CN116809964A - 一种slm用大高度悬垂特征支撑结构及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种SLM用大高度悬垂特征支撑结构及设计方法，属于金属增材制造技术领域，包括零件和用于支撑零件的支撑结构，所述支撑结构包括：顶部支撑，所述顶部支撑上端连接零件，顶部支撑下端连接中部平台；中部平台，所述中部平台为平台区域，用于分割和连接顶部支撑与底部支撑；底部支撑，所述底部支撑上端连接中部平台，底部支撑下端连接零件的下凸台，下凸台的下表面连接基板；本发明能够快速、有效的解决选区激光熔化过程中大高度悬垂特征支撑结构设计难的问题，在降低后处理难度的同时还可有效抑制悬垂部位成形中的翘曲变形，可极大缩短制造周期，提高产品加工质量，从而助推增材制造技术的发展。

Description

一种SLM用大高度悬垂特征支撑结构及设计方法

技术领域

本发明属于金属增材制造技术领域，特别涉及一种SLM用大高度悬垂特征支撑结构及设计方法。

背景技术

选区激光熔化(Selective Laser Melting，简称SLM)是近年快速发展起来的一种新型材料成形工艺，非常适合小批量复杂零部件及难熔金属加工，具有成形精度高、机械性能稳定、加工周期短、冶金结合性能优良等特点，其制造过程中，通过预置铺粉、逐层制造、堆积成形进行增材式立体加工的数字化制造。它突破了现有加工技术对零件形状的限制，能够实现设计-制造-功能的一体化，在航空航天、生物医疗、汽车制造、工业模具等领域都有广阔的应用前景。

在SLM成型过程中，虽然有粉末床的支撑和约束，但是由于成形过程中的温度梯度大、冷却速率快、已成形层与金属粉末之间的巨大导热性能差异，工件悬垂部分在成型方向上的残余应力不能及时释放，随着累积程度的增多易产生变形，影响工件尺寸精度，甚至中止打印。尤其是在大高度悬垂特征部分，其支撑在到达一定高度后极易受刮刀横向扰动的作用导致支撑变形甚至毁坏，且传递到基板的热量愈发有限。

因此对于大高度悬垂特征需要针对性地设计一种支撑结构，在保证支撑强度的同时还需要减少支撑去除工作量。

发明内容

针对上述问题，本发明设计了一种减少支撑去除工作量，能有效提高成型质量的用于SLM成型的大高度悬垂特征支撑结构设计方法。

本发明为克服现有技术存在的问题，提供如下技术方案：

一种SLM用大高度悬垂特征支撑结构，包括零件和用于支撑零件的支撑结构，所述零件包括内轴、上凸台和下凸台，上凸台和下凸台设置在内轴上，在上凸台和下凸台之间、内轴之外的悬空空间为悬垂特征，所述支撑结构包括：

顶部支撑，所述顶部支撑上端连接零件的上凸台下表面，顶部支撑下端连接中部平台；

中部平台，所述中部平台为平台区域，用于分割和连接顶部支撑与底部支撑；

底部支撑，所述底部支撑上端连接中部平台，底部支撑下端连接零件的下凸台上表面，下凸台的下表面连接基板；

其中，所述顶部支撑与零件的上凸台或中部平台的接触面为齿形结构，所述底部支撑与零件的下凸台或中部平台的接触面为齿形结构，下凸台与基板接触部分接触面为平面，所述顶部支撑、底部支撑的上下两接触面都是齿形结构，中部平台的上下两接触面都是平面，所述顶部支撑、底部支撑上设有若干个孔洞。

进一步地，所述上凸台和下凸台之间、内轴之外的悬空空间为悬垂特征，大高度悬垂特征是指悬垂高度大于90mm的悬垂特征，悬垂特征的悬垂部位长度大于2mm。

进一步地，所述齿形结构的齿顶宽S1为：0.1-0.5mm，齿顶高S3：0.5-2mm，齿间距S2：0.2-1.5mm。

进一步地，所述孔洞处形成的镂空梁宽度S4：0.5-1mm。

进一步地，所述中部平台为圆形或矩形，所述中部平台与内轴的形状一致，所述中部平台中间设有开孔，零件的内轴与中部平台的开孔配合，中部平台开孔内壁与内轴的接触面设置为锯齿。

