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CN106475561B - 一种适用于倾斜悬垂薄壁结构的辅助支撑结构 - Google Patents

一种适用于倾斜悬垂薄壁结构的辅助支撑结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种适用于倾斜悬垂薄壁结构的辅助支撑结构，该结构用于激光选区熔化增材制造过程中，将倾斜悬垂薄壁结构支撑在基板上，具体适用于倾角大于45度、与基板间存在一定距离且厚度小于3.5mm的倾斜悬垂薄壁结构；本发明在悬垂端和成形基板间采用网格支撑，在悬垂薄壁结构背面采用薄片式实体支撑，且网格支撑与实体支撑固连形成整体；可避免悬垂部位出现翘曲变形及层间错位等缺陷，且网格支撑部分不会出现“拉裂”及“蹭断”进而引发悬垂部位“塌陷”等问题；支撑去除难度及工作量、生产周期及成本等较整体实体支撑均大幅减少或降低。

Description

一种适用于倾斜悬垂薄壁结构的辅助支撑结构
技术领域
本发明涉及激光选区熔化增材制造技术领域，特别涉及一种适用于倾斜悬垂薄壁结构的辅助支撑结构，该结构应用于激光选区熔化增材制造时，对具有倾斜悬垂薄壁结构的零件进行辅助支撑。
背景技术
激光选区熔化增材制造技术，基于合金粉末逐层熔化成形制造复杂零件，在钛合金、高温合金等难加工金属复杂型腔、型面、薄壁、变截面零件整体制造方面具有独特优势。
目前，激光选区熔化增材制造零件辅助支撑主要设计为整体实体类或整体网格类结构形式。整体实体类结构形式的辅助支撑残余应力较大，成形及支撑去除等后处理过程中易于引起层间拉裂或悬垂部位变形等问题，且成形废重多、成形周期长，后续支撑去除工作量大。整体网格类结构形式的辅助支撑残余应力较小，支撑易于去除、去除工作量小，但由于温度梯度、冷却速率等较实体零件存在较大差异，各部位收缩不一致，容易引起壁厚小于3.5mm较薄厚度网格支撑拉裂，影响型面成形精度，甚至可导致成形过程无法继续进行等严重问题。
因此，针对壁厚小于3.5mm且与水平面夹角大于45°的倾斜悬垂面，采用现有技术无法避免成形过程中悬垂面出现翘曲变形和成形层层间错位等缺陷，而且不能有效控制应力分布而保证型面成形精度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种适用于倾斜悬垂薄壁结构的辅助支撑结构，该结构针对壁厚小于3.5mm且与水平面夹角大于45°的倾斜悬垂薄壁结构特点，采用实体支撑与网格支撑固连结合的整体式支撑结构，提供足够的强度和刚度，既可以抑制倾斜悬垂薄壁结构出现翘曲变形和成形层层间错位等缺陷，又可避免整体网格支撑和整体实体支撑造成的加工量大及型面精度无法保证等问题。
本发明的上述目的通过以下方案实现：
一种适用于倾斜悬垂薄壁结构的辅助支撑结构，用于在倾斜悬垂薄壁结构与基板间形成支撑，所述倾斜悬垂薄壁结构与基板间的倾角大于45度，其下端面与基板间存在一定距离且厚度小于3.5mm；该辅助支撑结构包括网格支撑部分和实体支撑部分，其中：所述网格支撑部分的上端面支撑在倾斜悬垂薄壁结构下端面上，所述网格支撑部分的下端面支撑在成形基板上，即在倾斜悬垂薄壁结构的悬垂端与基板间形成支撑；所述实体支撑部分的上端支撑在倾斜悬垂薄壁结构背面，下端支撑在成形基板上；所述网格支撑部分和实体支撑部分固连。
上述的适用于倾斜悬垂薄壁结构的辅助支撑结构，实体支撑部分包括两个实体支撑薄片，分别在倾斜悬垂薄壁结构背面的左右两端形成支撑；其中，所述实体支撑薄片的厚度B1为1mm～3mm；且每个所述实体支撑薄片在成形基板上的形成的支撑边长度L1为5mm～20mm。
上述的适用于倾斜悬垂薄壁结构的辅助支撑结构，实体支撑部分包括三个实体支撑薄片，分别在倾斜悬垂薄壁结构背面的左右两端和中部形成支撑；其中，所述实体支撑薄片的厚度B1为1mm～3mm；且每个所述实体支撑薄片在成形基板上的形成的支撑边长度L1为5mm～20mm。
