选区激光熔化金属增材制造用的支撑跳板及其制作方法与流程

本发明涉及金属增材制造领域，具体涉及选区激光熔化金属增材制造用的支撑跳板及其制作方法。

背景技术：

选区激光熔化金属增材制造与金属焊接具有相似的制造状态，即在制造过程中会产生大量的热量。当材料热导率小和/或零件形状不利于散热时会形成一定的温度梯度；并且由于高度不同、水平方向不同，从而区域不同时熔化凝固。温度梯度和不同时熔化凝固这两个因素均会造成很大的内应力，如果不通过合理的方法改善，零件会产生扭曲变形，阻碍制造过程的继续。即使能完成制造，零件也会因变形而产生较大的形位偏差，影响使用。为了解决该问题，在生长零件的同时需要生长一些额外的结构，来改善上述状况，我们称之为支撑(support)。

选区激光熔化金属增材制造中，在零件模型前期处理时，需要在综合考虑成形时间、耗粉量以及成形精度的前提下，明确零件的摆放形式，明确零件摆放形式后才能进行支撑的设计和添加。优秀的摆放形式会获得最佳的成形效率(包括成形时间和耗粉量)和成形质量，摆放形式也会对支撑的添加产生很大的影响。当摆放形式确定后就需要考虑支撑添加的问题，图1示出了需要添加支撑的几种零件结构的示意图，其中101表示零件、102表示基板。支撑添加需要考虑的方面很多，但基本都会遵循以下几个规则，即零件出现以下结构的时候需要考虑添加支撑。

1)悬臂梁结构，如图1中103所示的结构，当悬臂长度超过某一长度时(通常为1mm)，需要添加支撑；

2)斜面结构，如图1中104所示的结构，当朝下的面与水平面夹角小于某一角度时(通常为40°)，需要添加支撑；

3)水平孔结构，如图1中105所示的结构，当水平孔的等效孔径大于某一数值时(通常为8mm)，需要添加支撑。

其实，上述三种结构都可以转化为悬臂梁结构来理解。当出现这些结构时，需要添加支撑，来保证零件的可成形性以及成形质量。添加支撑的话，一般会选用网格结构支撑。图2为网格结构支撑的示意图，其中101表示零件，201表示所添加的网格结构支撑。

在上述情况下，采用网格结构支撑进行支撑添加适用于大多数情况，但是在实际生产过程中发现，特定情况下直接进行上述支撑添加存在一定的问题。例如，当悬臂梁距基板高度较大、且悬臂梁自身截面积较大时，支撑会很高且截面很大。这种情况一方面会造成支撑自身的耗粉量大，有时支撑的耗粉量甚至会超过零件本身的耗粉量；另一方面由于支撑属于非稳定结构，当截面太大高度太高时，结构的强度和刚度都降低，散热条件也会变差，容易被铺粉装置刮坏，进而导致打印过程无法继续。

为了解决上述问题，很多人会考虑在网格结构支撑的下方添加一定高度的实体块，让网格结构支撑从实体块上生长从而降低支撑的高度。但是，这种方法虽然能够解决支撑容易被铺粉装置刮坏的问题，但无法解决耗粉量的问题，甚至会因为实体块的存在而增加成形时间。因此，急需新的方法来解决上述问题。

技术实现要素：

针对上述问题，发明人设计了一种网格结构支撑的辅助结构，该辅助结构的外形与跳水比赛用的跳板相似，由直板和斜板构成，在选区激光熔化金属增材制造过程中，该辅助结构用来作为支撑生长的基础，通过降低支撑的高度来辅助支撑生长，减小出问题的几率，并有降低耗粉量的作用，我们将这种辅助结构命名为支撑跳板。

本发明提供一种选区激光熔化金属增材制造用的支撑跳板及其制作方法，目的是改善或解决选区激光熔化金属增材制造中，当存在截面和高度均较大的网格结构支撑时，耗粉严重以及支撑容易被铺粉装置刮坏导致打印过程无法继续的问题。

本发明提供了一种选区激光熔化金属增材制造用的支撑跳板的制作方法，包括以下步骤：a.确定三维零件的摆放形式；b.确定需要添加支撑跳板的区域；c.进行支撑跳板的设计；d.确定支撑跳板的数量；e.修剪轮廓得到可成形的支撑跳板。

其中，优选根据成形时间、耗粉量以及成形精度确定零件的摆放形式。

其中，优选当支撑的平均高度h≥30mm、单个支撑生成面投影面积s≥400mm²、且任何一个方向的尺寸a≮10mm时，添加支撑跳板。

另外，本发明提供一种选区激光熔化金属增材制造用的支撑跳板，包括：竖直向上的直板和从该直板向斜上方倾斜的斜板。

其中，优选支撑跳板的板厚t的范围为2mm～5mm，斜板夹角α的范围为40°～45°，斜板的投影长度为4～6倍的板厚t，斜板的上端面不与零件接触。

其中，优选各支撑跳板横向保持一定的间隙，在纵向上各支撑跳板的斜板略重叠。

其中，优选当所述支撑跳板的直板高度h≤30mm时，直板上设置有一定数量的孔。

选区激光熔化金属增材制造中，当零件里出现大截面大高度的网格结构支撑时，支撑本身会消耗大量的金属粉末，从而使成本增加，并且这种状态的支撑不稳定，容易被铺粉装置刮坏，而使打印过程无法继续进行。如果采用了本发明的支撑跳板后，会有以下几个优点：