进一步地，所述中部平台的厚度为0.1-0.5mm，锯齿宽度为0.1-1mm，锯齿距离为5-10mm。

进一步地，所述支撑结构为薄片状，支撑结构截面构成“田”字形，支撑结构的薄片状堆叠形成顶部支撑、底部支撑。

进一步地，所述中部平台在零件竖直方向上设置为1-3个，根据悬垂特征的悬空部位的悬垂高度确定。

一种SLM用大高度悬垂特征支撑结构的设计方法，包括如下步骤：

创建平台结构：将零件模型导入三维设计软件，在上凸台和下凸台中间位置创建圆环中部平台，并将圆环中部平台上设置打断，平台若为封闭圆环状应在其中间设置2-4处打断以方便去除，圆环中部平台开孔内壁设置锯齿以方便去除，最后将圆环与零件模型进行布尔求和，并以.stl的格式导出；

设置用于连接悬垂特征及中部平台的顶部支撑：将模型文件导入软件，进行竖直摆放，零件的下凸台底部直接接触基板，以悬垂特征下表面为支撑添加区域自动生成块状支撑，整体支撑结构截面呈“田”字形；

设置用于连接中部平台和下凸台的底部支撑：以中部平台下表面为支撑添加区域自动生成块状支撑，底部支撑与中部平台的接触面为齿形结构，底部支撑与零件接触面也为齿形结构，参数与上齿相同。

进一步地，所述圆环中部平台上设置两处打断将圆环中部平台二等分，每个打断间隙为0.2mm。

进一步地，所述顶部支撑与上凸台、中部平台的接触面设置为齿形结构。

本发明的有益效果：本发明操作简单、可行性强且具有较强的可复制性，能够快速、有效的解决选区激光熔化过程中大高度悬垂特征支撑结构设计难的问题，在降低后处理难度的同时还可有效抑制悬垂部位成形中的翘曲变形。该方法的应用可极大缩短制造周期，提高产品加工质量，从而助推增材制造技术的发展，因此具有良好的市场前景。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例的轴承座套零件简易模型的结构示意图；

图2示出了本发明实施例的圆环平台及齿形的结构示意图；

图3示出了本发明实施例的SLM用大高度悬垂特征支撑结构的整体示意图；

图4示出了本发明实施例的SLM用大高度悬垂特征支撑结构的截面示意图；

图5示出了本发明实施例的支撑添加示意图。

图中

1-零件、11-下凸台、12-悬垂特征、13-上凸台、14-内轴、2-支撑结构、21-顶部支撑、22-中部平台、23-底部支撑、24-齿形结构、25-孔洞、26-锯齿；

S1-齿顶宽、S2-齿间距、S3-齿顶高、S4-镂空梁宽度。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。

下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

如图5，SLM用大高度悬垂特征支撑结构，包括零件1和用于支撑零件1的支撑结构2，所述零件1包括内轴14、上凸台13和下凸台11，上凸台13和下凸台11设置在内轴14上，在上凸台13和下凸台11之间、内轴14之外的悬空空间为悬垂特征12，所述支撑结构2包括：

顶部支撑21，所述顶部支撑21上端连接零件1的上凸台13下表面，顶部支撑21下端连接中部平台22；中部平台22，所述中部平台22为平台区域，用于分割和连接顶部支撑21与底部支撑23；底部支撑23，所述底部支撑23上端连接中部平台22，底部支撑23下端连接零件1的下凸台11上表面，下凸台11的下表面连接基板；

其中，所述顶部支撑21与零件1的上凸台13或中部平台22的接触面为齿形结构24，所述底部支撑23与零件1的下凸台11或中部平台22的接触面为齿形结构24，下凸台11与基板接触部分接触面为平面，所述顶部支撑21、底部支撑23的上下两接触面都是齿形结构24，中部平台22的上下两接触面都是平面，所述顶部支撑21、底部支撑23上设有若干个孔洞25。

如图4，支撑结构2的薄片状堆叠形成顶部支撑21、底部支撑23。支撑结构2在SLM加工过程中与零件一起成型且为薄片状。

所述齿形结构24的齿顶宽S1为：0.1-0.5mm，齿顶高S3：0.5-2mm，齿间距S2：0.2-1.5mm。

所述孔洞25处形成的镂空梁宽度S4：0.5-1mm。

所述中部平台22为圆形或矩形，所述中部平台22与内轴14的形状一致，所述中部平台22中间设有开孔，零件1的内轴14与中部平台22的开孔配合，中部平台22开孔内壁与零件1的内轴14接触面设置为锯齿26。而且中部平台22不直接与零件1接触，而是为了降低后处理难度，把中部平台22与零件1接触部位设置成锯齿状，中部平台22若为封闭圆环状还应在其中间设置2-4处打断以方便去除。

