一种增材制造用支撑结构及其设计方法与流程

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种增材制造用支撑结构及其设计方法。

背景技术：

随着增材制造技术的快速发展，增材制造成型的工件已经广泛地应用于航空、航天、医疗等领域。在工件成型过程中，增材制造用支撑结构的形状、设置位置等是影响最终工件质量的重要因素。

在对增材制造用支撑结构进行设计时，材料的用量是一个重要的考虑因素，现有技术中，支撑结构包括直线型、树形等多种类型，相对于其他类型的支撑结构，树形支撑结构能够在一定程度上减少材料用量、降低支撑结构的重量，但是，为了进一步提高材料的利用率，需要进一步降低支撑结构的材料用量。

因此，亟待需要一种增材制造用支撑结构及其设计方法来解决上述技术问题。

技术实现要素：

本发明的第一个目的在于提出一种增材制造用制成结构的设计方法，其构造的支撑结构材料用量少、质量轻，且能够有效降低金属打印过程中的热应力。

本发明的第二个目的在于提出一种增材制造用支撑结构，材料用量少、质量轻，且能够有效降低金属打印过程中的热应力。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种增材制造用支撑结构的设计方法，包括步骤：

在树形支撑结构的表面选取预设数量的建模点；

基于所述建模点，采用voronoi算法生成晶胞结构；

获得所述晶胞结构的表面与所述树形支撑结构的表面之间的交线，所述交线由多个分段组成；

以每个所述分段为轴线，分别对应生成管状的支撑件；

对所述支撑件进行细化处理，以构成所述支撑结构。

可选地，所述树形支撑结构包括实心主干部和实心枝干部，所述实心枝干部的末端为圆锥结构，步骤1中，所述建模点的选取方法包括：

在每个所述圆锥结构的底面圆周上选取预设数量的选取点；

在所述树形支撑结构除去所述圆锥结构以外的表面上，以预设密度选取随机点，所述选取点和所述随机点的集合为所述建模点。

可选地，采用布尔关系得到所述晶胞结构的表面与所述树形支撑结构的表面之间的交线。

可选地，生成所述支撑件的方法为：

分别以每个所述分段为轴线，并赋予每个所述分段一个预设半径，以使每个所述分段对应生成一个所述支撑件。

可选地，对所述支撑件进行细化处理的步骤包括：通过布尔操作，去除所述支撑件间的重合部分；

一种增材制造用支撑结构，所述支撑结构呈树形，所述支撑结构为内部设置有空腔的壳体结构，所述壳体结构包括多个管状的支撑件，多个所述支撑件使所述壳体结构形成包括多个孔洞的连续网状壳体，所述孔洞与所述空腔连通。

可选地，所述支撑结构包括框架主干部和多个连接于所述框架主干部的框架枝干部，所述框架枝干部的末端处的所述支撑件围成棱锥框架，所述棱锥框架的顶点为支撑点。

可选地，所述支撑件的横截面为圆形，相邻的所述支撑件之间平滑连接。本发明有益效果为：

本发明的增材制造用支撑结构的设计方法，在传统树形支撑结构的基础上进行了进一步优化，通过获得晶胞结构的表面与树形支撑结构的表面的交线，获得多个支撑件，支撑件可以围成内部具有空腔，且表面具有孔洞的壳体结构，从而能够大大减少整个支撑结构的材料使用量，降低支撑结构的重量；且在此结构基础上，对于slm而言，支撑结构的各部位热应力均匀，故能够有效避免热应力不均导致的支撑结构变形，从而能够提高其所支撑的工件的成型精度，此外，也便于在完成增材制造后将支撑结构从工件上去除。

本发明的增材制造用支撑结构，在传统树形支撑结构的基础上进行了进一步优化，多个支撑件围成内部具有空腔，且表面具有孔洞的网状壳体，从而能够大大减少支撑结构的材料使用量，降低支撑结构的重量，在此结构基础上，对于slm而言，支撑结构的各部位热应力均匀，故能够有效避免热应力不均导致的支撑结构变形，从而能够提高其所支撑的工件的成型精度，此外，也便于在完成增材制造后将支撑结构从工件上去除。

附图说明

图1是本发明具体实施方式提供的增材制造用支撑结构的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式提供的一种增材制造用支撑结构的设计方法的流程图；

