CN114682799A - 选区熔化成形轻量化支撑设计方法、存储介质和电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属增材制造技术领域，公开了一种选区熔化成形轻量化支撑设计方法、存储介质和电子设备，该轻量化支撑设计方法通过对支撑体进行优化设计，在零件的悬垂面较大时，对零件的悬垂面既实现了稳固支撑，又对支撑体进行轻量化的设计，在提高了3D打印零件的支撑稳固性的同时，也提高了3D打印零件的成形精度、成形效率和材料利用率，并且避免因能够避免实体支撑不合理致使零件热量集聚导致零件翘曲。

Description

选区熔化成形轻量化支撑设计方法、存储介质和电子设备

技术领域

本发明涉及金属增材制造的技术领域，具体的说，是一种选区熔化成形轻量化支撑设计方法、存储介质和电子设备，用于提高3D打印零件的支撑稳固性、成形精度、成形效率、材料利用率，同时避免因实体支撑不合理致使零件热量集聚导致零件翘曲变形。

背景技术

金属增材制造技术采用计算机制图软件设计零件的三维模型，然后利用软件进行支撑添加，分层切片为二维图形，通过激光束、电子束或等离子逐层熔化粉末来进行激光烧结，层层堆叠，完成三维实体模型制造。在增材制造中，大部分成形零件具有悬垂结构或者与水平面夹角小于40°的倾斜面，需给这些面添加支撑，在成形基板和零件的被支撑面之间生成支撑结构，防止零件坍塌、翘曲、变形等，从而提高零件的成形精度。支撑的添加对于零件的成形至关重要，直接影响零件成形质量和性能，支撑主要具有如下功能：

（1）支撑悬垂结构，保证悬垂结构成形；

（2）刚性固定，防止零件因应力过大变形而无法成形；

（3）传递零件的热量，防止零件翘曲变形；

目前较为常用的支撑形式有块状支撑、实体支撑、锥形支撑等。块状支撑结构通过多条直线交叉形成多个封闭的四面网格，块状支撑去除方便，当支撑尺寸较大时，粉末残存于封闭的四面结构中，浪费了粉末，增加成形时间。实体支撑强度高，支撑效果好，但其成形效率低，增加了耗粉量，与零件结合部位支撑难去除。锥形支撑较高时，在成形过程中容易弹刀而无法成形，零件与锥形支撑接触处易出现局部变形凸起。单一支撑往往很难满足零件的制造需求，在许多情况下，需将不同类型的支撑结合使用，才能满足使用要求。现有的技术方法如CN201710719159.2的发明专利公开了一种用于增材制造的组合支撑结构的设计方法，包含下部实体上方网格的组合支撑结构，用于解决细而高的块状支撑无法成形的问题。

当零件悬垂面较大时，往往需要添加大量支撑保证零件成形，若支撑体积过大，将导致成形时间较长，支撑成形耗粉量多，因此，需发明一种选区熔化成形轻量化支撑设计方法、存储介质和电子设备，解决大尺寸支撑耗时耗粉的难题，适用于不同尺寸的支撑添加。

发明内容

本发明的目的在于针对上述缺陷，提供一种选区熔化成形轻量化支撑设计方法和存储介质，通过对支撑体进行优化设计，提高3D打印零件的支撑稳固性、成形精度、成形效率、材料利用率，同时避免弹刀现象和零件翘曲变形现象的发生；生成的支撑由上下两部分组成，包括上部支撑和位于下方的经过轻量化处理的体积支撑组成；位于上部支撑直接与零件接触，且接触面小，便于去除；位于下方的体积支撑与基板接触，以确保位于上方的支撑稳固成形。

