CN109702196B - 针对工件的悬垂结构的金属增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种针对工件的悬垂结构的金属增材制造方法，其包括步骤：S1，建立待成形的实体的3D模型；S2，对步骤S1中的待成形的实体的3D模型利用分层切片软件进行分层处理；S3，在工作台的工作面上铺设粉末材料，形成第1层粉末层；S4，形成待成形的实体的3D模型第n(n＝1,2,…N)层所要成形的截面；S5，烧结并形成待成形的实体的3D模型第n+1层的截面；S6，通过循环步骤S4和S5逐层烧结，直至待成形的实体的3D模型第N层的截面扫描烧结完成，得到已成形的实体；S7，去除步骤S6中得到的已成形的实体的支撑结构，得到工件的悬垂结构。本发明能保证支撑结构的支撑强度和稳定性，以顺利成形得到工件的悬垂结构。
Description
技术领域
本发明涉及金属增材制造领域，尤其涉及一种针对工件的悬垂结构的金属增材制造方法。
背景技术
金属增材制造技术采用层层堆积原理来成形工件，增材制造俗称3D打印。金属增材制造技术采用计算机三维设计软件制作工件的三维模型，然后利用分层切片软件进行分层处理，通过激光束逐层熔化粉末来进行激光烧结，以成形工件。在成形工件时，工件包括具有悬空部分的悬垂结构，需要给工件的悬垂结构添加支撑结构以支撑悬空部分，在工作台和悬垂结构的悬垂面之间生成支撑结构，对工件进行支撑以防止工件坍塌或翘曲变形，从而提高工件的成形精度。
目前在金属增材制造技术中常用的支撑结构分为薄壁支撑和实体支撑两大类。在已知技术中支撑结构通常是从工作台上自下而上开始成形，沿平行于工作台的方向在工作台上铺粉。对于悬垂结构高度较低的待成形的工件，所需支撑结构的高度对应也不高，对支撑结构的强度要求低，工件易于成形。但对于高度较高的悬垂结构，在工作台上直接成形支撑结构，则支撑结构所要成形的高度相应也较高，对支撑结构的强度要求相应也提高，若采用薄壁支撑，则支撑结构强度低、易变形，容易受热应力影响而断裂，从而造成成形工件失败；若采用实体支撑，虽然支撑结构强度较高，但支撑结构的成形时间长，会浪费材料，并且成形完成后支撑结构的去除困难，在已知技术中，针对高悬垂结构设计倾斜的支撑结构，即从工作台上开始成形支撑结构，按照与高度方向成一定角度(例如45度或60度)的方向斜向成形，倾斜的支撑结构多采用薄壁支撑，在成形过程中由于与成形方向倾斜一定角度，若倾斜的方向和铺粉方向相逆可能会被铺粉系统(包括用于铺粉的刮刀等)破坏，从而减弱支撑强度。
发明内容
鉴于现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种针对工件的悬垂结构的金属增材制造方法，其能保证支撑结构的支撑强度和稳定性，以顺利成形得到工件的悬垂结构。
为了实现上述目的，本发明提供了一种针对工件的悬垂结构的金属增材制造方法，包括步骤S1、S2、S3、S4、S5、S6以及S7。
S1，建立待成形的实体的3D模型，待成形的实体包括工件的悬垂结构和用于支撑悬垂结构的支撑结构；悬垂结构包括悬垂部以及从悬垂部的端部沿高度方向向下延伸的悬臂部；支撑结构包括多个平行于悬臂部排列的竖支撑板、位于多个竖支撑板上方的横支撑板以及位于横支撑板上方的筒部，筒部具有空腔；支撑结构布置于悬垂部的下方，筒部连接于悬垂部的悬垂面；待成形实体在高度方向上的高度为H，悬垂部的悬垂面在高度方向上的高度为H1，悬垂面在长度方向上的长度为l；悬垂结构为高悬垂结构，高度H1与长度l的比值大于0.5；支撑结构的底表面在高度方向上的高度为H2；