图3是本发明具体实施方式提供的树形支撑结构的结构示意图；

图4是本发明具体实施方式提供的去除树形支撑结构末端的圆锥结构后的示意图；

图5是本发明具体实施方式提供的在树形支撑结构表面选取的建模点的示意图；

图6是本发明具体实施方式提供的晶胞结构的表面与树形支撑结构表面之间的交线的示意图；

图7是本发明具体实施方式提供的另一种增材制造用支撑结构的设计方法的流程图。

图中：

1-树形支撑结构；11-实心主干部；12-实心枝干部；121-圆锥结构；

2-建模点；21-选取点；22-随机点；

3-交线；4-支撑件；

51-框架主干部；52-框架枝干部；521-棱锥框架；522-支撑点；523-孔洞。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

本实施例提供了一种增材制造支撑用支撑结构及其设计方法，尤其适用于金属材料增材制造中，也可以用于光敏树脂等材料的增材制造中。具体地，如图1所示，增材制造用支撑结构呈树形，支撑结构为内部设置有空腔的壳体结构，壳体结构包括多个管状的支撑件4，多个支撑件4使壳体结构形成包括多个孔洞523的连续网状壳体，且孔洞523与空腔连通。

本实施例中，增材制造用支撑结构整体轮廓接近于树形，但是在常规树形支撑结构1的基础上进行了进一步优化，通过多个支撑件4围成内部具有空腔，且表面具有孔洞523的连续网状壳体，从而能够大大减少本实施例支撑结构的材料使用量，降低支撑结构的重量，在此结构基础上，对于slm(selectivelasermelting，选择性激光熔化)而言，支撑结构的各部位热应力均匀，能够有效避免热应力不均导致的支撑结构变形，从而能够提高其所支撑的工件的成型精度，此外，也便于在完成增材制造后将支撑结构去除。本实施例的支撑结构相对于常规的树形支撑结构1而言，能够减重60％～70％。

可选地，本实施例中，支撑结构可以是金属材料制成，也可以是光敏树脂材料制成，在此不做具体限定。

通常情况下，树形支撑结构1包括主干部和枝干部，且枝干部沿远离主干部的方向包括多个级别的枝干。如图1-图6所示，本实施例以具有一级枝干的树形支撑结构1为基础，对增材制造用支撑结构的设计方法进行说明，设计方法具体包括：

步骤1，在树形支撑结构1的表面选取预设数量的建模点2；

步骤2，基于建模点2，采用voronoi算法生成晶胞结构；

步骤3，获得晶胞结构的表面与树形支撑结构1的表面之间的交线3，交线3由多个分段组成；

步骤4，以每个分段为轴线，分别对应生成管状的支撑件4；

步骤5，对支撑件4进行细化处理，细化处理之后的所有支撑件4构成支撑结构。

需要说明的是，如图3所示，步骤1中，树形支撑结构1为常规的支撑结构，在不违背本申请发明构思的基础上，树形支撑结构1可以根据工件的模型结构采用现有技术中任意的算法生成，在此不做限定。

如图3所示，本实施例中，树形支撑结构1包括实心主干部11和实心枝干部12，且实心枝干部12仅包括一级。如图1所示，基于本实施例树形支撑结构1对应形成的增材制造用支撑结构包括与实心主干部11对应的框架主干部51和与实心枝干部12对应的框架枝干部52。其他实施例中，实心枝干部12可以包括第一级枝干，第二级枝干，…，第n极枝干，其中，第一级枝干的一端与实心主干部11连接，从第二级枝干起，每一级枝干均与上一级枝干连接。则相应地，框架枝干部52对应包括第一及框架枝干，第二级框架枝干，…，第n极枝干。需要说明的是，框架枝干部52包括的枝干的数量、级数可以根据所要成型的工件的具体情况选择设计，在此不做限定。

优选地，如图1所示，每一级别的框架枝干的轴线与竖直方向的夹角不大于对应的树形支撑结构的1最大悬臂角度。需要说明的是，“对应的树形支撑结构”是指，生成支撑结构所依据的树形支撑结构。进一步地，本领域中，树形支撑结构的最大悬垂角度是指能够保证枝干自支撑的最大角度，且最大悬垂角度的具体数值与支撑结构的材料本身、增材制造所用的设备等因素决定。本实施例中，将框架枝干的轴线设置在该角度范围内，可以保证框架枝干的自支撑性。