本发明通过下述技术方案实现：

一种选区熔化成形轻量化支撑设计方法，具体以下步骤：

步骤1：将零件三维模型导入3D打印数据处理软件，并根据所述零件三维模型的尺寸、结构形状确定在基准面上的摆放方式；

步骤2：在零件三维模型上标记出需要添加支撑体的标记面，识别并筛选出需要设置轻量化支撑的特殊标记面；

步骤3：在所述特殊标记面上创建上部支撑，所述上部支撑的最低点高于所述基准面，所述上部支撑的各处厚度一致；在所述特殊标记面和基准面之间创建体积支撑；

步骤4：将步骤3中创建的体积支撑从3D打印数据处理软件导出；并删除3D打印数据处理软件中的体积支撑；

步骤5：将步骤4中导出的体积支撑重新导入3D打印数据处理软件作为支撑零部件；将支撑零部件靠近基准面的一段切除，被切除段的厚度小于所述上部支撑的厚度，并将剩余的支撑零部件向下平移放置到基准面上；使得所述支撑零部件顶部与所述上部支撑底部接合；

步骤6：将放置在基准面上的支撑零部件进行镂空处理。

为了更好地实现本发明，更进一步地，步骤2中，所述特殊标记面的筛选条件为同时满足以下两个条件的标记面：a.设定标记面最高点高度为Hmax，Hmax≥50mm；b.设定标记面在基准面上的投影面面积为S、标记面到投影面之间的空间占据的体积为V，S≥1200mm²或V≥6000mm³。V即为创建体积支撑所需要占据的空间体积。

为了更好地实现本发明，更进一步地，步骤3中，所述上部支撑厚度为h1，0mm<h1≤10mm。

为了更好地实现本发明，更进一步地，熔化成形的单层铺粉深度为h2；在步骤5中，所述支撑零部件被切除段的厚度为h3，其中，h1-h2= h3>0mm。

为了更好地实现本发明，更进一步地，步骤6中：所述支撑零部件上设有漏粉孔。

为了更好地实现本发明，更进一步地，步骤6中的操作步骤包括：先对所述支撑零体进行抽壳处理形成轮廓支撑；再对所述轮廓支撑内部创建用于提高轮廓支撑强度的点阵结构。

为了更好地实现本发明，可选地，步骤6中的操作步骤包括：先对所述支撑零部件进行抽壳处理形成轮廓支撑；再在所述轮廓支撑上段内壁创建用于支撑所述上部支撑的自支撑结构。

此外，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任意一种选区熔化成形轻量化支撑设计方法的步骤。

为了执行上述任意一种选区熔化成型轻量化支撑方法的步骤，本发明还提供了一种电子设备，包括：存储介质，用于储存计算机程序；处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述任意的一种选区熔化成型轻量化支撑设计方法的步骤。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明提供了一种选区熔化成形轻量化支撑设计方法，通过对支撑体进行优化设计，提高3D打印零件的支撑稳固性、成形精度、成形效率、材料利用率，同时避免弹刀现象和零件翘曲变形现象的发生。

附图说明

下面将结合附图对技术方案进行清楚、完整地描述，显然所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

图1为本发明提供的一种选区熔化成形轻量化支撑设计方法中零件在3D打印数据处理软件中的摆放状态示意图；

图2为本发明中的特殊标记面到基准面之间的空间占据的体积大小的示意图；

图3为本发明中的上部支撑的示意图；

图4为本发明中在上部支撑下方建立体积支撑的状态示意图；

图5为本发明中对支撑零部件进行抽壳和创建自支撑结构的调用界面示意图；

图6为本发明中形成的轮廓支撑和自支撑结构的结构示意图；

图7为本发明中形成的轮廓支撑和点阵结构的结构示意图。

其中：201、基准面；202、坐标轴；203、成形舱；204、零件；205、特殊标记面；301、体积支撑；401、上部支撑；701、漏粉孔；702、自支撑结构；801、点阵结构；802、轮廓支撑；803、外壳。

具体实施方式

以下结合实施例的具体实施方式，对本发明创造的上述内容再做进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段作出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。

实施例1：

本实施例的一种选区熔化成形轻量化支撑设计方法，如图1-图7所示，具体以下步骤：

步骤1：将零件204三维模型导入3D打印数据处理软件如Materialise Magics软件，并根据所述零件204三维模型的尺寸、结构形状确定在基准面201上的摆放方式；