所述中部平台22的厚度为0.1-0.5mm，锯齿26宽度为0.1-1mm，锯齿距离为5-10mm。

所述上凸台13和下凸台11之间、内轴14之外的悬空空间为悬垂特征12，大高度悬垂特征12是指悬垂高度大于90mm的悬垂特征12，悬垂特征12的悬垂部位长度大于2mm。

所述中部平台22在零件1竖直方向上设置为1-3个，根据悬垂特征12的悬空部位的悬垂高度确定。若悬垂特征高度过大且设置3段以上平台结构时，则会降低支撑结构整体稳定性，使加工失败风险增加。

支撑及平台部位技术参数应根据不同金属材料在SLM成型过程中的强塑性及残余应力累积情况适当调整。

一种SLM用大高度悬垂特征支撑结构的设计方法，包括如下步骤：

创建平台结构：将零件1模型导入三维设计软件，在上凸台13和下凸台11中间位置创建圆环中部平台22，并将圆环中部平台22上设置打断，平台若为封闭圆环状应在其中间设置2-4处打断以方便去除，圆环中部平台22开孔内壁设置锯齿26以方便去除，最后将圆环与零件1模型进行布尔求和，并以.stl的格式导出；

设置用于连接悬垂特征12及中部平台22的顶部支撑21：将模型文件导入软件，进行竖直摆放，零件1的下凸台11底部直接接触基板，以悬垂特征12下表面为支撑添加区域自动生成块状支撑，整体支撑结构2截面呈“田”字形；

设置用于连接中部平台22和下凸台11的底部支撑23：以中部平台22下表面为支撑添加区域自动生成块状支撑，底部支撑23与中部平台22的接触面为齿形结构，底部支撑23与零件1接触面也为齿形结构，参数与上齿相同。

所述圆环中部平台22上设置两处打断将圆环中部平台22二等分，每个打断间隙为0.2mm。

所述顶部支撑21与上凸台13、中部平台22的接触面设置为齿形结构24。

在本实施例中：

如图1，所用示例零件1为某型号轴承座套简易模型，材料为TC4合金，其上下两个圆形凸台之间的距离为140mm、凸台悬垂长度为10mm，符合大高度悬垂特征的特点，且悬垂特征长度大于2mm时必须添加支撑，支撑长度大于90mm时也极易因刮刀横向扰动导致毁坏，因此轴承座套的悬垂特征支撑设计过程如下：

如图2，创建平台结构：将轴承座套模型导入UG 12.0三维设计软件，在上下两个圆形凸台中间约70mm位置创建一个圆环平台A，圆环中部平台22与竖直方向上零件1侧面的距离为1mm，圆环宽度理论上应当与凸台宽度相同，但由于圆环中部平台22与竖直方向上零件侧面有一个距离差，故圆环宽度设置为9mm，并将圆环中部平台22二等分，每个打断间隙为0.2mm。另外，在圆环中部平台22内侧设置长、宽均为1mm的单个矩形齿，厚度0.2mm，并且在圆周方向上每隔10°设置一个齿，最后将圆环中部平台22与轴承座套进行布尔求和，并以.stl的格式导出。

设置用于连接悬垂特征12及中部平台22的顶部支撑21：将模型文件导入Magics21.0软件，并以图1形式进行竖直摆放，零件1底部直接接触基板，以悬垂特征12下表面为支撑添加区域自动生成块状支撑，其支撑参数为：齿顶宽0.4mm，齿顶高1mm，齿间距0.5mm，镂空孔洞部位梁的宽度为0.8mm，为了增加连接强度，与平台接触的支撑底部不添加齿，同时，为了避免支撑沿圆环与零件侧壁的缝隙生长，需将支撑进行0.01°的缩放。

如图3，设置用于连接中部平台22和零件1的底部支撑23：以中部平台22下表面为支撑添加区域自动生成块状支撑，其支撑参数为：齿顶宽0.5mm，齿顶高1mm，齿间距0.5mm，镂空孔洞部位梁的宽度为0.8mm，为了去除方便，与零件1接触部位也为齿状，其参数与上齿相同。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种SLM用大高度悬垂特征支撑结构，包括零件（1）和用于支撑零件（1）的支撑结构（2），其特征在于：所述零件（1）包括内轴（14）、上凸台（13）和下凸台（11），上凸台（13）和下凸台（11）设置在内轴（14）上，在上凸台（13）和下凸台（11）之间、内轴（14）之外的悬空空间为悬垂特征（12），所述支撑结构（2）包括：