优选地，如图1和图3所示，本实施例中，步骤1中选取最后一级枝干的末端为圆锥结构121的树形支撑结构1(圆锥结构121的顶点为树形支撑结构1对工件的支撑点522)，以使最后一级框架枝干的末端处的支撑件4能够围成棱锥框架521，棱锥框架521的顶点即为支撑结构对工件的支撑点522，不仅便于在工件成型后，将支撑结构从工件上取下，且使支撑结构与工件的接触面积很小，有利于保证工件表面较高的粗糙度要求，从而能够减少或免去工件与支撑结构分离后的表面处理的工序。

优选地，如图4和图5所示，在选取建模点2时包括步骤：

步骤11，在每个圆锥结构121的底面圆周上选取预设数量的选取点21；

步骤12，在树形支撑结构1除去圆锥结构121以外的表面上，以预设密度选取随机点22，选取点21和随机点22的集合共同构成建模点2。

如图1和图6所示，通过以上的方法选取建模点2，能够保证晶胞结构的表面经过圆锥结构121的顶点，并使每个框架枝干部52的末端形成棱锥框架521，而棱锥框架521的顶点即为圆锥结构121的顶点，也是支撑结构对工件的支撑点522。需要说明的是，随机点22的选取密度不易过大也不易过小，以slm为例，当预设密度过小时，随机点22的数量难以保证每个框架枝干形成连续体，而当预设密度过大时，随机点22过多，则会使得支撑结构内腔的粉末难以从孔洞523排出。具体的随机点22的设置密度需要根据支撑结构的尺寸、增材制造的工艺和参数等多个因素来决定。

进一步地，选取点21的数量可以根据随机点22的预设密度、支撑结构的总尺寸等因素进行设置，本实施例中，如图1所示，选取点21为圆锥结构121底面圆周的三等分点，此时每个框架枝干的末端的支撑件4围成三棱锥框架521，其他实施例中，选取点21也可以是圆锥结构121底面圆周的四等分点、五等分点，在此不做具体限定。

步骤2中，voronoi算法是本领域基于建模点2生成晶胞结构的常用方法，其原理及具体计算方法在此不再赘述。

可选地，步骤3中，可以采用布尔关系对晶胞结构和树形支撑结构1进行处理，以得到晶胞结构的表面与树形支撑结构1的表面之间的交线3。

进一步地，如图1和图6所示，步骤4中，在获得由多个分段组成的交线3后，以每个分段为轴线，并赋予分段一个预设半径，以使每个分段对应生成一个支撑件4，本实施例中，支撑件4为圆管状，且相邻的支撑件4的端部相连接，以围成多个曲面多边形孔洞523。可选地，预设半径的具体大小，需要结合支撑结构的尺寸、随机点22的密度等因素进行选取，本实施例不做具体限定。当然，其他实施例中，支撑件4的横截面也可以不是圆形，可以根据实际需要选择设置。

由于支撑件4自身具有一定的半径，故在生成支撑件4后，支撑件4之间的连接位置处会有部分重合和不规则凸起，因此需要对支撑件4进行进一步的细化处理，具体地包括：

步骤51，通过布尔操作，去除相邻的支撑件4之间的重合部分；

步骤52，对支撑件4之间的连接处进行圆滑处理，以将不规则的凸起部分去除，得到如图1所示的增材制造用支撑结构。

需要说明的是，步骤51和步骤52的顺序可以进行调换，本实施例不做限定。可选地，在不违背本申请的发明构思的基础上，步骤52中对支撑件4之间的连接处进行圆滑处理的方法可以是现有技术中的任意一种，在此不做限定。

综上所示，如图7所示，本实施例增材制造用支撑结构的设计方法包括：

步骤11，树形支撑结构1的实心枝干部12末端为圆锥结构121，在每个圆锥结构121的底面圆周上选取预设数量的选取点21；

步骤12，在树形支撑结构1除去圆锥结构121以外的表面上，以预设密度选取随机点22，选取点21和随机点22的集合共同构成建模点2。

步骤2，基于建模点2，采用voronoi算法生成晶胞结构；

步骤3，采用布尔关系获得晶胞结构的表面与树形支撑结构1的表面之间的交线3，交线3由多个分段组成；

步骤4，以每个分段为轴线，并赋予每个分段一个预设半径，以使每个分段对应生成一个圆管状的支撑件4；

步骤51，通过布尔操作，去除相邻的支撑件4之间的重合部分；

步骤52，对支撑件4之间的连接处进行圆滑处理，以将不规则的凸起部分去除，得到最终的增材制造用支撑结构。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。