CN115415548B - 一种用于金属3d打印成形的支撑包元结构 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于金属3D打印成形的支撑包元结构，涉及3D打印技术领域，包括具有高度的支撑体，所述支撑体的中部镂空以形成薄壁框体结构。本申请采用具有一定高度的框架式支撑体结构，支撑体沿高度方向居中镂空设计，从而形成边框实支撑，边框内虚支撑，可以提高支撑设计强度，又便于支撑去除和粉末的清理，改善支撑接触成形表面的成形精细度，提高零件的成形效率和质量。

Description

一种用于金属3D打印成形的支撑包元结构

技术领域

本申请涉及3D打印技术领域，具体涉及一种用于金属3D打印成形的支撑包元结构。

背景技术

目前,增材制造技术已成为先进制造技术的一个重要发展方向，特别是以激光选区熔化技术、电子束选区熔化技术为代表3D打印技术已成为一个重要技术方向分支。

选区激光熔化是一种能直接成型高致密、高精度金属零件的快速成型技术，特别适合复杂结构零件的制造过程。激光选区熔化技术制造过程为：供粉仓中的平台按设定的层厚的粉量上升一定高度,铺粉刮刀水平移动将金属粉末均匀地铺设在成形仓的基板上，激光在振镜控制下对需要熔化的区域按照切片好的扫描路径进行扫描熔化粉末；然后基板下降一个层厚,重复上层的加工过程,如此往复,金属零件一层层地被加工完成。

虽然激光选区熔化技术原理上可以成型任意复杂形状的金属零件,但不能完美地成型所有的几何特征，主要包括薄板、尖角、悬垂面等典型结构，在应对悬垂面结构上，通常采用添加支撑方式使零件成形，添加支撑主要作用是支撑悬空表面和热传导作用，保证在加工过程顺利进行。

传统的支撑结构具有块状支撑、体积支撑、锥支撑等多样性支撑结构，在参数设计时需要合理布局支撑结构，才能避免支撑强度过强或过弱。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种用于金属3D打印成形的支撑包元结构，旨在解决现有技术中传统的支撑结构设计易造成产品打印质量差的问题。

本申请采用的技术方案如下：

一种用于金属3D打印成形的支撑包元结构，包括具有高度的支撑体，所述支撑体的中部镂空以形成薄壁框体结构。

可选的，所述支撑体包括多根支撑柱以及设置于相邻支撑柱之间的连接片合围而成，其中，所述支撑柱由金属粉末逐层烧结而成，所述连接片由金属粉末按每间隔1-3层烧结一次的规律形成沿纵向具有交替腔槽的片状结构。

可选的，所述支撑柱环绕所述支撑体等间距布置。

可选的，所述支撑柱为直径为0.1mm—1mm的圆柱体，所述连接片厚度为100um—300um。

可选的，靠近于所述支撑体上端或上下两端的外侧壁处设置有环绕所述支撑体一圈的收腰部，所述收腰部由所述支撑体的外壁一侧向所述支撑体的内壁一侧凹陷，以便于折断所述支撑体。

可选的，所述收腰部呈V字型。

可选的，当所述支撑体上下两端均设置有所述收腰部时，所述支撑体上下两端的所述收腰部关于所述支撑体中心对称。

可选的，所述收腰部与所述支撑体的相邻侧端面之间的距离为2-3倍扫描层厚。

可选的，所述支撑体的横截面为三角形、四边形、圆形或多边形。

可选的，所述支撑体可相互拼接形成复合式支撑包元结构。

与现有技术相比，本申请的有益效果是：

本申请实施例提出的一种用于金属3D打印成形的支撑包元结构，采用具有一定高度的框架式支撑体结构，支撑体沿高度方向居中镂空设计，从而形成边框实支撑，边框内虚支撑，满足支撑强度需求的同时，与传统的全实体块状支撑、体积支撑、锥支撑相比，本申请的支撑包元结构在成型时，与零件表面只是存在部分相接，去掉本申请支撑包元结构后，零件表面与支撑包元结构相接处的断面瑕疵明显低于传统的全实体支撑与零件表面相接处的断面瑕疵，故零件的成型质量更高。

