CN114769625B - 基于金属3d打印的复合支撑结构构造方法和系统 - Google Patents

基于金属3d打印的复合支撑结构构造方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于金属3D打印的复合支撑结构构造方法、系统和智能终端，构造方法包括：遍历模型中的所有三角面片，并将满足预设策略的三角面片存储，以形成三角面片数据组；基于所述三角面片数据组，将所有两两相邻的三角面片合并保存，以形成多个不相邻的支撑区域；计算各支撑区域的属性值，并设定各支撑区域的表面精度；基于各支撑区域的属性值和表面精度，计算得到复合支撑结构。解决了支撑结构不便于去除，支撑强度较差的技术问题。

Description

基于金属3D打印的复合支撑结构构造方法和系统
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种基于金属3D打印的复合支撑结构构造方法、系统和智能终端。
背景技术
以增材制造技术为支撑的净近成形技术，可彻底解决常规加工中难以加工局部的难题，赋予零件各向同性、高致密、高强度的综合优异性能，大幅度提高零件的可靠性和使用寿命，是传统去除式加工工艺的实质性突破。相关研究表明，激光增材制造(3D打印)的金属零件具有致密、细小的组织，成分均匀，力学性能达到或超过锻件水平。
在诸多3D打印技术当中，选区激光熔化(Selective Laser Melting，SLM) 粉末增材制造成形技术能够成形多种金属材料，特别是难加工金属零部件，而且成形精度较高，零件结构复杂度高，所需供电设施简单，耗能低，所用原材料为粉末。选区激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)是3D打印的一种工艺，通过专用软件对零件三维数模进行切片分层，获得各截面的轮廓数据后，利用高能激光束根据轮廓数据逐层选择性地熔化金属粉末，通过逐层铺粉，逐层熔化凝固堆积的方式，制造三维实体零件。选区激光熔化金属3D打印零件在点阵结构、复杂腔体、薄壁结构、复杂曲面、小孔径管路等的结构成形上具有非常大的优势。
在金属3D打印过程中，由于零件是通过金属粉末熔化凝固后形成金属零件，在零件模型的下表面以及倾斜表面都添加有专门的支撑结构，以保证零件能受约束的增材制造。特别零件是在基板上开始进行逐层制造的，因此零件模型与基板之间通过支撑结构进行连接，以保证零件能顺利的进行制造。零件的支撑不仅要具有一定的外形结构，还需和零件实体有功能关系，保证零件实体能高精度高效率的加工。目前大多数设计和自动生成的支撑结构有网状支撑、片状支撑、柱状支撑、树状支撑和点状支撑等结构形式，分别可适用于曲面特征区域、阶梯特征区域、平面区域和高精度要求区域以及尖角区域等不同的区域特征，以达到支撑稳固、和零件结合刚性适中便于去除的效果。
但是，不同的支撑结构形式其结构刚性、结合强度和对零件表面精度的影响以及支撑单位体积重量都有很大的区别。若支撑结构体积过大过密不利于打印完成后支撑结构去除，若支撑结构体积过小支撑点太少没有足够的强度来降低零件的内应力、控制零件的变形，若支撑结构表面残留支撑点过多则不利于支撑结构去除，若支撑结构位于零件内部空腔内无法顺利去除支撑。
因此，提供一种基于金属3D打印的复合支撑结构构造方法，以提高支撑结构的去除便利性，且同时保证支撑结构的支撑强度，就成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于金属3D打印的复合支撑结构构造方法，以至少部分解决支撑结构不便于去除，且支撑强度较差的技术问题。该目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于金属3D打印的复合支撑结构构造方法，包括：
遍历模型中的所有三角面片，并将满足预设策略的三角面片存储，以形成三角面片数据组；
基于所述三角面片数据组，将所有两两相邻的三角面片合并保存，以形成多个不相邻的支撑区域；
计算各支撑区域的属性值，并设定各支撑区域的表面精度；
基于各支撑区域的属性值和表面精度，计算得到复合支撑结构。
进一步地，所述遍历模型中的所有三角面片，并将满足预设策略的三角面片存储，以形成三角面片数据组，具体包括：
遍历模型中的所有三角面片，判定三角面片与水平面夹角小于支撑识别角，则将该三角面片所对应的序号存储，并形成三角面片数据组。
