CN114054777A - 一种大型腔体的支撑结构、3d打印方法及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属增材制造技术领域，本发明提供了一种大型腔体的支撑结构、3D打印方法及制造方法，大型腔体的凸台沿管路的轴向延伸有延伸部，延伸部的内圈直径向外逐渐变小，腔体内设有内部支撑结构，包括管体，管体的下端与内圈末端连接，管体的上端连接有放射状结构体，放射状结构体朝上设置有与腔体内壁连接的内腔块状支撑，放射状结构体和管体上布置有经纬交错的凹槽将其分隔成若干小于内圈直径的片体。通过管体和放射状结构体构成的实体支撑结构用于散热、减少内部应力和变形，内腔块状支撑还可散热并避免形成浮渣，经纬交错的凹槽使之容易击碎，形成片体通过管路排出，兼顾了支撑性、散热性和易去除性，降低了制造的难度。

Description

一种大型腔体的支撑结构、3D打印方法及制造方法

技术领域

本发明涉及金属增材制造技术领域，具体涉及一种大型腔体的支撑结构、3D打印方法及制造方法。

背景技术

增材制造，也称为3D打印，融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。

支撑是增材制造中必不可少的东西，为零件提供支撑和定位的辅助结构，需要保证支撑的强度和稳定性；支撑的加工时间越短越好，在满足强度条件下，支撑应尽可能小，支撑扫描间距可加大，从而减少支撑成型时间；支撑的可去除性，零件制造完成后需将支撑去除。总而言之，在金属增材制造过程中，支撑结构实现了传导热量并减少应力使工艺稳定、零件质量高，同时还要可考虑支撑的去除。

囿于激光选区熔化成形其本身的工艺特性，零件成形结束后往往被埋没在粉末之中。尤其是在打印大型腔体产品时，由于激光选区熔化成形层层堆叠的技术原理，内腔小角度区域若不添加支撑则无法成形。而添加支撑后，支撑无法去除，且支撑根部无法打磨，粉末也难易清除。无法采用激光选区熔化的方式进行成形或极易造成产品报废，导致制造困难。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种大型腔体的支撑结构、3D打印方法及制造方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

作为本发明的第一个方面.提供了一种大型腔体的支撑结构，所述大型腔体的外壁设有凸台，所述凸台内设有与大型腔体内空腔连通的管路，所述大型腔体外设置有外部支撑结构，其特征在于，所述凸台沿管路的轴向向外延伸有环状的延伸部，所述延伸部的内圈直径向外逐渐变小，所述大型腔体内还设置有内部支撑结构，所述内部支撑结构包括管体，所述管体的下端贯穿管路并与延伸部的内圈末端连接，所述管体的上端连接有放射状结构体，所述放射状结构体朝上设置有与大型腔体的内壁连接的内腔块状支撑，所述放射状结构体和管体上布置有经纬交错的凹槽，所述凹槽将放射状结构体和管体分隔成若干片体，所述片体的最大三维尺寸小于内圈的最小内径。

进一步的，所述内腔块状支撑为菱形、矩形、梯形、圆形、椭圆形或多边形，所述片体为菱形、方形、圆形、椭圆形、多面体、三角形、锯齿形、楔形或梯形，所述凹槽的截面为圆形、方形、三角形、梯形、锯齿形或楔形。

进一步的，所述延伸部的厚度为1～20mm，所述延伸部的内圈直径比管路的直径小0.5～6mm。

进一步的，所述管体的壁厚为0.5～2mm，所述管体的外壁与内圈末端的距离为0～6mm。

进一步的，所述放射状结构体为喇叭口，所述喇叭口的顶部与大型腔体顶部内壁的最短距离不小于5mm，所述喇叭口的底部与大型腔体底部的最短距离不小于3mm，所述喇叭口的壁厚为0.4～3mm。