1)支撑部分的耗粉量理论上可以节省50％以上，并且原支撑高度越高，粉末节省量越大；

2)采用支撑跳板后，网格结构支撑部分的平均高度至少降低1/2，其结构稳定性增加，网格结构支撑被铺粉装置刮坏的概率降低，从而可以提高打印的成功率。

3)并且通过计算发现，在其他工艺条件相同的情况下，采用支撑跳板形式与不采用支撑跳板形式相比，成形时间上不增加甚至有所降低。

附图说明

图1为需要添加支撑的几种零件结构的示意图。

图2为网格结构支撑的示意图。

图3为本发明涉及的支撑跳板的制作方法的流程图。

图4(a)和图4(b)是确定添加支撑跳板区域的示意图。

图5(a)～图5(d)是本发明的实施例的支撑跳板的示意图。其中，图5(a)是支撑跳板的立体图，图5(b)是支撑跳板的侧视图，图5(c)是支撑跳板的正视图，图5(d)是零件下方设置有支撑跳板的侧视图。

图6(a)～图6(c)是零件下添加了本发明实施例的支撑跳板的示意图。其中，图6(a)是立体图，图6(b)是正视图，图6(c)是侧视图。

图7(a)和图7(b)是在零件下添加了支撑的示意图。图7(a)是在零件下添加了常规的网格结构支撑的示意图，图7(b)是在零件下添加了本发明实施例的支撑跳板并在支撑跳板上再生长网格结构支撑的示意图。

具体实施方式

以下结合附图详细介绍本发明的支撑跳板的制作方法以及支撑跳板的结构。需要说明的是，附图仅用于示例说明，不能理解为对本发明的限制。

选区激光熔化金属增材制造首先需要在综合考虑成形时间、耗粉量以及成形精度的条件下，明确零件的摆放形式，然后才能进行支撑的设计和添加。而本发明是用于改善或解决网格结构支撑在特定零件中存在的问题，需要清楚支撑的状况才能设计支撑跳板，因此，需要以确定零件摆放形式为前提。

图3示出了本发明涉及的支撑跳板的制作方法的流程图。首先，在步骤s301，确定零件的摆放形式。这一步是铺粉式增材制造工艺中模型前期处理必须首先确定的，需要综合考虑多种因素来确定零件的摆放形式，包括成形时间、耗粉量以及成形精度等，零件的摆放形式将直接影响支撑的添加以及是否需要设置支撑跳板。

利用三维建模软件创建三维零件的模型。具体地说，三维零件模型的格式需要与三维建模软件兼容，打开三维建模软件，将所要添加支撑的三维零件模型加载到软件中，然后综合考虑成形时间、耗粉量以及成形精度等因素，将零件按照最终增材制造所需的摆放位置和角度在建模软件中摆放好。

在步骤s302，确定需要添加支撑跳板的区域。可以借助三维建模软件，对三维零件模型进行测量确定；也可以借助支撑设计软件，自动生成支撑，然后通过支撑添加的结果判定需要添加支撑跳板的区域。以下举例说明判定的方法。

由于不同的材料会有差异，借助支撑设计软件，判定需要添加支撑跳板区域的示意图见图4(a)和图4(b)，其中图4(a)为高度示意图，图4(b)为截面积示意图。如图4(a)和图4(b)所示，建议的参数范围如下：

①某支撑的平均高度h≥30mm；

②某支撑生成面投影面积s≥400mm²，且任何一个方向的尺寸a≮10mm。

当以上两个条件成立时，则判断为需要添加支撑跳板。当然，以上仅为建议的参数范围，本领域技术人员可以根据实际情况选择参数范围，确定添加支撑跳板的区域。

通过上述步骤s302确定好需要添加支撑跳板的区域后，进入步骤s303，在步骤s303，通过三维制图软件进行支撑跳板的设计。图5(a)～图5(d)是本发明的实施例的支撑跳板的示意图。其中，图5(a)是支撑跳板的立体图，图5(b)是支撑跳板的侧视图，图5(c)是支撑跳板的正视图，图5(d)是零件下方设置有支撑跳板的侧视图。

如图5(a)所示，支撑跳板501由竖直向上的直板503和从该直板向斜上方倾斜的斜板502构成。对于支撑跳板，需要设计的参数主要有：图5(b)中，504所示的板厚t、505所示的斜板夹角α、506所示的斜板长度l、507所示的直板高度h，以及图5(c)中，508所示的跳板宽度w。

如图5(d)所示，在基板102上生长零件101，该零件101具有悬臂结构，在基板102上还生长支撑跳板501，支撑跳板501设置在悬臂结构的下方，在支撑跳板501的斜板与悬臂结构之间设置支撑结构，用来支撑悬臂结构。以下详细说明支撑跳板的各参数。

