极小曲面结构支撑体积比面片支撑支撑体积减少15％，粉末回收率增加75％。
实施例2：一种应用金属增材制造的三周期极小曲面叶轮支撑结构。如图5所示为应用金属增材制造的三周期极小曲面叶轮支撑结构的结构示意图；
叶轮支撑结构由由一或多个元胞结构构成的具有三周期极小曲面多孔结构胞元曲面结构的三周期极小曲面多孔结构胞元阵列，在空间内根据实际零件设计需求及传热要求变密度分布组成，填充于叶轮形状零件之间；其中，所述三周期极小曲面多孔结构胞元曲面结构由隐函数数学表达式以及设置参数获得。
针对脆性高温合金IN738的叶轮零的打印的三期极小曲面结构支撑结构。该零件轴向有12片大于45°悬垂角的叶片，通过在底部添加三期极小曲面结构支撑结构，有效控制叶片边缘处因打印热应力累积导致的翘曲。打印完成后，底部和叶片下方的粉末不会被封闭在支撑结构内。
与上述实施例原理相似的是，本发明提供一种应用金属增材制造的三周期极小曲面支撑结构的制作方法。
以下结合附图提供具体实施例：
如图6展示本发明实施例中的一种应用金属增材制造的三周期极小曲面支撑结构的制作方法的流程示意图。
所述方法包括：
步骤S61：基于输入的隐函数数学表达式以及设置参数生成具有三周期极小曲面多孔结构胞元曲面结构的三周期极小曲面多孔结构胞元阵列模型。
可选的，在建模软件输入隐函数数学表达式以及设置参数生成不同结构形式的极小曲面点云模型，并借助三维建模软件或是编程手段构建出所需尺寸和结构特征参数的具有三周期极小曲面多孔结构胞元曲面结构的三周期极小曲面多孔结构胞元阵列模型；所述三维建模软件可以采用CATIA、Solid edge、Solid works、UG等，所述编程手段可以采用Python、Matlab等。
可选的，所述隐函数数学表达式的类型包括：Gyroid、Schwarz、Splitp、Lidinoid、I-WP、Scherk's、Skeletal、Neovius等结构中的一种或多种数学表达式。
可选的，所述设置参数包括：元胞结构大小、元胞结构厚度、偏离t长度、轴向元胞大小、高度方向元胞大小、轴向方向对称数量、轴向高度及在空间体积内以不同体积密度阵列方式以实现变周期变密度的功能中的一种或多种。
步骤S62：对所述三周期极小曲面多孔结构胞元阵列模型进行3D打印，获得三周期极小曲面多孔结构胞元阵列。
详细来说，所述三周期极小曲面多孔结构胞元阵列由一或多个元胞结构构成。
可选的，将所述三周期极小曲面多孔结构胞元阵列模型转为STL格式文件并进行切边处理，切片后采用SLM 3D打印方式进行打印制作，完成后得到三周期极小曲面多孔结构胞元阵列。其中，所述3D打印成型方式包括熔融沉积制造、激光选区熔化、激光选区烧结、电子束熔化、立体喷印或光固化成形中的一种或多种。
步骤S43：将所述三周期极小曲面多孔结构胞元阵列填充至基板与待支撑零件之间。
可选的，所述三周期极小曲面多孔结构胞元阵列包括：上表面，连接所述待支撑零件；下表面，连接所述基板；其中，所述上表面对应所述支撑零件的边缘高翘曲区域的元胞密度大于上表面其他区域的元胞密度。
综上所述，本发明的应用金属增材制造的三周期极小曲面支撑结构及其制作方法，通过三周期极小曲面结构的支撑结构只需要使用较少的金属粉量及打印质量就可获得相对较高强度和较好的抗冲击性能，相较于传统的面片型支撑结构，三周期极小曲面结构可用更少的支撑体积就能达到相同的强度。同时，由于三期极小曲面结构是完全开放的曲面结构，打印过程中粉末不会被封闭起来而导致难以回收，从而提高粉末利用率，节省粉末。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，但凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种应用金属增材制造的三周期极小曲面支撑结构，其特征在于，所述结构包括：
由一或多个元胞结构构成的具有三周期极小曲面多孔结构胞元曲面结构的三周期极小曲面多孔结构胞元阵列，填充于基板与待支撑零件之间；
其中，所述三周期极小曲面多孔结构胞元曲面结构由隐函数数学表达式以及设置参数构建的模型进行3D打印获得；
所述设置参数包括：元胞结构大小、元胞结构厚度、偏离t长度、轴向元胞大小、高度方向元胞大小、轴向方向对称数量、轴向高度以及在空间体积内以不同体积密度阵列方式以实现变周期变密度的功能；其中，所述在空间体积内以不同体积密度阵列方式的功能可实现根据零件需求来按需设计不同地方支撑的密度；
所述三周期极小曲面多孔结构胞元阵列包括：上表面，连接所述待支撑零件；下表面，连接所述基板；所述上表面对应所述支撑零件的边缘高翘曲区域的元胞密度大于上表面其他区域的元胞密度，以实现在打印应力最大处创建高密度的支撑结构，而在应力较小处创建低密度的支撑结构。
2.根据权利要求1中所述的应用金属增材制造的三周期极小曲面支撑结构，其特征在于，所述隐函数数学表达式的类型包括：Gyroid、Schwarz、Splitp、Lidinoid、I-WP、Scherk's、Skeletal以及Neovius中的一种或多种数学表达式。
3.根据权利要求1中所述的应用金属增材制造的三周期极小曲面支撑结构，其特征在于，所述三周期极小曲面多孔结构胞元阵列为全开放结构。
4.一种应用金属增材制造的三周期极小曲面支撑结构的制作方法，其特征在于，所述方法包括：
基于输入的隐函数数学表达式以及设置参数生成具有三周期极小曲面多孔结构胞元曲面结构的三周期极小曲面多孔结构胞元阵列模型；
对所述三周期极小曲面多孔结构胞元阵列模型进行3D打印，获得三周期极小曲面多孔结构胞元阵列；其中，所述三周期极小曲面多孔结构胞元阵列由一或多个元胞结构构成；
将所述三周期极小曲面多孔结构胞元阵列填充至基板与待支撑零件之间；
其中，所述设置参数包括：元胞结构大小、元胞结构厚度、偏离t长度、轴向元胞大小、高度方向元胞大小、轴向方向对称数量、轴向高度以及在空间体积内以不同体积密度阵列方式以实现变周期变密度的功能；其中，所述在空间体积内以不同体积密度阵列方式的功能可实现根据零件需求来按需设计不同地方支撑的密度；
所述三周期极小曲面多孔结构胞元阵列包括：上表面，连接所述待支撑零件；下表面，连接所述基板；所述上表面对应所述支撑零件的边缘高翘曲区域的元胞密度大于上表面其他区域的元胞密度，以实现在打印应力最大处创建高密度的支撑结构，而在应力较小处创建低密度的支撑结构。
5.根据权利要求4中所述的应用金属增材制造的三周期极小曲面支撑结构的制作方法，其特征在于，所述隐函数数学表达式的类型包括：Gyroid、Schwarz、Splitp、Lidinoid、I-WP、Scherk's、Skeletal以及Neovius中的一种或多种数学表达式。
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