步骤2：在零件204三维模型上标记出需要添加支撑体的标记面，识别并筛选出需要设置轻量化支撑的特殊标记面205；

步骤3：在所述特殊标记面205上创建上部支撑401，所述上部支撑401的最低点高于所述基准面201，所述上部支撑401的各处厚度一致；在所述特殊标记面205和基准面201之间创建体积支撑301；

步骤4：将步骤3中创建的体积支撑301从3D打印数据处理软件导出；并删除3D打印数据处理软件中的体积支撑301；

步骤5：将步骤4中导出的体积支撑301重新导入3D打印数据处理软件作为支撑零部件，此时使用的3D打印数据处理软件如Materialise Magics、3-Matics等软件中，将支撑零部件靠近基准面201的一段切除，被切除段的厚度小于所述上部支撑401的厚度，并将剩余的支撑零部件向下平移放置到基准面201上；使得所述支撑零部件顶部与所述上部支撑401底部接合；

步骤6：将放置在基准面201上的支撑零部件进行镂空处理。

本实施例中的上部支撑401的与零件204接触的表面平滑，上部支撑401的内部可以是实体也可以是网格等多种镂空结构，上部支撑401平整的表面能够保障在零件204加工成形的时候起到良好的支撑作用，保障成形精度，避免表面不平整造成激光烧结头加工时出现跳刀现象，同时起到良好的热量传递效果，避免出现点支撑导致零件204热量集聚导致翘曲变形。

本实施例通过对支撑体进行优化设计，提高3D打印零件204的支撑稳固性、成形精度、成形效率、材料利用率，同时避免弹刀现象和零件204翘曲变形现象的发生

本实施例中，采用的成形方法为激光选区熔化技术，成形零件204材料为TC4钛合金，零件204尺寸约为200mm*160mm*220mm，单层铺粉厚度为60μm。

实施例2：

本实施例是在实施例1的基础上进一步优化地，如图1和图2所示，所述特殊标记面205的筛选条件为同时满足以下两个条件的标记面：a.设定标记面最高点高度为Hmax，Hmax≥50mm；b.设定标记面在基准面201上的投影面面积为S、标记面到投影面之间的空间占据的体积为V；S≥1200mm²或V≥6000mm³，V即为创建体积支撑所需要占据的空间体积。本实施例中:Hmax=213.46mm≥50mm ,V=479230.2mm³≥6000mm³，因此将该标记面识别为特殊标记面205；本实施例通过设定条件筛选出符合条件的悬垂面作为特殊标记面205，这些悬垂面位置较高，同时面积大或需要支撑体体积大，其对轻量化的需求迫切。

如图2所示，步骤3中，所述上部支撑401厚度为h1，0mm<h1≤10mm。在本实施例中的上部支撑401采用块状支撑，并设置上部支撑401的厚度为5mm，因此在步骤3创建的体积支撑301与上部支撑401重合厚度为5mm。

熔化成形的单层铺粉深度为h2；在步骤5中，所述支撑零部件被切除段的厚度为h3，其中，h1-h2= h3>0mm。h3即为上部支撑401与底部切除后剩余的支撑零部件相重叠的厚度，h3>0mm确保上部支撑401和剩余的支撑零部件之间存在必要的接合厚度，保障上部支撑401与剩余支撑零部件顶部的牢固接合。

如图6和图7所示，步骤6中：所述支撑零部件上设有漏粉孔701。漏粉孔701能够方便后续支撑零部件的轻量化过程中建立镂空结构，多余的粉料能够通过楼粉孔排出，避免粉料集集聚在镂空结构的缝隙中，有效避免粉料浪费、实现支撑零部件的轻量化。

如图5和图7所示，步骤6中的操作步骤包括：先对所述支撑零体进行抽壳处理形成轮廓支撑802；再对所述轮廓支撑802内部创建用于提高轮廓支撑802强度的点阵结构801。

通过抽壳建立轮廓支撑802，将轮廓支撑802作为外壳803，大大减轻了支撑零件204体的重量；在外壳803内建立若干呈点阵分布的块体、并将相邻的块体相互连接，以形成点阵结构801加强对外壳803、上部支撑401的支撑强度，最终提高对零件204的稳固性，以确保零件204成形精度。

