一种快速去除3D打印支撑的方法与流程

本发明属于增材制造领域，尤其涉及一种快速去除3D打印支撑的方法。

背景技术：

增材制造（Additive Manufacturing,AM）俗称3D打印（3-Dimension Printing），与传统的以车、铣、刨、磨等为代表的材料去除加工技术不同的是，增材制造是一种在计算机控制下通过材料逐层累加的方法制造实体零件的技术。

增材制造技术发源于20世纪80年代，其核心思想是先离散再堆积的“降维制造”，因此，增材制造技术对外形复杂度不敏感，采用增材制造可以省去中间环节，直接制造出形状复杂的零件。精准、高效、响应速度快、可实现个性化制造，3D打印技术以其独特的优势正广泛应用于航空航天、模具制造、医疗、汽车、消费电子等领域，为现代制造业提供了一种有力的工具和一条崭新的思路。

按照材料的供给方式，3D打印技术可分为铺粉和送粉/送丝两种基本类型。以熔融沉积成形（Fusion Deposition Modeling,FDM）为代表的送丝技术往往需要为零件悬垂结构添加支撑。此外，为了方便零件从成型基板上去除，需要在零件与基板接触部分添加支撑。FDM基本的制造流程为：

（1）在计算机上设计零件三维模型；

（2）为零件悬垂部分及与基板接触部位添加支撑；

（3）对模型进行切片处理，将三维模型离散为N个高度为和h的片层；

（4）对步骤（2）中所得到的每一个片层进行加工路径的规划，得到一系列二维轨迹信息；

（5）按照步骤（3）中的第一片层的加工路径进行二位方向上的加工，加工厚度为h；

（6）进行下一片层的加工，直到N个片层全部加工完毕；

（7）去除零件支撑，进行后处理。

在实际的制造过程中，支撑的去除往往需要耗费大量的时间，而且通常情况下大面积的支撑去除非常困难，去除支撑的过程中容易对零件表面造成损伤，造成表面粗糙度和精度下降，甚至无法使用。

为了解决这一难题，研究人员采取了以下两种方法：

一方面，改变支撑的结构，采用网格状、镂空、树状等结构降低支撑的强度和支撑与零件的结合力，从而提高支撑的可去除性。

另一方面，改变支撑材料，采用水溶性材料作为支撑结构，例如可溶于水的聚乙烯醇（PVA）材料。

然而上述两种方法都有其缺陷。改变支撑结构虽然能再一定程度上降低支撑与零件的结合力，但是支撑仍然难以完全去除，去除支撑后的零件表面粗糙度和精度依然较差；改变支撑材料虽然可以完全去除支撑，但是往往需要将支撑在水中浸泡相当长的一段时间，而且水溶性的材料价格较高，支撑体积越大时间和价格成本越高。

此外，以上两种方法都存在一个共同的问题：支撑结构和零件实体变形量不同，在零件内部易造成残余应力，导致零件变形甚至开裂，而且支撑体积与零件体积越接近这种负面影响越显著。

技术实现要素：

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种快速去除3D打印支撑的方法，以解决现有3D打印技术中去除支撑困难，在零件内部易造成残余应力，导致零件变形甚至开裂等问题。

为达到上述目的，本发明的一种快速去除3D打印支撑的方法，包括步骤如下：

（1）利用三维软件建立零件模型，并以.STL格式保存；

（2）将所述.STL格式保存的零件模型导入到切片软件中添加支撑并切片；

（3）识别并分离步骤（2）中零件和支撑的切片信息，提取支撑起始和结束的片层信息并保存至控制系统；

（4）在支撑结构打印开始之前，控制系统根据步骤（3）中保存的支撑起始片层信息控制介质材料喷头在基板或者先期成形的零件实体上打印一层介质材料，然后更换零件材料打印头打印支撑结构；

（5）在支撑结构打印结束之后，控制系统根据步骤（3）中保存的支撑结束片层信息控制介质材料喷头在先期成形的支撑结构上喷涂一层介质材料，然后更换零件材料打印头打印零件；