S2，对步骤S1中的待成形的实体的3D模型利用分层切片软件进行分层处理，将待成形的实体的3D模型沿高度方向分成N层，分层厚度为d，得到各层所要成形的截面的轮廓信息；高度H对应第N层截面，高度H1对应第N1层截面，高度H2对应第N2层截面，当成形第n层截面且1≤n＜N2时，第n层截面的轮廓信息包括悬臂部在第n层截面的轮廓信息；当成形第n层截面且N2≤n＜N1时，第n层截面的轮廓信息包括悬臂部在第n层截面的轮廓信息和支撑结构在第n层截面的轮廓信息；当成形第n层截面且N1≤n≤N时，第n层截面的轮廓信息包括悬垂部在第n层截面的轮廓信息；
S3，在工作台的工作面上铺设粉末材料，形成第1层粉末层；
S4，根据第n层(n＝1,2,…N)截面的轮廓信息，通过激光束对已铺设好的第n层粉末层扫描烧结，形成待成形的实体的3D模型第n层所要成形的截面；
S5，在步骤S4中的第n层粉末层上平铺下一层粉末材料形成第n+1层粉末层，返回步骤S4，烧结并形成待成形的实体的3D模型第n+1层的截面；
S6，通过循环步骤S4和S5逐层烧结，直至待成形的实体的3D模型第N层的截面扫描烧结完成，对待成形的实体的3D模型所有截面的轮廓扫描并烧结完成，得到已成形的实体；
S7，去除步骤S6中得到的已成形的实体的支撑结构，得到工件的悬垂结构。
在一实施例中，步骤S1中的支撑结构的各竖支撑板在高度方向上的截面为倒梯形状。
在一实施例中，步骤S1中的支撑结构还包括加强板，连接于相邻竖支撑板之间。
在一实施例中，步骤S1中的支撑结构的横支撑板在高度方向上的厚度d1为分层厚度d的3～5倍。
在一实施例中，步骤S1中的支撑结构的筒部的上端面上设置有接触部，筒部通过接触部连接于悬垂部的悬垂面。
在一实施例中，接触部在高度方向上的截面呈锯齿形或三角形。
在一实施例中，步骤S1中的支撑结构还包括加强片，加强片设置于筒部的空腔内并连接于筒部的空腔内的内壁之间。
在一实施例中，步骤S1中的待成形的实体的支撑结构以多个设置，多个支撑结构等间距地布置于悬垂部的下方。
在一实施例中，步骤S1中的待成形的实体的支撑结构以多个设置，多个支撑结构非等间距地布置于悬垂部的下方。
在一实施例中，其中一个竖支撑板与筒部的中心轴在高度方向的投影重合。
本发明的有益效果如下：
在本发明的针对工件的悬垂结构的金属增材制造方法中，在粉末层上开始成形支撑结构，对作为高悬垂结构的悬垂机构，无需设计支撑结构的高度足够高，降低支撑结构所要成形的高度，并且支撑结构与成形方向平行，避免支撑结构被铺粉系统破坏，从而防止支撑结构高度过高而易断裂、保证支撑结构的支撑强度，在支撑结构中，横支撑板和竖支撑板为筒部提供支撑基础，以保证支撑结构的稳定性，进而顺利成形得到工件的悬垂结构。
附图说明
图1是根据本发明的针对工件的悬垂结构的金属增材制造方法得到的已成形实体的示意图。
图2是根据本发明的针对工件的悬垂结构的金属增材制造方法中的支撑结构的一实施例的示意图。
图3是根据本发明的针对工件的悬垂结构的金属增材制造方法中的支撑结构的另一实施例的示意图。
图4是图3的侧视图。
图5是根据本发明的针对工件的悬垂结构的金属增材制造方法得到已成形实体的步骤的示意图。
其中，附图标记说明如下：
1实体 123B接触部
11工件的悬垂结构 123C内壁
111悬垂部 124底表面
111A悬垂面 125加强板
112悬臂部 126加强片
12支撑结构 2工作台
121竖支撑板 21工作面
122横支撑板 3粉末层
123筒部 C中心轴
123A空腔 D高度方向
L长度方向
具体实施方式
附图示出本发明的实施例，且将理解的是，所公开的实施例仅仅是本发明的示例，本发明可以以各种形式实施，因此，本文公开的具体细节不应被解释为限制，而是仅作为权利要求的基础且作为表示性的基础用于教导本领域普通技术人员以各种方式实施本发明。
下面参照附图来详细说明根据本发明的针对工件的悬垂结构的金属增材制造方法。
参照图1至图5，本发明的针对工件的悬垂结构的金属增材制造方法包括步骤S1、S2、S3、S4、S5、S6以及S7。