作为本发明的第二个方面，提供了一种大型腔体的3D打印方法，包括如下步骤：

步骤S1，在三维软件中建立大型腔体的零件模型，所述大型腔体包括圆筒和设置有圆筒两端的拱顶，所述大型腔体的侧面设有凸台，所述凸台内设有连通空腔的管路；

步骤S2，将大型腔体倾斜设置，设定其倾角为5～85°；

步骤S3，将位于大型腔体右侧面的一凸台的沿其内部的管路轴向向外延长1～20mm，构成一延伸部，设定延伸部的内圈直径逐渐缩小，设定其内圈直径比管路的直径缩小0.5～6mm；

步骤S4，沿延伸部的内圈轴向设置一管体，设定管体的壁厚为0.5～2mm，设定管体的外壁与延伸部的内圈末端直接连接或通过支撑连接件连接；

步骤S5，在管体的另一端设置一放射状结构体，所述放射状结构体的顶部与大型腔体的顶部内壁预留的最短距离不少于5mm；

步骤S6，在放射状结构体和管体上布置有经纬交错的凹槽，凹槽将放射状结构体及管体分隔成若干片体，设定片体的最大三维尺寸小于内圈末端内径；；

步骤S7，将大型腔体的零件模型文件以.stl保存，将保存的.stl文件导入激光选区熔化工艺专业软件；

步骤S8，生长内腔块状支撑，调节支撑角度，将大型腔体的内部小角度区域部位内腔块状支撑完全落入放射状结构体内；

步骤S9，对内腔块状支撑进行镂空处理；

步骤S10，生长大型腔体底部与基板之间的腔外底部支撑，生长延伸部及管体与基板之间的腔外凸台支撑；

步骤S11，切片处理；

步骤S12，将切片数据导入打印控制系统；

步骤S13，打印零件；

步骤S14，打印完成。

进一步的，在上述步骤S5中，该放射状结构5设定为喇叭口，喇叭口的大口一侧正对大型腔体水平投影的小角度区域，设定大型腔体内圆面切角与水平方向夹角0～45°的区域为小角度区域，设定喇叭口的顶部与大型腔体顶部最小距离不小于5mm，设定喇叭口的底部与大型腔体的底部最小距离不小于3mm，设定喇叭口的壁厚0.4～3mm。

进一步的，在上述步骤6中，所述凹槽宽度设定为0.2～10mm，所述凹槽深度设定为0.2～3mm，所述喇叭口的最小壁厚不小于0.15mm，所述凹槽的截面为圆形、方形、三角形、梯形、锯齿形或楔形；所述内圈末端内径与片体在三维方向最大尺寸的差值大于2mm，所述片体为菱形、方形、圆形、椭圆形、多面体、三角形、锯齿形、楔形或梯形。

进一步的，在上述步骤S8中，所述内腔块状支撑为菱形、矩形、梯形、圆形、椭圆形或多边形，在上述步骤S9中，镂空的尺寸为0.5～5mm。

作为本发明的第三个方面，提供了一种大型腔体的制造方法，包括上述的3D打印方法，还包括支撑去除方法，所述支撑去除方法包括：

步骤S21，将延伸部以线切割方式切除；

步骤S22，通过钳工工具套入管体的内径中，伸至放射状结构体的末端进行敲击，将去内腔块状支撑，同时增加力度将放射状结构体击碎，使之分散成零散的片体，通过管路倾倒出腔体外；

步骤S23，进一步采用内窥镜辅助，若有残留物，则采用一定曲率的可弯曲带有凸起圆棒对内腔块状支撑部位进行打磨。

实施本发明带来的有益效果是：

通过位于腔体内的管体和放射状结构体构成的实体支撑结构及腔体外的外部支撑结构，热量可有效从零件传导至打印平台的基板，同时减少内部应力和变形；对于放射状结构体与腔体内壁之间局部热量的管理，使用块状的非实体支撑，块状支撑具有的网格线结构，起到支撑作用的同时散热并避免形成浮渣，放射状结构体布置经纬交错的凹槽使之容易击碎，片体可通过管路排出，支撑根据也容易打磨，很好地解决大型腔体面临的制造困难的问题，兼顾了支撑性、散热性和支撑易去除性，极大降低了产品的报废率，使制造更加容易。