附图说明

图1为本申请实施例提供的用于金属3D打印成形的支撑包元结构的某一结构示意图；

图2为本申请实施例提供的用于金属3D打印成形的支撑包元结构的又一结构截面图；

图3为本申请实施例提供的用于金属3D打印成形的支撑包元结构的再一结构截面图；

图4为本申请实施例提供的用于金属3D打印成形的支撑包元结构在组合状态下的某一结构截面图；

图5为本申请实施例提供的用于金属3D打印成形的支撑包元结构在组合状态下的又一结构截面图；

图6为本申请实施例提供的用于金属3D打印成形的支撑包元结构在组合状态下的再一结构截面图；

图7为本申请实施例提供的用于金属3D打印成形的支撑包元结构在使用时的结构示意图；

图8为图7中A处放大图；

附图中标号说明：

100-支撑体，101-支撑柱，102-连接片，200-腔槽，300-收腰部。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明，本申请实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，若本申请实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

实施例

激光选区熔化技术在采用添加支撑方式打印零件成型的过程中，传统的支撑主要以全实体的块状支撑、体积支撑、锥支撑为主，这种全实体的支撑结构在零件打印成型后往往会出现以下情况：实体支撑下零件成型后，再去除支撑后，零件表面粗糙度大、质量差，后期打磨抛光工作量大，可见，支撑的设计质量已经影响到零件的成形过程、成型面的表面质量和后续加工的简易性，研究支撑的工艺结构设计，对零件的成形过程的质量的提升，扩宽金属3D打印的应用范围具有很大的意义。

参照附图1至图6所示，本申请实施例提供了一种用于金属3D打印成形的支撑包元结构，包括支撑体100，支撑体100的中部呈贯穿式的镂空设计，这样整个支撑体100形成薄壁框体结构。

在本实施例中，支撑体100具有一定的纵向高度，该纵向高度需要根据被打印零件的实际情况进行确定。在某些情况下，纵向高度可以根据被打印零件的两个相邻突显截面之间的竖直高度决定，比如打印一块工字钢，则支撑体100的纵向高度即为工字钢的上梁底面与下梁顶面之间的垂直距离。当然，在其他一些情况下，若相邻两个突显截面中，位于上层的突显截面明显突出于下层突显截面，导致下层突显截面无法对应上层突显截面多出的部分安装支撑体100，那么此时支撑体100的纵向高度可以是基面或者可以实施支撑的某一下层突显截面与上层突显截面之间的垂直距离，比如，打印一块T字钢，则此时支撑体100的纵向高度为基面与T字钢上梁下表面之间的垂直高度。

可以预见的，本申请实施例提供的用于金属3D打印成形的支撑包元结构，在实施支撑打印时，由于支撑体100沿高度方向居中镂空设计为薄壁框架结构，从而支撑体100在支撑过程中，形成边框实支撑，边框内虚支撑，虚实结合的支撑体系，在满足支撑强度需求的前提下，与传统的全实体块状支撑、体积支撑、锥支撑相比，可以想象的，全实体的传统支撑结构，在零件打印成型后，零件表面与全实体支撑结构相接处是完全实体接连，再拆除全实体支撑后，零件表面与全实体支撑结构相接的整个断面会有瑕疵，且全实体支撑结构拆除也不方便，而采用本申请实施例提供的支撑包元结构后，支撑体100与零件表面只是存在部分相接，去掉本申请的支撑包元结构后，零件表面与支撑包元结构相接处的断面瑕疵明显低于传统的全实体支撑与零件表面相接处的断面瑕疵，故零件的成型质量更高，并且支撑体100与零件表面使部分相接，拆卸也更加方便。作为一种解释，文中所谓虚支撑是指：支撑体的边框内部中空，支撑体成型于零件表面后，支撑体的边框内部对应的零件表面实际上依靠的是边框进行支撑，并没有直接收到物体实面接触支撑，所以称为虚支撑。

