选区激光熔化金属增材制造用的随形支撑模型的制作方法与流程

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随形支撑模型的制作方法。

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；并且由于不同高度、水平方向不同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)。

目前较为常用的支撑形式有网格结构、树形结构以及实体结构等，可以将增材制造过程中产生的热量传导到基板，从而降低温度梯度；支撑具有一定的强度，可以抵抗零件的应力变形；并且支撑还能起到承载零件重量的作用，因为粉末松散且具有流动性无法承重。图1(a)～图1(c)为上述支撑结构的示意图，其中图1(a)为网格支撑，图1(b)为树形支撑，图1(c)为实体支撑。

上述支撑有一个共同特点，就是在零件的增材制造位置已经固定的情况下，支撑添加在零件与水平面夹角小于某一度数(通常为40°左右)的面上。横向上零件周围充满粉末，由于粉末属于非连续体，中间存在大量空隙，因此导热性较差，只有辅助散热的功能，而支撑则起到了散热的主要作用，它可以垂直向下传导零件在制造过程中产生的热量。图2(a)和图2(b)示出了设置上述一般支撑的示意图，其中，图2(a)为正视图，图2(b)为俯视图。利用激光205在基板201上生长零件208，在基板201与零件208之间设置一般支撑202，其中203为未烧结粉末，204为当前烧结层，206为已成型部分，207为未成型部分。如上所述，一般支撑202可以垂直向下传导零件在制造过程中产生的热量，然而，当内因(如材质、零件形状)和外因(后期机加工)共同决定而导致零件的摆放方位不利于垂直方向散热时，就会产生很大的温度梯度，再加上零件的不同高度、同一高度不同区域不同时凝固，就会产生很大的内应力，上面所述的一般支撑在导热和抵抗应力变形方面都会显得力所不及。此外，当零件水平方向上刚度不足且存在应力时，只能约束零件垂直方向上的变形的上述支撑对此也无能为力。一旦零件在制造过程中发生变形，会造成制造过程无法继续，造成时间和材料上的浪费。即使能够完成制造，也会因为变形而使零件产生形位偏差，影响零件的正常使用。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种新的支撑形式的制作方法，即随形支撑。当一般的支撑形式不能满足零件在增材制造过程中的散热要求，和/或零件水平方向刚度不足，一般的支撑形式无法起到约束作用时，本发明的随形支撑可以起到辅助散热作用并在水平方向起到物理约束作用，从而减小内应力，抵抗变形。

根据本发明的第一方面，提供一种选区激光熔化金属增材制造用的随形支撑模型的制作方法，包括以下步骤：a.利用三维制图软件创建三维零件的模型；b.确定随形支撑的位置；c.根据步骤b确定的位置制作原始随形支撑模型；d.将所述原始随形支撑模型放置在步骤b所确定的位置；e.将所述原始随形支撑模型中与所述零件重叠的部分通过布尔运算减掉，得到中间随形支撑模型；f.通过修剪功能将所述中间随形支撑模型的多余的部分修剪掉，得到最终随形支撑模型。

根据本发明的选区激光熔化金属增材制造用的随形支撑模型的制作方法，所述步骤b所确定的位置为通过理论分析得出的零件散热条件差和/或刚度不足的位置、或根据以前的制造结果确定的出现变形的位置。

根据本发明的选区激光熔化金属增材制造用的随形支撑模型的制作方法，所述步骤c中制作的原始随形支撑模型为一个或多个，多个所述原始随形支撑模型的外形相同或不相同。

根据本发明的选区激光熔化金属增材制造用的随形支撑模型的制作方法，所述步骤c中制作的原始随形支撑模型为板状。

根据本发明的选区激光熔化金属增材制造用的随形支撑模型的制作方法，所述原始随形支撑模型的厚度范围为1mm～50mm。

根据本发明的选区激光熔化金属增材制造用的随形支撑模型的制作方法，所述步骤e中，通过减运算的参数控制，使得所述中间随形支撑模型与所述零件之间为间隙配合状态。

根据本发明的选区激光熔化金属增材制造用的随形支撑模型的制作方法，所述间隙的范围为0～5mm。

根据本发明的选区激光熔化金属增材制造用的随形支撑模型的制作方法，所述步骤f中所述中间随形支撑模型的多余的部分为高度方向上高出所述零件的部分和水平方向上保证一定宽度而使随形支撑有足够刚度情况下多出的部分。

通过本发明的制作方法制作的随形支撑具有一定的宽度和厚度，从而有足够的刚度可以约束零件的变形。此外，随形支撑与零件保持合适的间隙并与基板接触，从而可以收集零件在增材制造过程中产生的热量以及零件传导到粉末中而无法散发的热量，并将其传导走，可以显著降低零件因散热条件不好造成的较大的温度梯度，从而减小内应力，降低热应力变形。