附图说明

图1为本发明实施例提供的大型腔体立体图一；

图2为本发明实施例提供的大型腔体立体图二；

图3为针对图2中A处的放大图；

图4为本发明实施例提供的大型腔体剖视图；

图5为针对图4中B处的放大图；

图6为针对图4中C处的放大图；

图7为本发明实施例提供的大型腔体添加外部支撑结构图。

图中：第一凸台1；第二凸台2；第三凸台3；管体4；放射状结构体5；内腔块状支撑6；腔外凸台支撑7；腔外底部支撑8；大型腔体9；第一管路11；第二管路21；延伸部32；内圈321；外圈322；经向凹槽51；纬向凹槽52；片体53。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

随着待打印产品体积的增大，对支撑的要求就越高，特别是对于大型较为封闭腔体，不仅需要腔体外的外部支撑，还需要在腔体内部设置支撑，腔体内空间较为封闭，如何实现支撑的良好性能又便于去除支撑一直是业界的一个难点和重点，处理不好极易造成产品报废，为此本发明提供了一种大型腔体的支撑结构、3D打印方法及制造方法。

参阅图1至图7，大型腔体9包括圆筒和设置有圆筒两端的拱顶，其内部设有空腔，大型腔体9的表面设有第一凸台1、第二凸台2和第三凸台3，第一凸台1、第二凸台2和第三凸台3分别设置有连通空腔的第一管路11、第二管路21和第三管路。

具体地，第二凸台2设置在其中一端的拱顶偏下处，第一凸台1和第三凸台3设置在拱顶与圆筒的连接处，第一凸台1分别位于第三凸台3圆筒的两端。

为了减少支撑数量，预打印时，大型腔体9以倾斜方式设置，其倾斜圆筒壁的边线与水平面所成夹角的范围为5～85°。

参阅图3和图5，将其侧壁的第三凸台3沿法线方向向外延伸1～20mm，构成延伸部32，延伸部32为具有内圈321和外圈322的环体，延伸部32的内圈直径逐渐缩小，相比第三管路的直径缩小0.5～6mm。

为进一步减小延伸部32的体积，缩短其加工时间，延伸部的32的外圈直径跟随内圈直径同步减小。

沿延伸部32的内圈轴向设计一管体4，管体4的壁厚为0.5～2mm。管体4可以为圆管、方管或三角管等，优选为圆管，管体4的外壁与内圈321的距离为0～6mm。优选的，管体4的外壁与内圈321直接接触，如此可以避免后续对管体4和内圈321之间再添加支撑。

进一步的，根据大型腔体9的摆放角度，管体4也可与内圈轴向成一定角度。原则上，管体4的轴向与水平方向摆放角度不得小于30°。

参阅图4和图6，在管体4的远端，设计一放射状结构体5，放射状结构体5可以为喇叭口、翅片形、斜板、菱形或锥形，优选喇叭口。喇叭口大口侧正对大型腔体9水平投影的小角度区域，本发明中定义大型腔体内圆面切角与水平方向夹角0～45°的区域为小角度区域。

喇叭口的小口侧与管体4的远端相连。喇叭口轴向与水平方向夹角不小于30°。喇叭口沿辐射方向的切线与水平方向夹角不小于25°。喇叭口用于承接大型腔体小角度区域添加的内腔块状支撑6，避免支撑底部直接接触大型腔体零件内部，导致无法去除，形成残留。

喇叭口轴向尺寸根据大型腔体9内腔等效直径确定喇叭口顶部与大型腔体9顶部内壁的最短距离不小于5mm。喇叭口底部与大型腔体9底部的最短距离不小于3mm。

喇叭口的壁厚0.4～3mm，为便于去除，在管体4、喇叭口内侧壁、外侧壁或者两侧同时开设有辐射状的经向凹槽51和纬向凹槽52，形成经纬交错布置。将喇叭口分隔为一个个相互连接的片体53。

由凹槽分隔成的片体53可以为菱形、方形、圆形、椭圆形、多面体、三角形、锯齿形、楔形、梯形等多种形态。凹槽可以开在喇叭口一侧，也可双侧布局。双侧布局时可以同一位置，也可以交错布置。