在一种实施例中，参见图1至图6所示，支撑体100具有多种形状结构，以便于根据零件形状以及实际的打印需求选取支撑体100的形状，可以想象的，支撑体100的横截面可以是三角形、四边形、圆形以及多边形，从而针对相应形状的突显截面可以选取对应形状的支撑体100实施支撑。

当然，在本实施例中，支撑体100可以以多个分散的支撑体100结构对突显截面进行支撑，支撑体100之间的间距可以由工艺人员自行设计，同时，也可以将相同形状的多个支撑体100进行组合，形成复合式支撑包元结构，例如可以将多个三角形状的支撑体100拼接成棱形、六边形等样式的复合式支撑包元结构，还可以将多个四边形状的支撑体100以阵列的方式进行拼接，当然，也可以将多个圆形的支撑体100以阵列的方式进行拼接。需要强调的是，具体拼接方式不作限制，实际进行支撑体100的工艺设计时，需根据被打印零件的形状添加支撑体100。

在一种实施例中，为了保证支撑体100的热传导以及便于后期清除未熔化的金属粉末，参见图1至图6所示，支撑体100包括支撑柱101以及连接片102，连接片102设置于相邻支撑柱101之间，通过支撑柱101与连接片102合围而形成框架结构的支撑体100，便于热传导，方便散热，防止热聚集。可以想象的，支撑柱101根据支撑体100的具体形状设计根数，比如，三角形状的支撑体100则具有三根支撑柱101，且三根支撑柱101位于三角形的三个角点处，可以理解的，四边形或多边形状的支撑体100，则具有相应根数的支撑柱101，同样的支撑柱101也位于四边形或多边形的各个角点处，而对于圆形一类的支撑体100，至少需要四个支撑柱101，一般情况下可以在四个象限坐标轴端点位置处分别设置一个支撑柱101，当然在特殊情况下，也可以沿圆形外周均匀分布四根以上的支撑柱101，保证支撑强度。然后将连接片102设置于相邻支撑柱101之间，从而合围成一个框架结构的支撑体100。从而支撑体100在满足支撑强度要求的同时，框架结构也利于热传导。

为了便于后期清除金属粉末，在设计支撑柱101以及连接片102的打印工艺时，需要满足如下条件：支撑柱101由金属粉末逐层烧结而成，连接片102由金属粉末按每间隔1-3层烧结一次的规律形成沿纵向具有交替腔槽200的片状结构。不难想象的，支撑柱101逐层烧结，从而形成实体结构，满足支撑强度的要求，同时，连接片102通过隔层烧结或隔两层烧结，在连接片102上形成若干腔槽200，在打印支撑体100的过程中，激光在振镜控制下对需要熔化的区域按照切片好的扫描路径进行扫描熔化粉末，打印出框架结构的支撑体100，后期打印完成后，位于支撑体100内部的未熔化金属粉末便可以通过腔槽200流出，从而便于清除这些金属粉末，同时形成的腔槽200也能辅助散热。

在一种实施例中，为了保证打印时，支撑体100能够均匀散热，参见图1至图6所示，支撑柱101环绕支撑体100等间距布置，因此，支撑体100最好以正三角形、正方形、正多边形以及圆形结构，这样支撑柱101起到有效均匀散热，避免支撑体100出现热聚集而导致支撑体100出现翘曲等质量问题。

在一种实施例中，为了避免支撑体100对零件表面形成过大的相接面，通常的，支撑柱101为直径为0.1mm—1mm的圆柱体，连接片102厚度为100um—300um。

在一种实施例中，为了能够方便零件打印完成后，拆除支撑体100，参见图7和图8所示，支撑体100上设置有收腰部300，收腰部300可以根据情况，既可以将收腰部300设置于支撑体100的上端，也可以将收腰部300设置于支撑体100的上下两端，并且收腰部300环绕支撑体100的外侧壁一周设置。收腰部300为收腰部300由支撑体100的外壁一侧向支撑体100的内壁一侧凹陷，形成环形的凹槽状结构，从而使得支撑体100在收腰部300处截面积更小。参见图8所示，在打印零件时，收腰部300以上的支撑体100部分与零件一体打印成型，零件的底部恰好与收腰部300齐平，从而可以想象的，在零件打印完成后，需要拆除支撑体100时，由于收腰部300相比于支撑体100的其他任何部位的截面积都小，使得支撑体100在收腰部300位置处更易被折断，从而便于拆除支撑体100。