具体地说，支撑跳板的板厚t不能太小，太小的话极易被铺粉装置刮弯；板厚t也不能太大，太大的话会增加耗粉量，也会增加自身的应力而不稳定。建议支撑跳板的板厚t的取值范围为2mm～5mm。

斜板夹角α的取值应当遵循以下两个原则：①使得零件的悬臂结构不出支撑，②尽量降低悬臂结构上支撑的高度。这样综合考虑下来，建议斜板夹角α的范围为40°～45°。

斜板长度l也要适中，因为斜板长度l太长的话悬臂结构有翘曲的可能；而斜板长度l太短的话，则添加支撑跳板的个数会增加，增大工作量。斜板长度l根据斜板的投影长度来确定，建议斜板的投影长度为4～6倍的板厚t，即4t≤l/cosα≤6t。另外，斜板不要与零件接触，这样方便去除，斜板上端面与零件保持0～1mm的间隙a，图5(d)中510表示斜板上端面与零件之间的间隙a。

直板高度h不是一个自由变量，直板高度h及以上的参数满足以下的公式(1)。需要额外说明的是，直板高度h可以等于零，这种情况下，图5(d)中507所示的直板高度h为零，即斜板部分直接从基板102上生长。另外，当直板高度h≤30mm时，可在直板上开一定数量的小孔，由此进一步降低耗粉量，并起到释放部分应力的作用。当直板高度h较高时，可根据经验设置加强筋，由此来提高支撑跳板的稳定性。

h+lsinα+a＝h(1)

其中，h为该支撑跳板添加位置处的零件下表面到基板的距离，图5(d)中509表示h。

跳板宽度w的选择较为自由，最主要是选择合适的参数以保证支撑跳板的稳定性，同时受零件外形的约束，建议跳板宽度w的取值范围20mm～40mm。

图5(a)～图5(d)所示的支撑跳板的直板和斜板均为规则形状，实际上直板和斜板也可以都做成与零件随形的形状，这里不再赘述。

通过上述步骤s303设计了支撑跳板后，进入步骤s304，在步骤s304，根据零件的实际情况来确定支撑跳板的数量。当然，步骤s303和s304也可以调换顺序，即可以先确定支撑跳板的数量再设计支撑跳板。图6(a)～图6(c)是零件下添加了本发明实施例的支撑跳板的示意图。其中，图6(a)是立体图，图6(b)是正视图，图6(c)是侧视图。

确定支撑跳板的数量主要遵循以下几个原则：各支撑跳板横向保持0.1mm～0.3mm的间隙，纵向距离以支撑跳板的斜板略重叠为好，斜板略重叠的话能够避免支撑跳板之间出现细长并与基板直接接触的网格结构支撑。

如图6(a)所示，在零件101的悬臂结构下方添加了四个支撑跳板501，四个支撑跳板纵向排列为两排，每一排在横向排列两个支撑跳板。如图6(b)所示，601表示支撑跳板501之间的横向间隙。如图6(c)所示，602表示支撑跳板间的重叠部分。图6(a)～图6(c)示例的是设置了四个支撑跳板，当然，本领域技术人员完全可以根据实际情况来确定支撑跳板的数量。

通过以上的步骤添加好支撑跳板以后，进入步骤s305，在步骤s305，以零件的外形为边界，对支撑跳板的轮廓进行修剪而得到可成形的支撑跳板，去除不会承接支撑的冗余部分，由此降低支撑跳板的体积，减少粉末消耗量。

接着，支撑跳板添加后与零件合并为一体从而使设计支撑时从支撑跳板上开始生成支撑，再按常规的步骤进行支撑设计、零件模型切片等后续工作。

图7(a)和图7(b)是在零件下添加了支撑的示意图。图7(a)是在零件101下添加了常规的网格结构支撑201的示意图，图7(b)是在零件101下添加了本发明实施例的支撑跳板501并在支撑跳板501上再生长网格结构支撑201的示意图。

从图7(a)可以看出，网格结构支撑本身就会消耗大量的金属粉末，而如图7(b)那样，在零件下添加支撑跳板并在支撑跳板上再生长网格结构支撑的方式可以大大节省耗粉量。通过计算得到了以下的结论，采用本发明的支撑跳板的话，支撑部分的耗粉量理论上可以节省50％以上，并且原支撑高度越高，粉末节省量越大；采用本发明的支撑跳板的话，网格结构支撑部分的平均高度至少降低1/2，其结构稳定性增加，网格结构支撑被铺粉装置刮坏的概率降低，从而可以提高打印的成功率；并且在其他工艺条件相同的情况下，采用支撑跳板形式与不采用支撑跳板形式相比，成形时间上不增加甚至有所降低。

上面已经描述了本发明的实施例和实施情形。但是，本发明的精神和范围不限于此。本领域技术人员将能够根据本发明的教导而做出更多的应用，而这些应用都在本发明的范围之内。

也就是说，本发明的上述实施例仅仅是为清楚说明本发明所做的举例，而非对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、替换或改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。