S1，建立待成形的实体1的3D模型，参照图1至图4，待成形的实体1包括工件的悬垂结构11和用于支撑悬垂结构11的支撑结构12；悬垂结构11包括悬垂部111以及从悬垂部111的端部沿高度方向D向下延伸的悬臂部112；支撑结构12包括多个平行于悬臂部112排列的竖支撑板121、位于多个竖支撑板121上方的横支撑板122以及位于横支撑板122上方的筒部123，筒部123具有空腔123A；支撑结构12布置于悬垂部111的下方，筒部123连接于悬垂部111的悬垂面111A；待成形实体1在高度方向D上的高度为H，悬垂部111的悬垂面111A在高度方向D上的高度为H1，悬垂面111A在长度方向L上的长度为l；悬垂结构11为高悬垂结构，高度H1与长度l的比值大于0.5；支撑结构12的底表面124在高度方向D上的高度为H2。
这里，工件(未示出)可以是发动机支架、发动机叶片、轴承等，工件的悬垂结构11因为具有悬空的部分(即悬垂部111和悬臂部112组成的部分)而需要支撑结构12的支撑，其中，工件可包括一个或多个悬垂结构11。悬臂部112的数量可为一个，悬垂结构11为单臂悬垂结构，悬臂部112的数量也可为两个，悬垂结构11为双臂悬垂结构，如图1和图5所示，悬臂部112为两个。悬垂部111的悬垂面111A的高度H1与长度l的比值大于0.5时，高度H1较高，悬垂结构11为高悬垂结构。根据悬垂部111的悬垂面111A的高度H1与长度l，布置于悬垂部111的下方的支撑结构12可以多个设置。悬垂部111的悬垂面111A与支撑结构12的底表面124之间的高度为ΔH＝H1-H2，ΔH可设置为30～50mm。多个支撑结构12可等间距地布置于悬垂部111的下方，多个支撑结构12呈均匀分布，例如相邻两个支撑结构12之间的间距可设置为5mm～15mm；多个支撑结构12还可非等间距地布置于悬垂部111的下方，例如以正态分布方式布置多个支撑结构12，以使悬垂结构11的关键部位的支撑结构12分布密集，而非关键部位的支撑结构12分布稀疏，能够节省材料且使支撑结构12的布置更趋合理，基于正态分布方式布置支撑结构12的方法具体可参见公开号为CN108776743A、名称为“用于增材制造中针对悬垂结构基于正态分布布置支撑位的生成方法”的中国专利。待成形的实体1的3D模型包括工件的3D模型和支撑结构12的3D模型，工件的3D模型为给定的模型，工件的3D模型中包含有悬垂结构11的3D模型，只需要设计支撑结构12的3D模型，支撑结构12的竖支撑板121和横支撑板122为实体支撑，支撑结构12的筒部123为薄壁支撑，对于支撑结构12的竖支撑板121和横支撑板122，可以通过Solidworks、UG等建模软件建模；对于支撑结构12的筒部123，可以通过Solidworks、UG等建模软件建模，最后通过Magics软件对工件的3D模型与支撑结构12的竖支撑板121、横支撑板122以及筒部123进行组装，得到待成形的实体1的3D模型。其中，对于支撑结构12的筒部123，也可以直接在Magics软件中建模。在这里补充说明的是，支撑结构12的支撑针对的是工件的悬垂结构11，因此这里不考虑工件的除悬垂结构11以外的其他部分。
S2，对步骤S1中的待成形的实体1的3D模型利用分层切片软件进行分层处理，将待成形的实体1的3D模型沿高度方向D分成N层，分层厚度为d，得到各层所要成形的截面的轮廓信息；高度H对应第N层截面，高度H1对应第N1层截面，高度H2对应第N2层截面，当成形第n层截面且1≤n＜N2时，第n层截面的轮廓信息包括悬臂部112在第n层截面的轮廓信息；当成形第n层截面且N2≤n＜N1时，第n层截面的轮廓信息包括悬臂部112在第n层截面的轮廓信息和支撑结构12在第n层截面的轮廓信息；当成形第n层截面且N1≤n≤N时，第n层截面的轮廓信息包括悬垂部111在第n层截面的轮廓信息。其中，高度方向D为成形方向。