上述的适用于倾斜悬垂薄壁结构的辅助支撑结构，网格支撑部分包括N个网格辅助支撑柱，所述网格辅助支撑柱为空心网格构成的柱体，且所述柱体的横截面为正方形或长方形；所述柱体的上端面支撑在倾斜悬垂薄壁结构下端面上，且所述柱体的下端面支撑在成形基板上；N为正整数。
上述的适用于倾斜悬垂薄壁结构的辅助支撑结构，每个网格辅助支撑柱与成形基板的接触面为正方形或长方形，且所述正方形或长方形的边长为 5mm～15mm；相邻网格辅助支撑柱之间的间距为0.5mm～2.5mm。
上述的适用于倾斜悬垂薄壁结构的辅助支撑结构，网格辅助支撑柱由两类空心网格构成，其中：第一类空心网格为立方体或长方体网格，第二类网格为梯形网格，即所述梯形网格的横截面为正方形且纵截面为梯形；其中，与倾斜悬垂薄壁结构下端面接触的空心网格为第二类网格。
上述的适用于倾斜悬垂薄壁结构的辅助支撑结构，第一类空心网格的边长为0.5mm～5mm；第二类空心网格的纵截面为梯形，所述梯形的上底d1为 0.3mm～2.5mm、下底d2为0.5mm～5mm、高度h为0.5mm～5mm。
上述的适用于倾斜悬垂薄壁结构的辅助支撑结构，网格辅助支撑柱与倾斜悬垂薄壁结构下端面的接触面上的梯形网格呈离散分布状态，且各相邻梯形网格的间距Δd为0.2～2mm。
上述的适用于倾斜悬垂薄壁结构的辅助支撑结构，在空心网格中，沿X轴、 Y轴方向分布的网格线与设定的铺粉方向夹角为45°或135°；其中X轴、Y 轴所在平面与基板平面平行。
上述的适用于倾斜悬垂薄壁结构的辅助支撑结构，网格支撑部分的上端嵌入在倾斜悬垂薄壁结构的下端面内；网格支撑部分的下端嵌入在成形基板内；网格支撑部分上端和下端的嵌入深度均为0.04mm～0.2mm。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)、本发明在倾斜悬垂薄壁背面采用薄片式实体支撑，可以避免厚度小于3.5mm的较薄网格支撑部分由于强度和刚度不够发生“拉裂”及“蹭断”等，进而避免悬垂薄壁结构下端悬垂部分的左右两端发生翘曲变形等缺陷，而且不会引入较大的残余应力，成形及后处理过程可有效保证薄壁结构型面精度；
(2)、本发明采用实体支撑与网格支撑固连结合的整体式支撑结构，可为网格支撑部分提供显著优于整体网格支撑的强度和刚度，保证其成形过程中不被轻易“拉裂”及蹭断等，进而可避免薄壁悬垂部位发生“塌陷”导致成形层层间错位甚至成形失败等问题，有效保证薄壁悬垂部位成形型面精度；
(3)本发明采用薄片式实体支撑与网格支撑固连结合的整体式支撑结构，支撑整体强度及刚性显著优于整体网格支撑，可有效避免网格支撑“拉裂”及“蹭断”等问题，且支撑去除难度及工作量、成形及后处理周期、生产成本等与整体网格支撑一致，较整体实体支撑均大幅减少或降低。
附图说明
图1a为本发明“U形结构”的适用于倾斜悬垂薄壁结构的辅助支撑结构示意图；
图1b为本发明“U形结构”的适用于倾斜悬垂薄壁结构的辅助支撑结构在成形基板上的接触面示意图；
图2a为本发明“山字形结构”的适用于倾斜悬垂薄壁结构的辅助支撑结构示意图；
图2b为本发明“山字形结构”的适用于倾斜悬垂薄壁结构的辅助支撑结构在成形基板上的接触面示意图；
图3a为本发明中网格辅助支撑柱在成形基板上形成的接触面示意图，其中每个网格辅助支撑柱与成形基板的接触面为正方形；
图3b为本发明中网格辅助支撑柱在成形基板上形成的接触面示意图，其中每个网格辅助支撑柱与成形基板的接触面为长方形；
图4为本发明中第二类空心网格的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明作进一步详细的描述：
本发明公开了一种适用于倾斜悬垂薄壁结构的辅助支撑结构，用于在激光选区熔化增材制造过程中，将倾斜悬垂薄壁结构支撑在基板上。这种倾斜悬垂薄壁结构可能是产品零件、法兰安装面等，总体而言这种倾斜悬垂薄壁结构与基板间的倾角大于45度，其下端面与基板间存在一定距离且厚度小于3.5mm。