当然，可以理解的，收腰部300既可以单独设计在支撑体100靠近于上端端部的外侧壁，也可以是设计于支撑体100靠近于上端端部和下端端部的外侧壁，具体视情况而定，比如：又以打印工字钢为例，由于工字钢的上下两端具有上横梁和下横梁，故为了利于上横梁和下横梁的表面质量，则选择在支撑体100的上下两端均设置收腰部300。而打印T字钢时，由于只有上横梁，支撑体100的底部可以支撑在基面上，故可以只在支撑体100的上端部一侧设置收腰部300即可。

在一种实施例中，可以想象的，收腰部300呈V字型，最有利于折断，因为V字型结构的最前端截面最小，从而折断更为容易，拆除支撑体100更加方便。

在一种实施例中，收腰部300与支撑体100的相邻侧端面之间的距离为2-3倍扫描层厚，此设计的好处在于：既能保证支撑体100与零件表面之间一体成型，同时又不会影响零件主体的打印质量。

当然，本申请实施例也提高了一种基于所述用于金属3D打印成形的支撑包元结构完成零件3D打印的方法，包括步骤有：

按预设打印层厚，利用切片软件对目标零件对应的零件模型进行分层切片，以获得零件模型对应的多层切片；

基于多层切片，获取相邻的上层切片与下层切片在坐标轴中X方向上的尺寸变化量dx以及Y方向上的尺寸变化量dy；

判断dx和dy是都大于零；

基于上述步骤的判断结果，若dx和dy都大于零，则添加支撑打印，在3D打印软件中，布局支撑体，并预设打印参数；

基于预设打印参数按预设的扫描路径进行扫描，完成零件打印；

其中，预设的扫描路径为：零件主体逐层扫描烧结，支撑柱逐层扫描烧结，连接片每间隔1-3层扫描烧结一次。

具体来说：

按预设打印层厚，利用切片软件对目标零件对应的零件模型进行分层切片，以获得所述零件模型对应的多层切片，其具体实现内容包括：

调整零件模型的摆放位置，零件摆放要求应避免在打印过程中出现逆刮刀现象；

将调整好的零件模型导入切片软件，并设置切片软件参数（如打印层厚），通过切片软件对零件模型完成分层切片。

可以理解的，切片的层厚参数与切片数量呈反比关系，分层越薄，层数越多，模型成型效果越好，对应的打印耗时越长，故对预设厚度的选取需尽量满足成型效果好和打印耗时低的优点。

在一种实施例中，关于步骤：基于分层后的所述切片，获取相邻的上层所述切片与下层所述切片在X、Y方向上的尺寸变化量dx和dy，其具体实现方式为：

利用切片软件标注每层切片在每一个角点处对应的X、Y方向的坐标值；

将上层切片的所述坐标值减去相邻的下层切片的所述坐标值，获得所述的尺寸变化量dx和dy；

可以想象的，上层切片与下层切片在X、Y方向上的尺寸变化量dx和dy是作为判断突显截面的重要依据，基于dx和dy才能确定相邻上层切片是否凸出相邻下层切片，并根据dx和dy的具体数值获得突显截面凸出长度。显然，若dx和dy是都大于零，则说明上层切片在下层切片所在面的投影具有凸出于下层切片的部分，故出现了突显截面，此时，应添加支撑打印。当然，相反的，若dx和dy都小于零，则说明不需要支撑打印，零件主体按逐层打印的方式进行打印。

此外，打印参数包括扫描层厚、扫描间距、扫描速度以及输入激光能量密度等，扫描路径由工艺人员根据产品形状设计获得，在布局支撑体时，相邻支撑体之间的间距由工艺人员根据具体产品的突显截面设计。