进一步地，所述基于所述三角面片数据组，将所有两两相邻的三角面片合并保存，以形成多个不相邻的支撑区域，具体包括：
将模型中的目标三角面片判断完成后，将所述目标三角面片读入三角面片数据组；
若所述目标三角面片与所述三角面片数据组中的任一三角面片相邻，则按照相邻原则，将所述目标三角面片和与其相邻的三角面片合并保存为单独的支撑区域；
遍历模型中的所有三角面片，则将所有两两相邻的三角面片合并保存为多个不相邻的支撑区域。
进一步地，所述计算各支撑区域的属性值，具体包括：
计算各所述支撑区域的面积、长度、宽度、曲率变化范围值和投影面积；
所述设定各支撑区域的表面精度，具体包括：
设定各支撑区域的表面粗糙度和尺寸精度。
进一步地，所述基于各支撑区域的属性值和表面精度，计算得到复合支撑结构，具体包括：
若支撑区域的支撑面积和投影面积均小于10mm2，则判定该支撑区域为斑点支撑；
计算支撑区域的高度平均值，若高度值小于20mm，则判定该支撑区域类型为小间隙斑点支撑；判断支撑区域曲率变化范围V，若V>1，则对支撑区域添加网状支撑结构，若V<1，则投影面积添加树状支撑结构；若平均高度值>20mm，则在支撑区域添加网状支撑结构；
计算支撑区域的长度或宽度，若支撑区域的长度或宽度>10mm或支撑区域的长宽比>5，则在支撑结构中再在长度或宽度方向上添加一列圆柱支撑结构。
进一步地，所述基于各支撑区域的属性值和表面精度，计算得到复合支撑结构，具体包括：
若支撑区域的支撑面积和投影面积均大于10mm2且小于100mm2，则判定该支撑区域为中型支撑区域；
计算支撑区域的高度平均值，若高度值小于20mm，则判定该支撑区域类型为小间隙中型支撑区域；判断支撑区域曲率变化范围V，若V>1，则对支撑区域添加面状支撑结构；若V<1，则对支撑区域添加环状支撑结构；若此支撑区域的长宽比>5，则在支撑结构中再在长度或宽度方向上添加一列圆柱支撑结构；
若支撑区域的高度值大于20mm，则判定该支撑区域类型为大间隙中型支撑区域；判断支撑区域曲率变化范围V，若V>1，则对该支撑区域添加面状网状复合支撑结构；若V<1，则对该支撑区域添加面状柱状状支撑结构。
进一步地，所述基于各支撑区域的属性值和表面精度，计算得到复合支撑结构，具体包括：
若支撑区域的支撑面积和投影面积均大于100mm2且小于300mm2，则判定该支撑区域为大型支撑区域；
计算支撑区域的高度平均值，若高度值小于20mm，则判定该支撑区域类型为小间隙大型支撑区域；判断支撑区域曲率变化范围V，若V>1，则对该支撑区域添加面状支撑结构加网状支撑结构；若V<1，则判定该支撑区域添加柱状支撑结构加面状支撑结构；
若高度值大于20mm，则判定该支撑区域类型为大间隙大型支撑区域；判断支撑区域曲率变化范围V，若V>1，则对该支撑区域添加密集面状支撑结构加网状支撑结构；若V<1，则对支撑区域添加柱状支撑结构加密集面状支撑结构。
进一步地，所述基于各支撑区域的属性值和表面精度，计算得到复合支撑结构，具体包括：
若支撑区域的支撑面积和投影面积均大于300mm2，则判定该支撑为超大型支撑区域；
计算支撑区域的高度平均值，若高度平均值小于20mm，则判定该支撑区域类型为小间隙超大型支撑区域；判断支撑区域曲率变化范围V，若V>1，则对该支撑区域添加面状支撑结构加网状支撑结构；若V<1，则对该支撑区域添加柱状支撑结构加面状支撑结构及网状支撑结构；
若高度值小于20mm，则判定该支撑区域类型为大间隙超大型支撑区域；判断支撑区域曲率变化范围V，若V>1，则对该支撑区域添加柱状支撑结构加密集网状支撑结构；若V<1，则对该支撑区域添加柱状支撑结构加面状支撑结构及实体支撑结构。
本发明还提供一种基于金属3D打印的复合支撑结构计算系统，包括：
数据组构成单元，用于遍历模型中的所有三角面片，并将满足预设策略的三角面片存储，以形成三角面片数据组；
支撑区域获取单元，用于基于所述三角面片数据组，将所有两两相邻的三角面片合并保存，以形成多个不相邻的支撑区域；
属性计算单元，用于计算各支撑区域的属性值，并设定各支撑区域的表面精度；
复合支撑结构获取单元，用于基于各支撑区域的属性值和表面精度，计算得到复合支撑结构。
本发明还提供一种智能终端，所述智能终端包括：数据采集装置、处理器和存储器；