如图1a、1b、2a、2b所示，本发明的适用于倾斜悬垂薄壁结构的辅助支撑结构包括网格支撑部分和实体支撑部分，图中：1为倾斜悬垂薄壁结构；21、 22、23分别为实体支撑部分的实体支撑薄片；3为网格支撑部分。
其中，图1a和1b中实体支撑部分和网格支撑部分构成“U形结构”，而图2a和2b中实体支撑部分和网格支撑部分构成“山字形结构”，这两种实体支撑和网格支撑固连结合的方案，可以实现对倾斜悬垂薄壁结构的支撑，避免成形过程中该结构出现翘曲变形和成形层层间错位等缺陷。
(一)、网格支撑部分
在本发明中，在倾斜悬垂薄壁结构的悬垂端面和成形基板之间采用网格支撑方案，即将网格支撑部分的上端面支撑在倾斜悬垂薄壁结构下端面上，并将该网格支撑部分的下端面支撑在成形基板上，从而在倾斜悬垂薄壁结构悬垂端与基板间形成支撑。
本发明的网格支撑部分由N个网格辅助支撑柱组成。其中，各网格辅助支撑柱为空心网格构成的柱体，该柱体的横截面为正方形或长方形，每个柱体的上端面支撑在倾斜悬垂薄壁结构下端面上，且其下端面支撑在成形基板上；N 为正整数。
如图3a、3b所示，为了确保网格支撑部分的支撑可靠性，各网格辅助支撑柱在成形基板上的支撑边长L或B设定为5mm～15mm，即每个网格辅助支撑柱与成形基板的接触面为正方形或长方形，且所述正方形或长方形的边长为 5mm～15mm，其中：图3a中每个网格辅助支撑柱与成形基板的接触面为正方形，且正方形的边长为B；图3b中每个网格辅助支撑柱与成形基板的接触面为长方形，该长方形的长度和宽度分别为L和B。为了便于对该网格辅助支撑柱进行拆除，本发明在网格辅助支撑柱之间留有间隙，其中相邻网格辅助支撑柱之间的间距Δb设定为0.5mm～2.5mm。
上述的网格辅助支撑柱由两类空心网格构成，其中：第一类空心网格为立方体或长方体网格，第二类网格为梯形网格，即所述梯形网格的横截面为正方形且纵截面为梯形。其中，与倾斜悬垂薄壁结构下端面接触的空心网格为第二类网格，这种形式的网格确保网格支撑部分与倾斜悬垂薄壁结构下端面的接触不连续，便于后续该支撑部分进行去除。而其他网格采用第一类网格。为了确保网络支撑的可靠性，本发明中第一类空心网格的边长b设定为0.5mm～5mm；第二类空心网格的纵截面为梯形，如图4所示，所述梯形上底d1为0.3mm～2.5mm、下底d2为0.5mm～5mm、高度h为0.5mm～5mm。
另外，如图4所示，为了进一步提高网格支撑部分的可拆除性，本发明进一步对网格支撑部分与倾斜悬垂薄壁结构的接触面进行离散化，即本发明中的网格辅助支撑柱与倾斜悬垂薄壁结构下端面的接触面上的梯形网格呈离散分布状态，且各相邻梯形网格的间距Δd为0.2～2mm。
考虑到成形制造过程中铺粉对网格造成的刮蹭作用，本发明对空心网格的方向进行了如下限定：如图1b和2b所示，沿X轴、Y轴方向分布的网格线与设定的铺粉方向夹角为45°或135°，其中，铺粉方向垂直于网格支撑部分外表面；其中X轴、Y轴所在平面与基板平面平行，这样可以尽量减少铺粉过程中的对网格的刮蹭，确保支撑的可靠性。
此外，为了进一步加强网格支撑部分的支撑可靠性，可以将网格支撑部分的上端嵌入在倾斜悬垂薄壁结构的下端面内，并将网格支撑部分的下端嵌入在成形基板内；其嵌入深度设定为0.04mm～0.2mm，这样可以提升辅助支撑部分与倾斜悬垂薄壁结构和基板的结合强度，从而有效确保支撑可靠成形。
(二)、实体支撑部分
在本发明中，实体支撑部分包括两个或三个实体支撑薄片，其中，如图1b 和图2b所示，该实体支撑薄片的厚度B1为1mm～3mm；且每个所述实体支撑薄片在成形基板上的形成的支撑边长度L1为5mm～20mm。
如图1a和图1b所示，如果采用两个实体支撑薄片，与网格支撑部分构成“U形结构”，其中将这两个实体支撑薄片分别支撑在倾斜悬垂薄壁结构背面的左右两端，从而在悬垂薄壁结构背面与成形基板间形成有效支撑，防止厚度小于3.5mm的较薄网格支撑部分由于强度和刚度不够发生“拉裂”及蹭断等，进而引起悬垂薄壁结构下端悬垂部分的左右两端发生翘曲变形。