（6）零件打印完成之后，将零件和成型基板取下并对介质层进行降解处理，支撑与零件、基板的连接处的易降解材料溶解，支撑与零件自然分离。

优选地，所述的介质材料为易降解材料，所述零件材料为不可降解材料。

优选地，所述的易降解材料为固体丝材、粉末颗粒或液体光敏树脂。

优选地，上述步骤（6）中的降解方式是溶于特定溶液、加热溶解或者光照分解。

优选地，上述步骤（6）中的易降解材料具体添加在零件与基板之间、零件与支撑之间、以及支撑与基板之间。

优选地，介质材料根据支撑截面积的大小选择是否需要添加：首先设置支撑截面积阈值，在打印支撑前后，计算支撑起始或者结束截面面积，若截面面积大于设定的积阈值，则所述介质材料喷头开启，打印指定层厚的介质材料；若截面面积小于设定的积阈值，则不打印介质材料，直接打印零件实体。

优选地，所述的介质层的厚度可调，支撑厚度是打印层厚的整倍数。

优选地，所述的介质层内部结构选择实体、网格或多孔的结构类型，或自定义结构形式。

本发明的有益效果：

1）支撑去除容易且快捷；

2）去除支撑的时候不影响零件表面质量；

3）介质材料用量少，降低了异种材料收缩率不同而造成零件变形、开裂的影响；

4）易降解材料用量少，节约成本，介质层分解速度快；

5）系统结构简单，易于实现模块化设计制造。

附图说明

图1为本发明快速去除3D打印支撑的方法的步骤流程图。

图2为介质层为实体结构示意图。

图3为介质层为网格结构示意图。

图4为介质层为多孔结构示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

本发明的一种快速去除3D打印支撑的方法，包括步骤如下：

（1）利用三维软件建立零件模型，并以.STL格式保存；

（2）将所述.STL格式保存的零件模型导入到切片软件中添加支撑并切片；

（3）识别并分离步骤（2）中零件和支撑的切片信息，提取支撑起始和结束的片层信息并保存至控制系统；

（4）在支撑结构打印开始之前，控制系统根据步骤（3）中保存的支撑起始片层信息控制介质材料喷头在基板或者先期成形的零件实体上打印一层介质材料，然后更换零件材料打印头打印支撑结构；

（5）在支撑结构打印结束之后，控制系统根据步骤（3）中保存的支撑结束片层信息控制介质材料喷头在先期成形的支撑结构上喷涂一层介质材料，然后更换零件材料打印头打印零件；

（6）零件打印完成之后，将零件和成型基板取下并对介质层进行降解处理，支撑与零件、基板的连接处的易降解材料溶解，支撑与零件自然分离。

其中，所述的介质材料为易降解材料，所述零件材料为不可降解材料。

其中，所述的易降解材料为固体丝材、粉末颗粒或液体光敏树脂。

其中，上述步骤（6）中的降解方式是溶于特定溶液、加热溶解或者光照分解。

其中，上述步骤（6）中的易降解材料具体添加在零件与基板之间、零件与支撑之间、以及支撑与基板之间。

其中，介质材料根据支撑截面积的大小选择是否需要添加：首先设置支撑截面积阈值，在打印支撑前后，计算支撑起始或者结束截面面积，若截面面积大于设定的积阈值，则所述介质材料喷头开启，打印指定层厚的介质材料；若截面面积小于设定的积阈值，则不打印介质材料，直接打印零件实体。

其中，所述的介质层的厚度可调，支撑厚度是打印层厚的整倍数。

其中，所述的介质层内部结构选择实体、网格或多孔的结构类型，或自定义结构形式。

参照图1所示，实施例1中，具体工作流程如下：

11.在计算机上建立零件的三维模型；

12.以.STL格式导入到切片软件中；

13.在零件与基板接触部位、零件悬垂结构处添加支撑；

14.设置介质层厚度d以确定介质打印的厚度，设置介质层接触面阈值A以确定是否需要打印介质层，设置介质层内部结构形式；

15.对零件进行切片处理；

16.将切片数据导入到打印机控制系统；

17.控制系统根据切片信息分别打印零件、支撑、介质层结构；

18.打印完成后取下零件和基板，对介质材料进行降解处理，支撑与零件、基板的连接处的易降解材料溶解，支撑与零件自然分离；

19.取下零件，打印完成。

参照图2-图4所示，其分别为三个不同的介质层结构形式，其中：

图2是实体结构，这种结构收缩率小，强度较高，适合于变形较大的部位或者接触面积较小的部位；

图3是网格结构，这种结构易于拆除，节省材料，适合于接触面积较大的部位；

图4是多孔结构，这种结构收缩率和强度介于上述二者之间，多孔结构增大了材料与溶液的接触面积或者受热、受光辐射面积，有助于后期介质材料的快速去除。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。