综上所述，本申请实施例提供的用于金属3D打印成形的支撑包元结构，具有如下优势：

第一：由于支撑体沿高度方向居中镂空设计为薄壁框架结构，从而支撑体在支撑过程中，形成边框实支撑，边框内虚支撑，虚实结合的支撑体系，在满足支撑强度需求的前提下，与传统的全实体块状支撑、体积支撑、锥支撑相比，可以想象的，全实体的传统支撑结构，在零件打印成型后，零件表面与全实体支撑结构相接处是完全实体接连，再拆除全实体支撑后，零件表面与全实体支撑结构相接的整个断面会有瑕疵，且全实体支撑结构拆除也不方便，而采用本申请实施例提供的支撑包元结构后，支撑体与零件表面只是存在部分相接，去掉本申请的支撑包元结构后，零件表面与支撑包元结构相接处的断面瑕疵明显低于传统的全实体支撑与零件表面相接处的断面瑕疵，故零件的成型质量更高，并且支撑体与零件表面使部分相接，拆卸也更加方便。

第二：支撑柱由金属粉末逐层烧结形成实体结构，满足支撑强度的要求，连接片由金属粉末按每间隔1-3层烧结一次的规律形成沿纵向具有交替腔槽的片状结构，在打印支撑体的过程中，激光在振镜控制下对需要熔化的区域按照切片好的扫描路径进行扫描熔化粉末，打印出框架结构的支撑体，后期打印完成后，位于支撑体内部的未熔化金属粉末便可以通过腔槽流出，从而便于清除这些金属粉末，同时形成的腔槽也能辅助散热。

第三：由于在支撑体上设置收腰部，收腰部截面积小于支撑体的其他任意部位，在打印零件时，收腰部以上的支撑体部分与零件一体打印成型，零件的底部恰好与收腰部齐平，从而可以想象的，在零件打印完成后，需要拆除支撑体时，由于收腰部相比于支撑体的其他任何部位的截面积都小，使得支撑体在收腰部位置处更易被折断，从而便于拆除支撑体。

第四：采用本申请实施例提供支撑包元结构打印出的零件，成型效果佳，零件下表面没有出现翘曲瑕疵，能够极好的完成零件的支撑打印。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于金属3D打印成形的支撑包元结构，其特征在于，包括具有高度的支撑体(100)，所述支撑体(100)的中部镂空以形成薄壁框体结构；

所述支撑体(100)包括多根支撑柱(101)以及设置于相邻支撑柱(101)之间的连接片(102)合围而成，其中，所述支撑柱(101)由金属粉末逐层烧结而成，所述连接片(102)由金属粉末按每间隔1-3层烧结一次的规律形成沿纵向具有交替腔槽(200)的片状结构；

所述支撑柱(101)环绕所述支撑体(100)等间距布置；所述支撑柱(101)为直径为0.1mm—1mm的圆柱体，所述连接片(102)厚度为100um—300um；靠近于所述支撑体(100)上端或上下两端的外侧壁处设置有环绕所述支撑体(100)一圈的收腰部(300)，所述收腰部(300)由所述支撑体(100)的外壁一侧向所述支撑体(100)的内壁一侧凹陷，以便于折断所述支撑体(100)。

2.根据权利要求1所述的用于金属3D打印成形的支撑包元结构，其特征在于，所述收腰部(300)呈V字型。

3.根据权利要求1所述的用于金属3D打印成形的支撑包元结构，其特征在于，当所述支撑体(100)上下两端均设置有所述收腰部(300)时，所述支撑体(100)上下两端的所述收腰部(300)关于所述支撑体(100)中心对称。

4.根据权利要求1所述的用于金属3D打印成形的支撑包元结构，其特征在于，所述收腰部(300)与所述支撑体(100)的相邻侧端面之间的距离为2-3倍扫描层厚。

5.根据权利要求1所述的用于金属3D打印成形的支撑包元结构，其特征在于，所述支撑体(100)的横截面为三角形、四边形、圆形或多边形。

6.根据权利要求1所述的用于金属3D打印成形的支撑包元结构，其特征在于，所述支撑体(100)可相互拼接形成复合式支撑包元结构。

Images