在这里补充说明的是，分层切片软件为Magics、Netfabb等。对待成形的实体1的3D模型利用分层切片软件进行分层处理的过程就是将三维模型离散化为一系列二维层面的过程，从而得到一共N层所要成形的截面的轮廓信息。分层厚度d为给定值，根据具体需要选择。
S3，在工作台2的工作面21上铺设粉末材料，形成第1层粉末层3。
根据所需工件的材料，粉末材料可选择钛合金金属粉末(例如Ti6Al4V)、镍基合金金属粉末(例如inconel 718)、不锈钢金属粉末(例如316L不锈钢)等。具体地，在步骤S3中使用铺粉系统(未示出)进行铺粉，铺粉系统包括铺粉用的刮刀。
S4，根据第n层(n＝1,2,…N)截面的轮廓信息，通过激光束(未示出)对已铺设好的第n层粉末层3扫描烧结，形成待成形的实体1的3D模型第n层所要成形的截面。
具体地，计算机(未示出)根据第n层截面的轮廓信息生成控制指令，从而确定激光束的扫描路径，激光束根据控制指令并按照扫描路径对已铺设好的第n层粉末层3扫描烧结，进而形成待成形的实体1的3D模型第n层所要成形的截面。
S5，在步骤S4中的第n层粉末层3上平铺下一层粉末材料形成第n+1层粉末层3，返回步骤S4，烧结并形成待成形的实体1的3D模型第n+1层的截面。
S6，通过循环步骤S4和S5逐层烧结，直至待成形的实体1的3D模型第N层的截面扫描烧结完成，对待成形的实体1的3D模型所有截面的轮廓扫描并烧结完成，得到已成形的实体1。
S7，去除步骤S6中得到的已成形的实体1的支撑结构12，得到工件的悬垂结构11。
在本发明的针对工件的悬垂结构的金属增材制造方法中，支撑结构12不是从工作台2的工作面21上开始成形，而是从某一高度处的粉末层3沿高度方向D开始成形(从高度H2处对应的第N2层粉末层3开始成形)，所以对作为高悬垂结构的悬垂机构11，无需设计支撑结构12的高度足够高，从而降低支撑结构12所要成形的高度，防止支撑结构12高度过高而易断裂。本发明的针对工件的悬垂结构的金属增材制造方法中的支撑结构12包括竖支撑板121、横支撑板122以及筒部123。如图2和图3所示，筒部123的形状可为圆筒状，筒部123的形状也可为多面体状；这里，筒部123可称为背景技术中的薄壁支撑，若直接在粉末层3上成形筒部123，因要在粉末层3上成形的筒部123的底面的周长较长而不易成形，导致成形失败。另外，直接在粉末层3上只能成形较小的区域，成形大的区域会因为热应力翘曲变形断裂或者破坏粉末层3，因此在筒部123下方依次设置横支撑板122和竖支撑板121，参照图5，在成形时，从高度H2处起在粉末层3上开始烧结支撑结构12的竖支撑板121，在粉末层3上所需烧结成形的区域较小，易于成形，然后沿高度方向D依次烧结成形横支撑板122和筒部123，支撑结构12与成形方向(即高度方向D)平行，能够避免支撑结构12因与成形方向倾斜而被铺粉系统破坏的可能性。而且横支撑板122和竖支撑板121为筒部123提供支撑基础，减小因粉末具有流动性使支撑结构12漂移的风险，从而保证对待成形的实体1的扫描烧结顺利进行。
参照图2至图4所示的实施例，支撑结构12的各竖支撑板121在高度方向D上的截面优选为倒梯形状，当竖支撑板121的底表面(即支撑结构12的底表面124)烧结为实体时，此时在此基础上逐步成形更大的区域，进一步保证支撑结构12的稳定。当然竖支撑板121也可为其他形状。此外，激光束在烧熔某一层的粉末层3时产生的热量可影响3至4层左右的已成形层，因此在成形薄壁支撑(即筒部123)时，竖支撑板121可能会受影响，但因为竖支撑板121已成形为实体，实体可以传导激光束烧熔时产生的热量，从而缓和热变形，降低筒部123热变形的可能性。