顶部支撑（21），所述顶部支撑（21）上端连接零件（1）的上凸台（13）下表面，顶部支撑（21）下端连接中部平台（22）；

中部平台（22），所述中部平台（22）为平台区域，用于分割和连接顶部支撑（21）与底部支撑（23）；

底部支撑（23），所述底部支撑（23）上端连接中部平台（22），底部支撑（23）下端连接零件（1）的下凸台（11）上表面，下凸台（11）的下表面连接基板；

其中，所述顶部支撑（21）与零件（1）的上凸台（13）或中部平台（22）的接触面为齿形结构（24），所述底部支撑（23）与零件（1）的下凸台（11）或中部平台（22）的接触面为齿形结构（24），下凸台（11）与基板接触部分接触面为平面，所述顶部支撑（21）、底部支撑（23）的上下两接触面都是齿形结构（24），中部平台（22）的上下两接触面都是平面，所述顶部支撑（21）、底部支撑（23）上设有若干个孔洞（25）。

2.如权利要求1所述的SLM用大高度悬垂特征支撑结构，其特征在于：所述上凸台（13）和下凸台（11）之间、内轴（14）之外的悬空空间为悬垂特征（12），大高度悬垂特征（12）是指悬垂高度大于90mm的悬垂特征（12），悬垂特征（12）的悬垂部位长度大于2mm。

3.如权利要求1所述的SLM用大高度悬垂特征支撑结构，其特征在于：所述齿形结构（24）的齿顶宽S1为：0.1-0.5mm，齿顶高S3：0.5-2mm，齿间距S2：0.2-1.5mm。

4.如权利要求1所述的SLM用大高度悬垂特征支撑结构，其特征在于：所述孔洞（25）处形成的镂空梁宽度S4：0.5-1mm。

5.如权利要求1所述的SLM用大高度悬垂特征支撑结构，其特征在于：所述中部平台（22）为圆形或矩形，所述中部平台（22）与内轴（14）的形状一致，所述中部平台（22）中间设有开孔，零件（1）的内轴（14）与中部平台（22）的开孔配合，中部平台（22）开孔内壁与内轴（14）的接触面设置为锯齿（26）。

6.如权利要求5所述的SLM用大高度悬垂特征支撑结构，其特征在于：所述中部平台（22）的厚度为0.1-0.5mm，锯齿（26）宽度为0.1-1mm，锯齿距离为5-10mm。

7.如权利要求1所述的SLM用大高度悬垂特征支撑结构，其特征在于：所述支撑结构（2）为薄片状，支撑结构（2）截面构成“田”字形，支撑结构（2）的薄片状堆叠形成顶部支撑（21）、底部支撑（23）。

8.如权利要求1所述的SLM用大高度悬垂特征支撑结构，其特征在于：所述中部平台（22）在零件（1）竖直方向上设置为1-3个，根据悬垂特征（12）的悬空部位的悬垂高度确定。

9.一种SLM用大高度悬垂特征支撑结构的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

创建平台结构：将零件（1）模型导入三维设计软件，在上凸台（13）和下凸台（11）中间位置创建圆环中部平台（22），并将圆环中部平台（22）上设置打断，平台若为封闭圆环状应在其中间设置2-4处打断以方便去除，圆环中部平台（22）开孔内壁设置锯齿（26）以方便去除，最后将圆环与零件（1）模型进行布尔求和，并以.stl的格式导出；

设置用于连接悬垂特征（12）及中部平台（22）的顶部支撑（21）：将模型文件导入软件，进行竖直摆放，零件（1）的下凸台（11）底部直接接触基板，以悬垂特征（12）下表面为支撑添加区域自动生成块状支撑，整体支撑结构（2）截面呈“田”字形；

设置用于连接中部平台（22）和下凸台（11）的底部支撑（23）：以中部平台（22）下表面为支撑添加区域自动生成块状支撑，底部支撑（23）与中部平台（22）的接触面为齿形结构，底部支撑（23）与零件（1）接触面也为齿形结构，参数与上齿相同。

10.如权利要求9所述的SLM用大高度悬垂特征支撑结构的设计方法，其特征在于：所述圆环中部平台（22）上设置两处打断将圆环中部平台（22）二等分，每个打断间隙为0.2mm。

11.如权利要求9所述的SLM用大高度悬垂特征支撑结构的设计方法，其特征在于：所述顶部支撑（21）与上凸台（13）、中部平台（22）的接触面设置为齿形结构（24）。