凹槽的截面形态可以为圆形、方形、三角形、梯形、锯齿形、楔形等形态。

凹槽宽度一般为0.2～10mm，凹槽深度一般为0.2～3mm。单侧或双侧开槽时，须保证该部位喇叭口的最小壁厚不小于0.15mm。

片体53在三维方向最大尺寸小于大型腔体9进出口即内圈末端内径(即最小内径)，其差值应以大于2mm为佳。

通过位于腔体内的管体4和放射状结构体5构成的实体支撑结构及腔体外的外部支撑结构，热量可有效从零件传导至打印平台的基板，同时减少内部应力和变形；对于放射状结构体5与大型腔体9内壁之间局部热量的管理，使用块状的非实体支撑，块状支撑具有的网格线结构，起到支撑作用的同时散热并避免形成浮渣。

一种大型腔体的3D打印方法，包括如下步骤：

步骤S1，在三维软件中建立大型腔体9的零件模型，该大型腔体9包括圆筒和设置有圆筒两端的拱顶，大型腔体9的侧面设有凸台，凸台内设有连通空腔的管路；

步骤S2，将大型腔体9倾斜设置，设定其倾角为5～85°；

步骤S3，将位于大型腔体9右侧面的一凸台的沿法线方向向外延长1～20mm，构成一延伸部32，设定延伸部32的内圈直径逐渐缩小，设定其内圈直径比管路的直径缩小0.5～6mm；

步骤S4，沿延伸部32的内圈轴向设置一管体4，设定管体4的壁厚为0.5～2mm，设定管体4的外壁与延伸部32的内圈321直接连接或通过连接件连接，如连接柱；

步骤S5，在管体4的另一端设置一放射状结构体5，放射状结构体5的末端与大型腔体9的顶部内壁预留的最短距离不少于5mm；

步骤S6，在放射状结构体5和管体4上布置有经纬交错的凹槽，凹槽将放射状结构体5及管体4分隔成多块片体53，设定片体53的最大三维尺寸小于内圈末端内径；

步骤S7，将大型腔体9的零件模型文件以.stl保存，将保存的.stl文件导入激光选区熔化工艺专业软件，如Magics专业软件；

步骤S8，生长内腔块状支撑6，调节支撑角度，将大型腔体9的内部小角度区域部位内腔块状支撑6完全落入放射状结构体5内；

步骤S9，对内腔块状支撑6支撑进行镂空处理；

步骤S10，生长大型腔体9底部与基板之间的腔外底部支撑8，生长延伸部32及管体4与基板之间的腔外凸台支撑7；

步骤S11，切片处理；

步骤S12，切片数据导入打印控制系统；

步骤S13，打印零件；

打印工作流程，使用粉末将模型文件分层打印形成三维零件，首先设备铺粉系统将粉末均匀平整的铺在基板上，然后扫描系统根据打印文件提供的信息将激光打到粉床上将粉末融化，然后迅速冷凝成形，设备继续执行铺粉动作进行下一层打印成形；

步骤S14，通过一层一层的堆积熔化成形最终将零件打印完成。

其中，上述步骤S5中，该放射状结构5设定为喇叭口，喇叭口的大口一侧正对大型腔体9水平投影的小角度区域，设定大型腔体9内圆面切角与水平方向夹角0～45°的区域为小角度区域。

设定喇叭口顶部与大型腔体9顶部最小距离不小于5mm，设定喇叭口的底部与大型腔体9的底部最小距离不小于3mm，设定喇叭口的壁厚0.4～3mm。

其中，上述步骤6中，凹槽宽度设定为0.2～10mm，凹槽深度一般为0.2～3mm。单侧或双侧开槽时，须保证该部位喇叭口的最小壁厚不小于0.15mm，所述凹槽的截面为圆形、方形、三角形、梯形、锯齿形或楔形。

被凹槽切割的喇叭口，其分散后的小型片体53，三维方向最大尺寸小于大型腔体9进出口的最小内径，即内圈末端内径，其差值应以大于2mm为佳，片体53为菱形、方形、圆形、椭圆形、多面体、三角形、锯齿形、楔形或梯形。