所述数据采集装置用于采集数据；所述存储器用于存储一个或多个程序指令；所述处理器，用于执行一个或多个程序指令，用以执行如上所述的方法。
在上述任一具体实施方式中，本发明提出的基于金属3D打印的复合支撑结构构造方法和计算系统，通过遍历模型中的所有三角面片，并将满足预设策略的三角面片存储，以形成三角面片数据组；基于所述三角面片数据组，将所有两两相邻的三角面片合并保存，以形成多个不相邻的支撑区域；计算各支撑区域的属性值，并设定各支撑区域的表面精度；基于各支撑区域的属性值和表面精度，计算得到复合支撑结构。从而实现了零件模型的多种类型支撑结构的自动设计、自动规划和自动生成，充分发挥不同支撑结构的强度、刚度和塑形的优点，实现针对不同模型生成最优的支撑结构，以达到以最少的支撑重量实现最优的零件结构刚性同时也便于支撑结构的去除，提高打印后零件的表面精度和形位精度，解决了支撑结构不便于去除，支撑强度较差的技术问题。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明所提供的复合支撑结构构造方法一种具体实施方式的流程图；
图2为支撑区域合并流程图；
图3为复合支撑结构构造原理框图；
图4为支撑单元生成过程示意图；
图5为整体支撑结构生成结构图；
图6为支撑区域内部支撑点的示意图；
图7为图6所示支撑区域中支撑线端点的示意图；
图8a-图8d为案例1的示意图；
图9a和图9b为案例1的支撑结构参数列表；
图10a-图10d为案例2的示意图；
图11为案例2的支撑结构参数列表；
图12a-图12b为案例2的效果图；
图13a-13d为案例3的示意图；
图14a-14b为案例3的支撑结构效果图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明针对SLM 3D打印工艺之前模型需要添加支撑结构的工艺需求和计算需求，利用自动计算复合支撑结构构造方法，实现零件模型的多种类型支撑结构的自动设计、自动规划和自动生成，充分发挥不同支撑结构的强度、刚度和塑形的优点，实现针对不同模型生成最优的支撑结构，以达到以最少的支撑重量实现最优的零件结构刚性同时也便于支撑结构的去除，提高打印后零件的表面精度和形位精度的目的。
在一种具体实施方式中，为实现自动计算复合功能的支撑结构，需要根据每个区域自身特点和所有支撑区域的整体结构刚性进行统一设计和优化，具体为综合考虑支撑区域的面积、曲率变化范围、投影面积、表面精度、结构刚性等诸多因素进行自动计算，以实现轻量化和高刚度所最优的支撑结构。
具体地，本发明所提供的基于金属3D打印的复合支撑结构构造方法，如图 1所示，包括以下步骤：
S1：遍历模型中的所有三角面片，并将满足预设策略的三角面片存储，以形成三角面片数据组；具体地，遍历模型中的所有三角面片，判定三角面片与水平面夹角小于支撑识别角，则将该三角面片所对应的序号存储，并形成三角面片数据组。
S2：基于所述三角面片数据组，将所有两两相邻的三角面片合并保存，以形成多个不相邻的支撑区域；具体地，如图2所示，将模型中的目标三角面片判断完成后，将所述目标三角面片读入三角面片数据组；若所述目标三角面片与所述三角面片数据组中的任一三角面片相邻，则按照相邻原则，将所述目标三角面片和与其相邻的三角面片合并保存为单独的支撑区域；遍历模型中的所有三角面片，则将所有两两相邻的三角面片合并保存为多个不相邻的支撑区域，以使得合并后的支撑区域之间无相邻关系。
S3：计算各支撑区域的属性值，并设定各支撑区域的表面精度；具体地，计算各支撑区域的属性值包括，计算各所述支撑区域的面积、长度、宽度、曲率变化范围值和投影面积。所述设定各支撑区域的表面精度，具体包括设定各支撑区域的表面粗糙度和尺寸精度。
S4：基于各支撑区域的属性值和表面精度，计算得到复合支撑结构。
在步骤S4中，根据上述属性值和支撑表面要求进行复合支撑结构的计算，主要通过计算支撑结构类型、支撑去除强度、支撑表面精度值来进行综合计算，其具体方法为：
若支撑区域的支撑面积和投影面积均小于10mm2，则判定该支撑区域为斑点支撑；
计算支撑区域的高度平均值，若高度值小于20mm，则判定该支撑区域类型为小间隙斑点支撑；判断支撑区域曲率变化范围V，若V>1，则对支撑区域添加网状支撑结构，若V<1，则投影面积添加树状支撑结构；若平均高度值>20mm，则在支撑区域添加网状支撑结构；
计算支撑区域的长度或宽度，若支撑区域的长度或宽度>10mm或支撑区域的长宽比>5，则在支撑结构中再在长度或宽度方向上添加一列圆柱支撑结构。