如图1至图3所示，其中一个竖支撑板121与筒部123的中心轴C在高度方向D的投影重合，以使支撑结构12的重心稳定。支撑结构12还可包括加强板125，连接于相邻竖支撑板121之间，以加强支撑结构12的稳定性。需要说明的是，为了保证加强板125能够成形，相邻竖支撑板121之间的距离设置为0.5～3mm。支撑结构12的横支撑板122可为矩形板、正方形板或其他形状的板。横支撑板122在高度方向D上的厚度d1优选设计为分层厚度d的3～5倍，从而在保证不过度浪费材料的基础上增加横支撑板122对筒部123支撑的稳固性。
为了在步骤S7中容易去除支撑结构12，以使支撑结构12与工件的悬垂结构11易于分离，参照图2所示的实施例，支撑结构12的筒部123的上端面上设置有接触部123B，筒部123通过接触部123B连接于悬垂部111的悬垂面111A。接触部123B在高度方向D上的截面可呈锯齿形、三角形等。为了增加筒部123的强度，参照图3所示的实施例，支撑结构12还包括加强片126，加强片126设置于筒部123的空腔123A内并连接于筒部123的空腔123A内的内壁123C之间。
在一实施例中，设计支撑结构12包括竖支撑板121、横支撑板122以及筒部123，支撑结构12的竖支撑板121的数量可为5～30个，竖支撑板121在高度方向D上的底边长为1～5mm、顶边长10～50mm、高度为5～20mm，且相邻竖支撑板121之间的距离为0.5～3mm；横支撑板122在高度方向D上的厚度d1为分层厚度d的3～5倍，横支撑板122为正方形板，面积为12～60mm*12～60mm，多个竖支撑板121所围成的外周沿径向距横支撑板122的外周的距离为1～5mm；筒部123的外径为10～50mm，筒部123沿高度方向D的中心线与横支撑板122沿高度方向D的中心线重合，筒部123的外周沿径向距横支撑板122的外周的距离为10～20mm。在悬垂部111的悬垂面111A的下方布置多个支撑结构12，相邻支撑结构12之间的间距为5～15mm，多个支撑结构12对应整个悬垂面111A。
综上所述，在本发明的针对工件的悬垂结构的金属增材制造方法中，在粉末层3上开始成形支撑结构12，对作为高悬垂结构的悬垂机构11，无需设计支撑结构12的高度足够高，降低支撑结构12所要成形的高度，并且支撑结构12与成形方向平行，避免支撑结构12被铺粉系统破坏，从而防止支撑结构12高度过高而易断裂、保证支撑结构12的支撑强度，在支撑结构12中，横支撑板122和竖支撑板121为筒部123提供支撑基础，以保证支撑结构12的稳定性，进而顺利成形得到工件的悬垂结构11。
上面详细的说明描述多个示范性实施例，但本文不意欲限制到明确公开的组合。因此，除非另有说明，本文所公开的各种特征可以组合在一起而形成出于简明目的而未示出的多个另外组合。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。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 (9)
1.一种针对工件的悬垂结构的金属增材制造方法，包括步骤：
S1，建立待成形的实体(1)的3D模型，待成形的实体(1)包括工件的悬垂结构(11)和用于支撑悬垂结构(11)的支撑结构(12)；悬垂结构(11)包括悬垂部(111)以及从悬垂部(111)的端部沿高度方向(D)向下延伸的悬臂部(112)；支撑结构(12)包括多个平行于悬臂部(112)排列的竖支撑板(121)、位于多个竖支撑板(121)上方的横支撑板(122)以及位于横支撑板(122)上方的筒部(123)，筒部(123)具有空腔(123A)；支撑结构(12)布置于悬垂部(111)的下方，筒部(123)连接于悬垂部(111)的悬垂面(111A)；待成形实体(1)在高度方向(D)上的高度为H，悬垂部(111)的悬垂面(111A)在高度方向(D)上的高度为H1，悬垂面(111A)在长度方向(L)上的长度为l；悬垂结构(11)为高悬垂结构，高度H1与长度l的比值大于0.5；支撑结构(12)的底表面(124)在高度方向(D)上的高度为H2；