如图2a和图2b所示，如果采用三个实体支撑薄片，与网格支撑部分构成“山字形结构”，其中将这三个实体支撑薄片分别支撑在倾斜悬垂薄壁结构背面的左右两端和中间部分，从而在悬垂薄壁结构背面与成形基板间形成有效支撑，防止厚度小于3.5mm的较薄网格支撑部分由于强度和刚度不够发生“拉裂”及蹭断等，进而引起悬垂薄壁结构下端悬垂部分的左右两端发生翘曲变形。
以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，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。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种适用于倾斜悬垂薄壁结构的辅助支撑结构，用于在倾斜悬垂薄壁结构与基板间形成支撑，所述倾斜悬垂薄壁结构与基板间的倾角大于45度，其下端面与基板间存在一定距离且厚度小于3.5mm，其特征在于：包括网格支撑部分和实体支撑部分，其中：所述网格支撑部分的上端面支撑在倾斜悬垂薄壁结构下端面上，所述网格支撑部分的下端面支撑在成形基板上，即在倾斜悬垂薄壁结构的悬垂端与基板间形成支撑；所述实体支撑部分的上端支撑在倾斜悬垂薄壁结构背面，下端支撑在成形基板上；所述网格支撑部分和实体支撑部分固连。
2.根据权利要求1所述的一种适用于倾斜悬垂薄壁结构的辅助支撑结构，其特征在于：实体支撑部分包括两个实体支撑薄片，分别在倾斜悬垂薄壁结构背面的左右两端形成支撑；其中，所述实体支撑薄片的厚度B1为1mm～3mm；且每个所述实体支撑薄片在成形基板上的形成的支撑边长度L1为5mm～20mm。
3.根据权利要求1所述的一种适用于倾斜悬垂薄壁结构的辅助支撑结构，其特征在于：实体支撑部分包括三个实体支撑薄片，分别在倾斜悬垂薄壁结构背面的左右两端和中部形成支撑；其中，所述实体支撑薄片的厚度B1为1mm～3mm；且每个所述实体支撑薄片在成形基板上的形成的支撑边长度L1为5mm～20mm。
4.根据权利要求1所述的一种适用于倾斜悬垂薄壁结构的辅助支撑结构，其特征在于：网格支撑部分包括N个网格辅助支撑柱，所述网格辅助支撑柱为空心网格构成的柱体，且所述柱体的横截面为正方形或长方形；所述柱体的上端面支撑在倾斜悬垂薄壁结构下端面上，且所述柱体的下端面支撑在成形基板上；N为正整数。
5.根据权利要求4所述的一种适用于倾斜悬垂薄壁结构的辅助支撑结构，其特征在于：每个网格辅助支撑柱与成形基板的接触面为正方形或长方形，且所述正方形或长方形的边长为5mm～15mm；相邻网格辅助支撑柱之间的间距为0.5mm～2.5mm。
6.根据权利要求4所述的一种适用于倾斜悬垂薄壁结构的辅助支撑结构，其特征在于：网格辅助支撑柱由两类空心网格构成，其中：第一类空心网格为立方体或长方体网格，第二类网格为梯形网格，即所述梯形网格的横截面为正方形且纵截面为梯形；其中，与倾斜悬垂薄壁结构下端面接触的空心网格为第二类网格。
7.根据权利要求6所述的一种适用于倾斜悬垂薄壁结构的辅助支撑结构，其特征在于：第一类空心网格的边长为0.5mm～5mm；第二类空心网格的纵截面为梯形，所述梯形的上底d1为0.3mm～2.5mm、下底d2为0.5mm～5mm、高度h为0.5mm～5mm。
8.根据权利要求6所述的一种适用于倾斜悬垂薄壁结构的辅助支撑结构，其特征在于：网格辅助支撑柱与倾斜悬垂薄壁结构下端面的接触面上的梯形网格呈离散分布状态，且各相邻梯形网格的间距Δd为0.2～2mm。
9.根据权利要求6所述的一种适用于倾斜悬垂薄壁结构的辅助支撑结构，其特征在于：在空心网格中，沿X轴、Y轴方向分布的网格线与设定的铺粉方向夹角为45°或135°；其中X轴、Y轴所在平面与基板平面平行。
10.根据权利要求1所述的一种适用于倾斜悬垂薄壁结构的辅助支撑结构，其特征在于：网格支撑部分的上端嵌入在倾斜悬垂薄壁结构的下端面内；网格支撑部分的下端嵌入在成形基板内；网格支撑部分上端和下端的嵌入深度均为0.04mm～0.2mm。
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