也就是说，首先根据面积判断，若支撑面积小于10mm2，投影面积也小于 10mm2，则可认为该支撑为斑点支撑，然后在计算支撑区域的高度平均值，若高度值小于20mm(手工可去除的最小高度)，则该支撑区域类型为小间隙斑点支撑。然后再判断支撑区域曲率变化范围V，若V>1，则认为该区域为曲面区域，对此类型的区民支撑区域添加网状支撑结构以便于去除，若V<1则添加树状支撑结构以便于去除；若此支撑区域的长度或宽度>10mm，则认为该支撑为条形小间隙斑点支撑，则需要在支撑结构中再在长度或宽度方向上添加一列圆柱支撑结构，以增加其支撑强度；若平均高度值>20mm，则该支撑区域类型为大间隙斑点支撑，对此类型的支撑区域添加网状支撑结构，以提高支撑结构的整体刚性，同样的若此支撑区域的支撑区域的长宽比>5，则认为该支撑为条形大间隙斑点支撑，则需要在支撑结构中再在长度或宽度方向上添加一列圆柱支撑结构，以增加其支撑强度。
若支撑区域的支撑面积和投影面积均大于10mm2且小于100mm2，则判定该支撑区域为中型支撑区域；
计算支撑区域的高度平均值，若高度值小于20mm，则判定该支撑区域类型为小间隙中型支撑区域；判断支撑区域曲率变化范围V，若V>1，则对支撑区域添加面状支撑结构；若V<1，则对支撑区域添加环状支撑结构；若此支撑区域的长宽比>5，则在支撑结构中再在长度或宽度方向上添加一列圆柱支撑结构；
若支撑区域的高度值大于20mm，则判定该支撑区域类型为大间隙中型支撑区域；判断支撑区域曲率变化范围V，若V>1，则对该支撑区域添加面状网状复合支撑结构；若V<1，则对该支撑区域添加面状柱状状支撑结构。
也就是说，若面积S>10mm2，小于100mm2，投影面积100mm2>St>10mm 2，则可认为该支撑为中型支撑区域，然后在计算支撑区域的高度平均值，若高度值小于20mm(手工可去除的最小高度)，则该支撑区域类型为小间隙中型支撑区域。然后再判断支撑区域曲率变化范围V，若V>1，则认为该区域为曲面区域。对此类型的支撑区域添加面状支撑结构，以便于后续人工去除和减轻整体重量，若V<1，则认为该区域为平面区域，对此类型的支撑区域添加环状支撑结构以便于去除和减轻重量。若此支撑区域的长宽比>5，则认为该支撑为条形小间隙中型支撑区域，则需要在支撑结构中再在长度或宽度方向上添加一列圆柱支撑结构，以增加其支撑强度。若高度值大于20mm(手工可去除的最小高度)，则该支撑区域类型为大间隙中型支撑区域。然后再判断支撑区域曲率变化范围V，若V>1，则认为该区域为曲面区域。对此类型的支撑区域添加面状网状复合支撑结构，以便于后续人工去除和减轻整体重量，若V<1，则认为该区域为平面区域，对此类型的支撑区域添加面状柱状状支撑结构以便于去除和减轻重量。
若支撑区域的支撑面积和投影面积均大于100mm2且小于300mm2，则判定该支撑区域为大型支撑区域；
计算支撑区域的高度平均值，若高度值小于20mm，则判定该支撑区域类型为小间隙大型支撑区域；判断支撑区域曲率变化范围V，若V>1，则对该支撑区域添加面状支撑结构加网状支撑结构；若V<1，则判定该支撑区域添加柱状支撑结构加面状支撑结构；
若高度值大于20mm，则判定该支撑区域类型为大间隙大型支撑区域；判断支撑区域曲率变化范围V，若V>1，则对该支撑区域添加密集面状支撑结构加网状支撑结构；若V<1，则对支撑区域添加柱状支撑结构加密集面状支撑结构。
也就是说，若面积S>100mm2，小于300mm2，投影面积300mm2>St>100mm 2，则可认为该支撑为大型支撑区域，然后在计算支撑区域的高度平均值，若高度值小于20mm(手工可去除的最小高度)，则该支撑区域类型为小间隙大型支撑区域。然后再判断支撑区域曲率变化范围V，若V>1，则认为该区域为曲面区域。对此类型的支撑区域添加面状支撑结构加网状支撑结构，以便于后续人工去除和减轻整体重量，若V<1，则认为该区域为平面区域，对此类型的支撑区域添加柱状支撑结构加面状支撑结构，以便于去除和减轻重量。若高度值大于20mm(手工可去除的最小高度)，则该支撑区域类型为大间隙大型支撑区域。然后再判断支撑区域曲率变化范围V，若V>1，则认为该区域为曲面区域。对此类型的支撑区域添加密集面状支撑结构加网状支撑结构，以便于后续人工去除和减轻整体重量，若V<1，则认为该区域为平面区域，对此类型的支撑区域添加柱状支撑结构加密集面状支撑结构，以便于去除和减轻重量。