其中，上述步骤9中，内腔块状支撑6可选择菱形、矩形、梯形、圆形、椭圆形、多边形镂空。镂空尺寸0.5～5mm。大型腔体9内部粉末可通过此镂空部位倒出，避免堵塞风险。

内腔块状支撑6水平截面为网格形式，网格间距0.7～1.5mm。支撑顶部可设计为锯齿形、三角形、楔形等形式。齿高度为0.8～3mm。依此减弱支撑与大型腔体9顶部连接强度。

从3D打印机出来的打印物往往要经历各种表面处理才能使用，在这些步骤中最重要的一步就是对支撑材料的处理，由此本发明提供了一种大型腔体的制造方法，包括上述的打印方法，还包括支撑去除方法，支撑去除方法包括：

步骤S21，将延伸部32以线切割方式切除；

步骤S22，通过钳工工具套入管体4的内径中，伸至放射状结构体5的末端进行敲击喇叭口，将去内腔块状支撑6，同时增加力度将喇叭口击碎，使之分散成零散的片体53，通过管路倾倒出来腔体外；

步骤S23，因内腔块状支撑6强度较弱，去除时可以去除的较为彻底，进一步采用内窥镜辅助，观察是否残留。若有，则采用一定曲率的可弯曲带有凸起圆棒对支撑部位进行打磨。可将支撑部位处理的光顺和整洁。

实施本发明带来的有益效果是：

通过位于腔体内的管体和放射状结构体构成的实体支撑结构及腔体外的外部支撑结构，热量可有效从零件传导至打印平台的基板，同时减少内部应力和变形，实体支撑结构通过将零件牢固地固定到打印平台来抵抗变形，如若热量没有完全传导至打印平台，则剩余的内部应力可能会导致变形，变形可能是整个零件变形或局部变形，例如，孔洞的几何精度或收缩线的外观受损。

对于放射状结构体与腔体内壁之间局部热量的管理，使用块状的非实体支撑，非实体支撑可防止局部变形，通过改变零件的方向或在两个表面相互接触且有收缩线的位置做支撑，可避免局部变形，块状支撑具有的网格线结构，起到支撑作用的同时散热并避免形成浮渣。

放射状结构体布置经纬交错的凹槽使之容易击碎，片体可通过管路排出，支撑根据也容易打磨，很好地解决大型腔体面临的制造困难的问题，兼顾了支撑性、散热性和支撑易去除性，极大降低了产品的报废率，使制造更加容易。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大型腔体的支撑结构，所述大型腔体的外壁设有凸台，所述凸台内设有与大型腔体内空腔连通的管路，所述大型腔体外设置有外部支撑结构，其特征在于，所述凸台沿管路的轴向向外延伸有环状的延伸部，所述延伸部的内圈直径向外逐渐变小，所述大型腔体内还设置有内部支撑结构，所述内部支撑结构包括管体，所述管体的下端贯穿管路并与延伸部的内圈末端连接，所述管体的上端连接有放射状结构体，所述放射状结构体朝上设置有与大型腔体的内壁连接的内腔块状支撑，所述放射状结构体和管体上布置有经纬交错的凹槽，所述凹槽将放射状结构体和管体分隔成若干片体，所述片体的最大三维尺寸小于内圈的最小内径。

2.根据权利要求1所述的大型腔体的支撑结构，其特征在于，所述内腔块状支撑为菱形、矩形、梯形、圆形、椭圆形或多边形，所述片体为菱形、方形、圆形、椭圆形、多面体、三角形、锯齿形、楔形或梯形，所述凹槽的截面为圆形、方形、三角形、梯形、锯齿形或楔形。

3.根据权利要求1或2所述的大型腔体的支撑结构，其特征在于，所述延伸部的厚度为1～20mm，所述延伸部的内圈直径比管路的直径小0.5～6mm。

4.根据权利要求3所述的大型腔体的支撑结构，其特征在于，所述管体的壁厚为0.5～2mm，所述管体的外壁与内圈末端的距离为0～6mm。

5.根据权利要求4所述的大型腔体的支撑结构，其特征在于，所述放射状结构体为喇叭口，所述喇叭口的顶部与大型腔体顶部内壁的最短距离不小于5mm，所述喇叭口的底部与大型腔体底部的最短距离不小于3mm，所述喇叭口的壁厚为0.4～3mm。