如图5和图6所示，可选的，步骤6中的操作步骤包括：先对所述支撑零部件进行抽壳处理形成轮廓支撑802；再在所述轮廓支撑802上段内壁创建用于支撑所述上部支撑401的自支撑结构702。

通过抽壳建立轮廓支撑802，将轮廓支撑802作为外壳803，大大减轻了支撑零件204体的重量，但为了提高其对上部支撑401的支撑稳固性，在外壳803的内壁上建立与上部支撑401底部连接的自支撑结构702。保障结构强度的同时，大大减少支撑零件204体的耗粉量。

本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。

实施例3：

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如实施例1或2中所述的一种选区熔化成形轻量化支撑设计方法的步骤。

实施例4：

本实施例提供一种电子设备，包括：存储介质，用于储存计算机程序；处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述实施1或2中的一种选区熔化成型轻量化支撑设计方法的步骤。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种选区熔化成形轻量化支撑设计方法，其特征在于：具体以下步骤：

步骤1：将零件（204）三维模型导入3D打印数据处理软件，并根据所述零件（204）三维模型的尺寸、结构形状确定在基准面（201）上的摆放方式；

步骤2：在零件（204）三维模型上标记出需要添加支撑体的标记面，识别并筛选出需要设置轻量化支撑的特殊标记面（205）；

步骤3：在所述特殊标记面（205）上创建上部支撑（401），所述上部支撑（401）的最低点高于所述基准面（201），所述上部支撑（401）的各处厚度一致；在所述特殊标记面（205）和基准面（201）之间创建体积支撑（301）；

步骤4：将步骤3中创建的体积支撑（301）从3D打印数据处理软件导出；并删除3D打印数据处理软件中的体积支撑（301）；

步骤5：将步骤4中导出的体积支撑（301）重新单独导入3D打印数据处理软件作为支撑零部件；将支撑零部件靠近基准面（201）的一段切除，被切除段的厚度小于所述上部支撑（401）的厚度，并将剩余的支撑零部件向下平移放置到基准面（201）上；使得所述支撑零部件顶部与所述上部支撑（401）底部接合；

步骤6：将放置在基准面（201）上的支撑零部件进行镂空处理。

2.根据权利要求1所述的一种选区熔化成形轻量化支撑设计方法，其特征在于：步骤2中，所述特殊标记面（205）的筛选条件为同时满足以下两个条件的标记面：a.设定标记面最高点高度为Hmax，Hmax≥50mm；b.设定标记面在基准面（201）上的投影面面积为S、标记面到投影面之间的空间占据的体积为V；S≥1200mm²或V≥6000mm³。

3.根据权利要求1所述的一种选区熔化成形轻量化支撑设计方法，其特征在于：步骤3中，所述上部支撑（401）厚度为h1，0mm<h1≤10mm。

4.根据权利要求3所述的一种选区熔化成形轻量化支撑设计方法，其特征在于：熔化成形的单层铺粉深度为h2；在步骤5中，所述支撑零部件被切除段的厚度为h3，其中，h1-h2=h3>0mm。

5.根据权利要求3所述的一种选区熔化成形轻量化支撑设计方法，其特征在于：步骤6中：所述支撑零部件上设有漏粉孔（701）。

6.根据权利要求3所述的一种选区熔化成形轻量化支撑设计方法，其特征在于：步骤6中的操作步骤包括：先对所述支撑零体进行抽壳处理形成轮廓支撑（802）；再对所述轮廓支撑（802）内部创建用于提高轮廓支撑（802）强度的点阵结构（801）。

7.根据权利要求3所述的一种选区熔化成形轻量化支撑设计方法，其特征在于：在步骤6中的操作步骤包括：先对所述支撑零部件进行抽壳处理形成轮廓支撑（802）；再在所述轮廓支撑（802）上段内壁创建用于支撑所述上部支撑（401）的自支撑结构（702）。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的一种选区熔化成形轻量化支撑设计方法的步骤。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：

存储介质，用于储存计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1-7中任一项所述的一种选区熔化成型轻量化支撑设计方法的步骤。

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