若支撑区域的支撑面积和投影面积均大于300mm2，则判定该支撑为超大型支撑区域；
计算支撑区域的高度平均值，若高度平均值小于20mm，则判定该支撑区域类型为小间隙超大型支撑区域；判断支撑区域曲率变化范围V，若V>1，则对该支撑区域添加面状支撑结构加网状支撑结构；若V<1，则对该支撑区域添加柱状支撑结构加面状支撑结构及网状支撑结构；
若高度值小于20mm，则判定该支撑区域类型为大间隙超大型支撑区域；判断支撑区域曲率变化范围V，若V>1，则对该支撑区域添加柱状支撑结构加密集网状支撑结构；若V<1，则对该支撑区域添加柱状支撑结构加面状支撑结构及实体支撑结构。
也就是说，若面积S>300mm2，投影面积St>300mm2，则可认为该支撑为超大型支撑区域，然后在计算支撑区域的高度平均值，若高度值小于20mm(手工可去除的最小高度)，则该支撑区域类型为小间隙超大型支撑区域。然后再判断支撑区域曲率变化范围V，若V>1，则认为该区域为曲面区域。对此类型的支撑区域添加面状支撑结构加网状支撑结构，以便于后续人工去除和减轻整体重量，若V<1，则认为该区域为平面区域，对此类型的支撑区域添加柱状支撑结构加面状支撑结构及网状支撑结构，以便于去除和减轻重量。若高度值小于20mm(手工可去除的最小高度)，则该支撑区域类型为大间隙超大型支撑区域。然后再判断支撑区域曲率变化范围V，若V>1，则认为该区域为曲面区域。对此类型的支撑区域添加柱状支撑结构加密集网状支撑结构，以便于后续人工去除和减轻整体重量，若V<1，则认为该区域为平面区域，对此类型的支撑区域添加柱状支撑结构加面状支撑结构及实体支撑结构，以便于去除和减轻重量。
最后计算整体支撑结构重量，再根据表面精度要求进行支撑结构的重量调整。以上判定步骤的方法可通过图3所示的流程图来表达。
进一步地，在复合支撑结构计算时，对于每个类型的支撑结构，其单元结构计算方法如下：在利用计算方法计算支撑射线与三角面片后得出待支撑直线段，然后根据支撑结构类型生成壁状或网状支撑单元，最后由一系列的支撑单元形成整体支撑结构。其支撑单元生成步骤如图4所示，其中，a点c点为线段1的两端点，b点d点为线段2的两端点，f点二维坐标为a(c)在xy平面上的投影，f点的z值根据倾斜线从c点开始向上依次累加一个支撑线高度，e点同理，f点和d点连成一线段构成一条倾斜支撑线，e点和c点构成另一条倾斜支撑线。依相同方法求出线段1和线段2之间的所有倾斜支撑线，直到倾斜支撑线超出a点。而基底支撑即根据c、d两点构成一个垂直于底座的平面多边形，并且多边形中间凹下去。多边形的底边位于底座平面上。两条侧边的高度称为锯齿高，线段1、2之间的间隔成为锯齿宽。基底支撑，垂线支撑，斜拉线支撑三种支撑方式构成支撑单元。在支撑单元形成之后，由于快速成形工艺要求支撑单元与实体零件以锯齿状接触，需计算锯齿高度、锯齿宽度和锯齿间隔。当计算完成后，连接相邻支撑单元形成整体支撑结构，如图5所示。
下面对上述方法涉及的结构及计算公式定义进行说明：
1、STL模型三角面片Δi，STL文件模型是由三角面片集合所构成的一个曲面零件，其三角面片两两相邻，并公用一个领接边；STL文件模型即为这些三角面片的集合∑Δi；三角面片由三个顶点和一个法矢量所构成，法矢量即为垂直于三角面片的方向矢量。
2、支撑识别角θ，支撑识别角是判别模型中三角面片是否符合作为支撑区域的判定条件，当三角面片与模型所在三维空间的XY平面夹角小于识别角θ时，即可认为该三角面片为待添加支撑三角面片。
3、待添加支撑三角面片Δs，待添加支撑三角面片是根据上一步识别角所判断处理需要添加支撑的三角面片，一般为零件的下表面所包含的三角面片。
4、支撑区域Rs，支撑区域是指模型中需要添加支撑结构的表面区域，是由互相相邻的待添加支撑三角面片进行合并后的连续的区域，这个区域可认为是部分待添加三角面片的集合，一个STL模型可能有多个支撑区域，每个支撑区域可单独添加支撑结构。支撑区域一般为空间曲面，也有支撑区域为一个完整的平面。支撑区域一般为零件模型的下表面。
5、支撑结构Cs，支撑结构是指针对上述支撑区域进行额外设计或计算出来的一种或多种三维结构，该结构在空间上与上述支撑区域进行连接或嵌套，同时支撑结构也与零件加工基板连接或其他区域进行连接，在打印时随着模型加工高度的增加支撑结构一并打印出来，其目的为利用这些辅助的支撑结构以支撑住零件的某些部位或区域，抵消零件变形应力，防止零件打印过程中变形、坍塌、移位等严重问题，在加工完成后需去除这些支撑结构。