S2，对步骤S1中的待成形的实体(1)的3D模型利用分层切片软件进行分层处理，将待成形的实体(1)的3D模型沿高度方向(D)分成N层，分层厚度为d，得到各层所要成形的截面的轮廓信息；高度H对应第N层截面，高度H1对应第N1层截面，高度H2对应第N2层截面，当成形第n层截面且1≤n＜N2时，第n层截面的轮廓信息包括悬臂部(112)在第n层截面的轮廓信息；当成形第n层截面且N2≤n＜N1时，第n层截面的轮廓信息包括悬臂部(112)在第n层截面的轮廓信息和支撑结构(12)在第n层截面的轮廓信息；当成形第n层截面且N1≤n≤N时，第n层截面的轮廓信息包括悬垂部(111)在第n层截面的轮廓信息；
S3，在工作台(2)的工作面(21)上铺设粉末材料，形成第1层粉末层(3)；
S4，根据第n层截面的轮廓信息，n＝1,2,…,N，通过激光束对已铺设好的第n层粉末层(3)扫描烧结，形成待成形的实体(1)的3D模型第n层所要成形的截面；
S5，在步骤S4中的第n层粉末层(3)上平铺下一层粉末材料形成第n+1层粉末层(3)，返回步骤S4，烧结并形成待成形的实体(1)的3D模型第n+1层的截面；
S6，通过循环步骤S4和S5逐层烧结，直至待成形的实体(1)的3D模型第N层的截面扫描烧结完成，对待成形的实体(1)的3D模型所有截面的轮廓扫描并烧结完成，得到已成形的实体(1)；
S7，去除步骤S6中得到的已成形的实体(1)的支撑结构(12)，得到工件的悬垂结构(11)；
步骤S1中的支撑结构(12)还包括加强片(126)，加强片(126)设置于筒部(123)的空腔(123A)内并连接于筒部(123)的空腔(123A)内的内壁(123C)之间。
2.根据权利要求1所述的针对工件的悬垂结构的金属增材制造方法，其特征在于，步骤S1中的支撑结构(12)的各竖支撑板(121)在高度方向(D)上的截面为倒梯形状。
3.根据权利要求1所述的针对工件的悬垂结构的金属增材制造方法，其特征在于，步骤S1中的支撑结构(12)还包括加强板(125)，连接于相邻竖支撑板(121)之间。
4.根据权利要求1所述的针对工件的悬垂结构的金属增材制造方法，其特征在于，步骤S1中的支撑结构(12)的横支撑板(122)在高度方向(D)上的厚度d1为分层厚度d的3～5倍。
5.根据权利要求1所述的针对工件的悬垂结构的金属增材制造方法，其特征在于，步骤S1中的支撑结构(12)的筒部(123)的上端面上设置有接触部(123B)，筒部(123)通过接触部(123B)连接于悬垂部(111)的悬垂面(111A)。
6.根据权利要求5所述的针对工件的悬垂结构的金属增材制造方法，其特征在于，接触部(123B)在高度方向(D)上的截面呈锯齿形或三角形。
7.根据权利要求1所述的针对工件的悬垂结构的金属增材制造方法，其特征在于，步骤S1中的待成形的实体(1)的支撑结构(12)以多个设置，多个支撑结构(12)等间距地布置于悬垂部(111)的下方。
8.根据权利要求1所述的针对工件的悬垂结构的金属增材制造方法，其特征在于，步骤S1中的待成形的实体(1)的支撑结构(12)以多个设置，多个支撑结构(12)非等间距地布置于悬垂部(111)的下方。
9.根据权利要求1所述的针对工件的悬垂结构的金属增材制造方法，其特征在于，其中一个竖支撑板(121)与筒部(123)的中心轴(C)在高度方向(D)的投影重合。
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