附图说明

图1(a)～图1(c)为目前常用的支撑形式的示意图，其中图1(a)为网格支撑，图1(b)为树形支撑，图1(c)为实体支撑。

图2(a)和图2(b)为设置一般支撑的示意图，其中，图2(a)为正视图，图2(b)为俯视图。

图3为本发明的随形支撑模型的制作方法的流程图。

图4为随形支撑的参数的示意图。

图5(a)～图5(c)示出了散热状态的示意图。其中，图5(a)是未设置随形支撑的散热状态的正视图，图5(b)是设置有随形支撑的散热状态的正视图，图5(c)是设置有随形支撑的散热状态的俯视图。

具体实施方式

选区激光熔化金属增材制造技术根据零件的三维模型数据，通过成型设备以材料累加的方式制成实物零件。以下结合附图详细介绍本发明的随形支撑模型的制作方法。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。

图3示出了本发明的随形支撑模型的制作方法的流程图。在步骤S301，利用三维制图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制图软件兼容，打开三维制图软件，将所要添加随形支撑的三维零件模型加载到软件中，然后将零件按照最终增材制造所需的摆放位置和角度在制图软件中摆放好。

在步骤S302，确定随形支撑的位置，也就是说，确定需要在哪里设置随形支撑。确定随形支撑的位置的方法有多种，例如，运用结构学和热力学知识，分析零件散热条件差和/或刚度不足的位置，将其确定为设置随形支撑的位置；或者参照之前3d打印的结果，将出现变形的位置确定为设置随形支撑的位置。

在步骤S303，按照步骤S302所确定的位置，创建一个或多个外形相同或外形不同的原始随形支撑模型。随形支撑模型通常为板状，随形支撑模型的厚度范围为1～50mm，依据零件的材质和形貌而定，也可根据实际情况创建其他形状的随形支撑模型。随形支撑要有一定的厚度，这样随形支撑会有足够的刚度，从而可以约束零件的变形。图4为随形支撑的参数的示意图，其中，401代表随形支撑的数量，402代表随形支撑的厚度，403代表随形支撑的宽度，404代表随形支撑与零件的间隙，该参数在后面会涉及。图中所示出的随形支撑的参数只是示例，可根据实际情况确定随形支撑的各种参数。

在步骤S304，将步骤S303中创建的各个原始随形支撑模型放置在步骤S302所确定的位置。

在步骤S305，制作中间随形支撑模型。具体地说，运用布尔运算，依次将各个随形支撑模型中与零件重叠的部分减掉，得到中间随形支撑模型，并通过减运算的参数控制，使得中间随形支撑模型与零件之间为间隙配合状态，间隙值可取0～5mm范围内的任意值，该间隙值由零件尺寸精度要求、材料导热性等因素决定。可通过等条件可重复性实验进行确定，也可按照经验确定。图4中的404代表随形支撑与零件的间隙。

在步骤S306，制作最终随形支撑模型。具体地说，通过修剪功能，将中间随形支撑模型多余的部分，如高度方向上高出零件的部分和水平方向上保证一定宽度而使随形支撑有足够刚度情况下多出的部分，都可以修剪掉，得到最终随形支撑模型，这样可以节省材料和制造时间，并降低自身的应力。最终得到的每个随形支撑的最低位置为一个零点面，使随形支撑以基板为基础，面接触生长，确保每个随形支撑自己不会变形并有良好的导热通道。另外，添加的若干随形支撑自成一部分，与零件区分。随形支撑与零件有合适的间隙并与基板为面接触，由此，随形支撑能够起到辅助导热的作用。

按照以上步骤制作模型后，再按照增材制造零件一般的数据处理过程对零件进行一般支撑的添加和切片处理，随形支撑作为一个零件进行切片处理，烧结参数采用与零件相同的烧结参数。

图5(a)～图5(c)示出了散热状态的示意图。其中，图5(a)是未设置随形支撑的散热状态的正视图，图5(b)是设置有随形支撑的散热状态的正视图，图5(c)是设置有随形支撑的散热状态的俯视图。

如图5(a)所示，横向上零件周围充满粉末，由于粉末属于非连续体，中间存在大量空隙，因此导热性较差，只有辅助散热的功能，而一般的支撑则起到了散热的主要作用，它可以垂直向下传导零件在制造过程中产生的热量。然而，当内因(如材质、零件形状)和外因(后期机加工)共同决定而导致零件的摆放方位不利于垂直方向散热时，就会产生很大的温度梯度，再加上零件的不同高度、同一高度不同区域不同时凝固，就会产生很大的内应力，一般支撑在导热和抵抗应力变形方面都会显得力所不及。

如图5(b)和图5(c)所示，除了一般的支撑之外，还设置了随形支撑，图中的301代表随形支撑，本发明的随形支撑是一种非接触式实体支撑，相比于粉末具有更高的导热性能，与零件间有很小的间隙，可以收集零件在增材制造过程中产生的热量以及零件传导到粉末中而无法散发的热量，并将其传导走，可以显著降低零件因散热条件不好造成的较大的温度梯度，从而减小内应力，降低热应力变形。同时随形支撑与零件只有很小的间隙，在物理上对零件可以起到约束作用，抵抗零件的变形，防止零件因热应力变形而造成的制造中断或零件形位尺寸超差而无法使用的后果，从而节省时间、材料等成本，此方法操作简单，灵活，具有较高的实用价值。

上面已经描述了本发明的各种实施例和实施情形。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。