6、支撑区域的曲率变化范围值V，曲率变化率表示该支撑区域内包含的所有三角面片的法矢量的变化范围值，其计算方式为相邻三角面片法矢量的矢量差的模的和；用公式表示为
7、支撑区域的空间面积SR和投影面积Sp：空间面积为支撑区域所有三角面片的面积和，投影面积为支撑区域向二维平面的投影面积和。
8、支撑区域的投影区域PR：投影区域表示支撑区域向某个平面进行投影所形成的二维区域。
9、支撑区域的表面精度要求Rf：表示支撑区域的表面精度数值。
10、支撑区域平均高度H，表示支撑区域距离与其投影区域的高度平均值，若支撑区域下方没有实体结构则其投影区域为基板区域，若支撑区域下方还有该模型的其他实体结构，则其投影区域为该实体的部分区域，然后通过计算支撑区域内每个三角面片与其投影三角面片的高度差，再将高度值计算其平均值即可。
11、支撑区域分布点计算：支撑区域分布点为支撑区域内需要计算支撑线的分布点，以此分布点进行支撑线的计算，才能得到每个支撑结构的类型。如图6所示，对支撑区域内部区域进行填充，分别沿x和y以一定步长进行扫描填充，并且产生相应的支撑布点射线。快速成形工艺支撑是将所提取出的支撑环/线延伸至加工平台(基平面x-y)，若其间被实体表面相交，则在交点处截断，并取z向最大交点为其下端点，而不必将支撑的端点延伸至加工平台，从而适应对夹层区域的支撑生成；支撑的上端点为支撑环中对应点的z值。同时，在支撑区域内部也必须选择适当的步距对其添加支撑。图6中所有线的交叉点即为支撑分布点。
12、基础支撑线计算，支撑线为支撑区域内如图7所示的简化模型，设支撑环中某一点A，以A为支撑射线起点，沿-z向作射线，与实体求交，得交点B 与C，由于B点可以以实体面作为支撑平台，故取最大交点B为支撑线的另一端点，得支撑线AB。
为了便于理解，下面通过具体案例进行进一步说明。
基于以上理论，在VC++平台上开发了支撑自动生成程序。为了验证支撑生成的效率和支撑结构的合理性，选取几种典型模型进行支撑生成并导入到 SLM3D打印系统上进行加工。并从模型的三角面片个数、支撑生成后的区域个数、优化前和优化后的计算速度等方面进行实验和验证。
案例1为如图8a-8d所示的火龙模型，模型尺寸为：106×82×100mm，三角面片数目为89424个。在制作方向上，火龙的嘴部特征较为复杂，内部孔隙、孔洞较多，支撑结构难以去除。其他部位为平面结构，支撑结构易于去除，因此制造方向为火龙的站立方向绕X轴旋转45度，尾部向下，背部向下，面部向前来进行加工。实验中，支撑生成参数为：线支撑的最大倾斜角度为45度，块支撑的倾斜角度为60度，待支撑区域最小面积为10mm，最小长度为3mm，最小宽度为3mm，生成后支撑区域的个数是124个。该模型是多支撑区域小面积类型的典型零件。
从图9a和图9b中可以看出针对火龙模型，共识别分离出124个单独的支撑区域，并根据不同的区域特性添加了不同的支撑结构，比如图8a中火龙尾部特征添加了面状支撑和柱状支撑，上颚部分添加了面状支撑，脚部部位添加了环装支撑，该支撑结构都是通过上述方法进行自动计算和复合形成了最优化的支撑结构。
案例2为叶轮模型，如图10a-10d所示，模型尺寸为：90×90×20mm，三角面片数目为19898个。在制作方向上，由于叶片结构为曲面特征，支撑结构为非平面区域难于直接人工去除。下部部位为平面结构，支撑结构易于去除。需要根据不同支撑区域的面积、长宽比、曲率变化率进行综合计算得出最佳支撑结构。计算中，支撑生成参数为：线支撑的最大倾斜角度为45度，块支撑的倾斜角度为60度，待支撑区域最小面积为10mm，最小长度为3mm，最小宽度为3mm，生成后支撑区域的个数是88个。该模型是多支撑区域小面积类型的典型零件。
从图11可以看出针对涡轮叶片模型，共识别分离出17个单独的支撑区域，并根据不同的区域特性添加了不同的支撑结构，比如图10中底部平面特征添加了面状支撑和柱状支撑，图11中识别出的每个叶片的单独支撑区域部分添加了面状支撑，图12a和图12b中识别出的4个叶片下部添加了实体支撑以保证零件在加工过程中的抵抗形变和内应力的影响。综合来看该支撑结构都是通过上述方法进行自动计算和复合形成了最优化的支撑结构。