6.一种大型腔体的3D打印方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，在三维软件中建立大型腔体的零件模型，所述大型腔体包括圆筒和设置有圆筒两端的拱顶，所述大型腔体的侧面设有凸台，所述凸台内设有连通空腔的管路；

步骤S2，将大型腔体倾斜设置，设定其倾角为5～85°；

步骤S3，将位于大型腔体右侧面的一凸台的沿其内部的管路轴向向外延长1～20mm，构成一延伸部，设定延伸部的内圈直径逐渐缩小，设定其内圈直径比管路的直径缩小0.5～6mm；

步骤S4，沿延伸部的内圈轴向设置一管体，设定管体的壁厚为0.5～2mm，设定管体的外壁与延伸部的内圈末端直接连接或通过支撑连接件连接；

步骤S5，在管体的另一端设置一放射状结构体，所述放射状结构体的顶部与大型腔体的顶部内壁预留的最短距离不少于5mm；

步骤S6，在放射状结构体和管体上布置有经纬交错的凹槽，凹槽将放射状结构体及管体分隔成若干片体，设定片体的最大三维尺寸小于内圈末端内径；

步骤S7，将大型腔体的零件模型文件以.stl保存，将保存的.stl文件导入激光选区熔化工艺专业软件；

步骤S8，生长内腔块状支撑，调节支撑角度，将大型腔体的内部小角度区域部位内腔块状支撑完全落入放射状结构体内；

步骤S9，对内腔块状支撑进行镂空处理；

步骤S10，生长大型腔体底部与基板之间的腔外底部支撑，生长延伸部及管体与基板之间的腔外凸台支撑；

步骤S11，切片处理；

步骤S12，将切片数据导入打印控制系统；

步骤S13，打印零件；

步骤S14，打印完成。

7.根据权利要求6所述的大型腔体的3D打印方法，其特征在于，在上述步骤S5中，该放射状结构5设定为喇叭口，喇叭口的大口一侧正对大型腔体水平投影的小角度区域，设定大型腔体内圆面切角与水平方向夹角0～45°的区域为小角度区域，设定喇叭口的顶部与大型腔体顶部最小距离不小于5mm，设定喇叭口的底部与大型腔体的底部最小距离不小于3mm，设定喇叭口的壁厚0.4～3mm。

8.根据权利要求7所述的大型腔体的3D打印方法，其特征在于，在上述步骤6中，所述凹槽宽度设定为0.2～10mm，所述凹槽深度设定为0.2～3mm，所述喇叭口的最小壁厚不小于0.15mm，所述凹槽的截面为圆形、方形、三角形、梯形、锯齿形或楔形；所述内圈末端内径与片体在三维方向最大尺寸的差值大于2mm，所述片体为菱形、方形、圆形、椭圆形、多面体、三角形、锯齿形、楔形或梯形。

9.根据权利要求8所述的大型腔体的3D打印方法，其特征在于，在上述步骤S8中，所述内腔块状支撑为菱形、矩形、梯形、圆形、椭圆形或多边形，在上述步骤S9中，镂空的尺寸为0.5～5mm。

10.一种大型腔体的制造方法，其特征在于，包括如权利要求6至9任一项所述的3D打印方法，还包括支撑去除方法，所述支撑去除方法包括：

步骤S21，将延伸部以线切割方式切除；

步骤S22，通过钳工工具套入管体的内径中，伸至放射状结构体的末端进行敲击，将去内腔块状支撑，同时增加力度将放射状结构体击碎，使之分散成零散的片体，通过管路倾倒出腔体外；

步骤S23，进一步采用内窥镜辅助，若有残留物，则采用一定曲率的可弯曲带有凸起圆棒对内腔块状支撑部位进行打磨。

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