CN213645862U - 一种高强铝合金激光增材制造支撑结构 - Google Patents

Abstract

一种高强铝合金激光增材制造支撑结构，该结构包括底座、过渡段、支撑区三部分，底座生长在激光增材制造设备的基板上，底座的上表面与过渡段的下表面相连接，过渡段的上表面与支撑区的下表面相连接，支撑区的上表面用来支撑零件的悬空区域。支撑结构由基础单元构成，基础单元由4‑8个圆杆构成。过渡段和支撑区的外表面可以设置0.1‑1mm的蒙皮，用于提高支撑的强度。该支撑结构能够实现零件成形平面的热平衡，降低高强铝合金成形过程中热变形的概率，基础单元具有成形效率高，支撑能力强、热稳定性高的特点，同时便于后续粉末的清除，提高了高强铝合金激光增材制造的成形效率。

Description

一种高强铝合金激光增材制造支撑结构

技术领域

本实用新型涉及高强铝合金结构激光增材制造过程中的支撑设计方法，该方法突破了空间航天器复杂结构激光选区熔化的稳定制造技术，能够实现复杂高强铝合金结构的稳定高效成形。

背景技术

在本技术实用新型之前，高强铝合金结构激光选区熔化成形过程中，经常因为支撑设计问题导致零件成形失败。高强铝合金成形过程热应力大，相比其他铝合金粉末成形时，热平衡不均引起成形零件变形的概率更大，废品率更高。本方法实用新型之前，复杂高强度铝合金结构激光增材制造支撑设计采用各区域自由设计，由于各区域支撑结构不同、数量不均等问题导致区域温差大，因热应力不均引起零件变形，无法保证结构正常成形。原有支撑设计方法的缺点有：

(1)各区域支撑结构不同，激光扫描路径各异，导致成形效率低，各区域支撑数量不同引起成形过程区域温差大，较大的热应力梯度易于导致零件变形，废品率高；

(2)各区域支撑分散，支撑自身强度有限，尤其是高度大，面积小的区域支撑，因为自身结构较弱，无法保证成形，即便成形成功，所具备的支撑能力也很弱；

(3)支撑结构不同，导致数据量大，对电脑处理能力要求高，导致成本上升，同时增大了设备读取数据的时间，制造效率低。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种可靠性高的高强铝合金激光增材制造支撑设计的方法，解决高强铝合金结构激光选区熔化成形时因支撑强度不足引起变形开裂的问题，满足高强铝合金激光选区熔化稳定成形需求。

本实用新型的技术方案是：一种高强铝合金激光增材制造支撑结构，包括底座、过渡段、支撑区三部分；底座的上表面与过渡段的下表面相连接，过渡段的上表面与支撑区的下表面相连接，支撑区的上表面用来支撑零件的悬空区域；激光增材制造时，伴随零件逐层成形，依次生成底座、过渡段、支撑区，支撑区对零件的悬空区域进行支撑。

所述底座、过渡段、支撑区都是由基础单元构成。

所述基础单元包括绕竖直方向均布的4-8个圆杆。

过渡段和支撑区的外表面设置0.1-1mm的蒙皮。

所述圆杆直径为2-6mm，圆杆与水平面夹角为40°～50°。

所述的底座由基础单元构成，底座为整体结构，其形状与零件单层成形面互补，形成规则形状的激光扫描区域。

所述圆杆直径为激光光斑直径的整数倍，杆件直径依据底座、过渡段、支撑区三部分的体积大小而定，体积大的部分设置大直径的圆杆，体积小的部分设置小直径的圆杆，同一切片层的杆件直径大小相同。

所述的蒙皮为0.1-1mm厚的带平行四边形孔的薄壁结构，平行四边形锐角为30°，且锐角中心线平行于竖直方向。

本实用新型与现有技术相比的优点在于：

(1)现有技术为了减少成形时间，通常采用局部支撑的方式，各支撑相对独立。本实用新型提出以整体支撑优化设计为主，以局部特征性支撑为辅，能够最大限度的优化支撑结构，提高支撑自身成形效率及支撑能力，能够满足大温度和应力梯度环境下，薄壁弱刚性结构的激光选区熔化成形问题，制件合格率在90％以上。

(2)现有支撑大多为点、线、面为基础的各种形状的实体结构。本实用新型的支撑结构是由一定数量基础单元构成的镂空结构，该基础单元依据激光选区熔化成形极限设计，具备在一定的立体空间内以最小的实体支撑最大的区域的能力，具有成形效率高，支撑能力强、热稳定性高的优点。

(3)现有的支撑设计方法主要针对普通铝合金粉末激光选区熔化成形，成形过程中激光扫描形成的热应力梯度对其影响不大。高强铝合金成形的热应力较大，容易造成成形失败，本实用新型涉及的高强铝合金激光选区熔化成形过程的稳定性，对成形质量具有重要影响，能够解决制件拉伸强度高于500MPa时，粉末在成形过程中产生的较大的温度和应力梯度造成弱刚性结构在全尺寸范围内产生翘曲、变形甚至开裂等问题。