案例3为如图13a-13d所示的测试功能件，模型尺寸为：45×45×10mm，三角面片数目为1200个。在制作方向上，由于测试功能件需要保证底平面粗糙度和平面度，因此将模型按大平面向上，小平面在下的方式进行摆放加工。因此支撑结构为平面区域，但是下部平面基本都为小平面，难以直接人工去除，需要根据不同支撑区域的面积、长宽比、曲率变化率进行综合计算得出最佳支撑结构。计算中，支撑生成参数为：线支撑的最大倾斜角度为45度，块支撑的倾斜角度为60度，待支撑区域最小面积为10mm，最小长度为3mm，最小宽度为3mm，生成后支撑区域的个数是88个。该模型是多支撑区域小面积类型的典型零件。
从图14a-14b中可以看出针对测试零件模型，共识别分离出12个单独的支撑区域，并根据不同的区域特性添加了不同的支撑结构，比如图13a中底部平面特征添加了面状支撑，图13a-13d中识别出的每个单独支撑区域部分添加了面状支撑，图14a-14b中识别出的8个单独腕部下部添加了圆柱支撑以保证零件在加工过程中的抵抗形变和内应力的影响，另外图14a-14b中也可看出根据支撑区域长宽比较大的区域添加了一列柱状支撑以增加结构强度，并且有局部区域的柱状支撑圆柱半径进行了增加处理以增加结构强度。综合来看该支撑结构都是通过上述方法进行自动计算和复合形成了最优化的支撑结构。
除了上述方法，本发明还提供一种基于金属3D打印的复合支撑结构计算系统，包括：
数据组构成单元，用于遍历模型中的所有三角面片，并将满足预设策略的三角面片存储，以形成三角面片数据组；
支撑区域获取单元，用于基于所述三角面片数据组，将所有两两相邻的三角面片合并保存，以形成多个不相邻的支撑区域；
属性计算单元，用于计算各支撑区域的属性值，并设定各支撑区域的表面精度；
复合支撑结构获取单元，用于基于各支撑区域的属性值和表面精度，计算得到复合支撑结构。
本发明还提供一种智能终端，所述智能终端包括：数据采集装置、处理器和存储器；
所述数据采集装置用于采集数据；所述存储器用于存储一个或多个程序指令；所述处理器，用于执行一个或多个程序指令，用以执行如上所述的方法。
在上述任一具体实施方式中，本发明提出的基于金属3D打印的复合支撑结构构造方法和计算系统，通过遍历模型中的所有三角面片，并将满足预设策略的三角面片存储，以形成三角面片数据组；基于所述三角面片数据组，将所有两两相邻的三角面片合并保存，以形成多个不相邻的支撑区域；计算各支撑区域的属性值，并设定各支撑区域的表面精度；基于各支撑区域的属性值和表面精度，计算得到复合支撑结构。从而实现了零件模型的多种类型支撑结构的自动设计、自动规划和自动生成，充分发挥不同支撑结构的强度、刚度和塑形的优点，实现针对不同模型生成最优的支撑结构，以达到以最少的支撑重量实现最优的零件结构刚性同时也便于支撑结构的去除，提高打印后零件的表面精度和形位精度，解决了支撑结构不便于去除，支撑强度较差的技术问题。
应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。
为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于金属3D打印的复合支撑结构构造方法，其特征在于，包括：
遍历模型中的所有三角面片，并将满足预设策略的三角面片存储，以形成三角面片数据组；
基于所述三角面片数据组，将所有两两相邻的三角面片合并保存，以形成多个不相邻的支撑区域；
计算各支撑区域的属性值，并设定各支撑区域的表面精度；
基于各支撑区域的属性值和表面精度，计算得到复合支撑结构；
所述基于各支撑区域的属性值和表面精度，计算得到复合支撑结构，具体包括：
若支撑区域的支撑面积和投影面积均小于10mm2，则判定该支撑区域为斑点支撑；
计算支撑区域的高度平均值，若高度值小于20mm，则判定该支撑区域类型为小间隙斑点支撑；判断支撑区域曲率变化范围V，若V>1，则对支撑区域添加网状支撑结构，若V<1，则投影面积添加树状支撑结构；若平均高度值>20mm，则在支撑区域添加网状支撑结构；
计算支撑区域的长度或宽度，若支撑区域的长度或宽度>10mm或支撑区域的长宽比>5，则在支撑结构中再在长度或宽度方向上添加一列圆柱支撑结构。
2.根据权利要求1所述的复合支撑结构构造方法，其特征在于，所述遍历模型中的所有三角面片，并将满足预设策略的三角面片存储，以形成三角面片数据组，具体包括：
遍历模型中的所有三角面片，判定三角面片与水平面夹角小于支撑识别角，则将该三角面片所对应的序号存储，并形成三角面片数据组。