附图说明

图1为整体支撑外观结构示意图。

图2为支撑单元结构示意图。

图3为蒙皮结构示意图。

图4为零件支撑过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细描述：

本实用新型的设计过程为：

步骤1：整体支撑方案设计

根据零件结构特点，确定零件摆放角度，使得零件悬垂区域尽量小。在基板上合理设计支撑区域，依靠支撑的底座部分对零件在基板上的空置区域进行补充，使得零件单层成形时的温度场环境均匀，不会因为局部过热引起零件已成形部分的变形。

如图1所示，根据零件需要支撑区域的位置，规划整体支撑各分枝走向，控制分枝与基板的倾斜角度范围，保证支撑结构成形的可靠性及结构强度。

步骤2：支撑单元填充

支撑单元结构如图2所示，以圆柱形杆件为基础结构，圆杆直径为激光光斑直径的整数倍，依据填充区域体积的大小而设定。

利用支撑单元对整体支撑结构进行填充，除在支撑与基板连接区域设置蒙皮，其它区域根据情况设置蒙皮，蒙皮结构如图3所示。在最小的蒙皮数量的情况下，保证整体支撑的结构强度。

步骤3：局部特征支撑优化

根据具体支撑位置的特点，在整体支撑与零件连接区域设置点状、线状或面状支撑，保证支撑对零件悬空区域的全覆盖。

具体设计结果如下：

一种高强铝合金激光增材制造支撑结构，包括底座、过渡段、支撑区三部分；底座的上表面与过渡段的下表面相连接，过渡段的上表面与支撑区的下表面相连接，支撑区的上表面用来支撑零件的悬空区域；激光增材制造时，伴随零件逐层成形，依次生成底座、过渡段、支撑区，支撑区对零件的悬空区域进行支撑。

所述底座、过渡段、支撑区都是由基础单元构成。

所述基础单元包括绕竖直方向均布的4-8个圆杆。

过渡段和支撑区的外表面设置0.1-1mm的蒙皮。

所述圆杆直径为2-6mm，圆杆与水平面夹角为40°～50°。

所述的底座由基础单元构成，底座为整体结构，其形状与零件单层成形面互补，形成规则形状的激光扫描区域。

所述圆杆直径为激光光斑直径的整数倍，杆件直径依据底座、过渡段、支撑区三部分的体积大小而定，体积大的部分设置大直径的圆杆，体积小的部分设置小直径的圆杆，同一切片层的杆件直径大小相同。

所述的蒙皮为0.1-1mm厚的带平行四边形孔的薄壁结构，平行四边形锐角为30°，且锐角中心线平行于竖直方向。

本实用新型说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知技术。

Claims (8)

1.一种高强铝合金激光增材制造支撑结构，其特征在于：包括底座、过渡段、支撑区三部分；底座的上表面与过渡段的下表面相连接，过渡段的上表面与支撑区的下表面相连接，支撑区的上表面用来支撑零件的悬空区域；激光增材制造时，伴随零件逐层成形，依次生成底座、过渡段、支撑区，支撑区对零件的悬空区域进行支撑。

2.根据权利要求1所述的一种高强铝合金激光增材制造支撑结构，其特征在于：所述底座、过渡段、支撑区都是由基础单元构成。

3.根据权利要求2所述的一种高强铝合金激光增材制造支撑结构，其特征在于：所述基础单元包括绕竖直方向均布的4-8个圆杆。

4.根据权利要求1所述的一种高强铝合金激光增材制造支撑结构，其特征在于：过渡段和支撑区的外表面设置0.1-1mm的蒙皮。

5.根据权利要求3所述的一种高强铝合金激光增材制造支撑结构，其特征在于：所述圆杆直径为2-6mm，圆杆与水平面夹角为40°～50°。

6.根据权利要求1所述的一种高强铝合金激光增材制造支撑结构，其特征在于：所述的底座由基础单元构成，底座为整体结构，其形状与零件单层成形面互补，形成规则形状的激光扫描区域。

7.根据权利要求5所述的一种高强铝合金激光增材制造支撑结构，其特征在于：所述圆杆直径为激光光斑直径的整数倍，杆件直径依据底座、过渡段、支撑区三部分的体积大小而定，体积大的部分设置大直径的圆杆，体积小的部分设置小直径的圆杆，同一切片层的杆件直径大小相同。

8.根据权利要求4所述的一种高强铝合金激光增材制造支撑结构，其特征在于：所述的蒙皮为0.1-1mm厚的带平行四边形孔的薄壁结构，平行四边形锐角为30°，且锐角中心线平行于竖直方向。

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