3.根据权利要求2所述的复合支撑结构构造方法，其特征在于，所述基于所述三角面片数据组，将所有两两相邻的三角面片合并保存，以形成多个不相邻的支撑区域，具体包括：
将模型中的目标三角面片判断完成后，将所述目标三角面片读入三角面片数据组；
若所述目标三角面片与所述三角面片数据组中的任一三角面片相邻，则按照相邻原则，将所述目标三角面片和与其相邻的三角面片合并保存为单独的支撑区域；
遍历模型中的所有三角面片，则将所有两两相邻的三角面片合并保存为多个不相邻的支撑区域。
4.根据权利要求3所述的复合支撑结构构造方法，其特征在于，所述计算各支撑区域的属性值，具体包括：
计算各所述支撑区域的面积、长度、宽度、曲率变化范围值和投影面积；
所述设定各支撑区域的表面精度，具体包括：
设定各支撑区域的表面粗糙度和尺寸精度。
5.根据权利要求1所述的复合支撑结构构造方法，其特征在于，所述基于各支撑区域的属性值和表面精度，计算得到复合支撑结构，具体包括：
若支撑区域的支撑面积和投影面积均大于10mm2且小于100mm2，则判定该支撑区域为中型支撑区域；
计算支撑区域的高度平均值，若高度值小于20mm，则判定该支撑区域类型为小间隙中型支撑区域；判断支撑区域曲率变化范围V，若V>1，则对支撑区域添加面状支撑结构；若V<1，则对支撑区域添加环状支撑结构；若此支撑区域的长宽比>5，则在支撑结构中再在长度或宽度方向上添加一列圆柱支撑结构；
若支撑区域的高度值大于20mm，则判定该支撑区域类型为大间隙中型支撑区域；判断支撑区域曲率变化范围V，若V>1，则对该支撑区域添加面状网状复合支撑结构；若V<1，则对该支撑区域添加面状柱状状支撑结构。
6.根据权利要求1所述的复合支撑结构构造方法，其特征在于，所述基于各支撑区域的属性值和表面精度，计算得到复合支撑结构，具体包括：
若支撑区域的支撑面积和投影面积均大于100mm2且小于300mm2，则判定该支撑区域为大型支撑区域；
计算支撑区域的高度平均值，若高度值小于20mm，则判定该支撑区域类型为小间隙大型支撑区域；判断支撑区域曲率变化范围V，若V>1，则对该支撑区域添加面状支撑结构加网状支撑结构；若V<1，则判定该支撑区域添加柱状支撑结构加面状支撑结构；
若高度值大于20mm，则判定该支撑区域类型为大间隙大型支撑区域；判断支撑区域曲率变化范围V，若V>1，则对该支撑区域添加密集面状支撑结构加网状支撑结构；若V<1，则对支撑区域添加柱状支撑结构加密集面状支撑结构。
7.根据权利要求1所述的复合支撑结构构造方法，其特征在于，所述基于各支撑区域的属性值和表面精度，计算得到复合支撑结构，具体包括：
若支撑区域的支撑面积和投影面积均大于300mm2，则判定该支撑为超大型支撑区域；
计算支撑区域的高度平均值，若高度平均值小于20mm，则判定该支撑区域类型为小间隙超大型支撑区域；判断支撑区域曲率变化范围V，若V>1，则对该支撑区域添加面状支撑结构加网状支撑结构；若V<1，则对该支撑区域添加柱状支撑结构加面状支撑结构及网状支撑结构；
若高度值小于20mm，则判定该支撑区域类型为大间隙超大型支撑区域；判断支撑区域曲率变化范围V，若V>1，则对该支撑区域添加柱状支撑结构加密集网状支撑结构；若V<1，则对该支撑区域添加柱状支撑结构加面状支撑结构及实体支撑结构。
8.一种基于金属3D打印的复合支撑结构计算系统，用于实施如权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，包括：
数据组构成单元，用于遍历模型中的所有三角面片，并将满足预设策略的三角面片存储，以形成三角面片数据组；
支撑区域获取单元，用于基于所述三角面片数据组，将所有两两相邻的三角面片合并保存，以形成多个不相邻的支撑区域；
属性计算单元，用于计算各支撑区域的属性值，并设定各支撑区域的表面精度；
复合支撑结构获取单元，用于基于各支撑区域的属性值和表面精度，计算得到复合支撑结构。
9.一种智能终端，其特征在于，所述智能终端包括：数据采集装置、处理器和存储器；
所述数据采集装置用于采集数据；所述存储器用于存储一个或多个程序指令；所述处理器，用于执行一个或多个程序指令，用以执行如权利要求1-7任一项所述的方法。
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