用于激光选区熔化成形悬空面的辅助支撑结构及其应用方法与流程

本发明涉及一种用于激光选区熔化成形悬空面的辅助支撑结构及其应用方法，属于增材制造技术领域。

背景技术：

激光选区熔化成形技术(简称slm)属于金属增材制造领域，是近十年来迅速发展起来的数字化高精度快速制造技术。该技术通过激光逐层扫描由三维数字模型转换成相同切片厚度的二维图形轮廓，逐层沉积成为与三维模型结构相同的产品，具有成形尺寸精度高、对零件的结构敏感程度低等优点，特别适用于中、小尺寸复杂薄壁产品的快速、近净成形。

产品的激光选区熔化成形过程稳定性和尺寸精度与产品的复杂程度密切相关。对于结构简单的产品而言，在三维模型处理时，通过三维模型摆放姿态调整，即可满足产品的成形要求。对于结构复杂的产品，slm成形时，经过三维模型姿态调整后，产品仍然存在悬空面(如图1所示)，所述悬空面包括水平悬空面、近水平悬空面、弧形悬空面等，在进行slm成形前需要给悬空面添加辅助支撑，以实现对悬空面的成形。

目前，如图2所示，辅助支撑通常在成形时与产品实体一同成形得到，因而现有辅助支撑填充在产品悬空面、侧面与底面形成的空腔内，辅助支撑结构底部与成形底面连接，顶部与悬空面连接，侧壁与产品侧壁之间具有间隙，产品成形结束后，通过机械加工、手工等方式去除支撑即可得到产品。

现有辅助支撑由于贯穿在产品悬空面与底面之间，导致辅助支撑体积大、重量大。大体积的辅助支撑对铺粉刮刀的阻力大，铺粉刮刀对辅助支撑的反作用力(剪切力)也大；尤其是当支撑有一定高度时，支撑抗剪切的能力显著降低，使成形过程更不稳定；同时辅助支撑材料内部的缺陷较多，强度相对较低，当铺粉刮刀经过辅助支撑上方时，在剪切力和压力的双重作用下，支撑易崩裂、坍塌。辅助支撑局部崩裂、坍塌后，在不影响产品连续成形的情况下，悬空部分易出现表面粗糙、挂渣严重的现象，影响成形产品的尺寸精度；严重时，会出现产品局部翘曲、刮刀卡顿等现象，造成产品无法连续成形，使slm成形失败。此外，成形大体积的辅助支撑需要占用相当长的成形时间，造成时间和原材料的浪费。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种用于激光选区熔化成形悬空面的辅助支撑结构及其应用方法，通过设置悬空平面，支撑结构的体积可降低40％以上，减少了辅助支撑的成形时间和原材料的使用量，节约了生产成本；同时，本发明提供的辅助支撑结构在成形过程中显著降低了局部崩裂、坍塌等现象的出现几率，大大降低了产品成形过程中发生翘曲、变形等现象的几率，提高了产品的合格率。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于激光选区熔化成形的辅助支撑结构，包括至少一个支撑块，所述支撑块设有第一支撑面、第二支撑面及悬空平面，所述第一支撑面用于与产品的悬空面连接以支撑所述悬空面，所述第二支撑面用于与所述产品的内侧表面连接，所述悬空平面所在面与所述第一支撑面和所述第二支撑面相交。

在一可选实施例中，所述悬空平面与所述竖直平面的夹角为-45°～45°。

在一可选实施例中，所述的用于激光选区熔化成形的辅助支撑结构，包括至少两个所述支撑块，所述至少两个支撑块的第一支撑面相接，用于共同支撑所述悬空面。

在一可选实施例中，所述支撑块还设有对接面，所述对接面平行于所述竖直平面。

在一可选实施例中，所述悬空平面与所述竖直平面的夹角为-60°～-45°或45～60°，所述辅助支撑结构还包括支撑立柱，所述立柱用于支撑在所述悬空面与所述产品的成形底面之间，所述立柱的上表面与所述至少两个第一支撑面相接，与所述至少两个第一支撑面共同支撑所述悬空面。

在一可选实施例中，所述的用于激光选区熔化成形的辅助支撑结构为网格类支撑结构。

在一可选实施例中，所述网格类支撑结构包括多排多列栅格，每个所述栅格的边长为5～10mm，构成所述栅格的网格边长为0.5～1mm，相邻两个栅格之间的距离为0.3～0.8mm。

一种激光选区熔化成形的产品体系，包括激光选区熔化成形的产品，所述产品包括侧壁和架设在所述侧壁之间的悬空面，还包括上述的辅助支撑结构。

一种辅助支撑结构的应用方法，包括以下步骤：

(1)根据待成形产品的设计结构及尺寸，确定辅助支撑结构，其中，所述辅助支撑结构由权利要求1-7任一项提供；

(2)通过激光选区熔化成形得到带有所述辅助支撑结构的产品体系。

在一可选实施例中，步骤(1)所述的根据待成形产品的设计结构及尺寸，确定辅助支撑结构，包括：

当所述悬空面的包络尺寸的长宽比小于5:1时，所述辅助支撑结构包括一个所述支撑块。

在一可选实施例中，步骤(1)所述的根据待成形产品的设计结构及尺寸，确定辅助支撑结构，包括：

根据所述待成形产品的悬空面的结构及面积，将所述悬空面划分成至少两个子区域，所述辅助支撑结构包括至少两个所述支撑块，且所述支撑块与所述子区域一一对应。

在一可选实施例中，所述根据所述待成形产品的悬空面的结构及面积，将所述悬空面划分成至少两个子区域，包括：

当所述悬空面的包络尺寸的最大边长和最小边长之比为5:1～15：1时，将所述悬空面分割成两个子区域；或者当所述悬空面的包络尺寸的最大边长和最小边长之比为大于15：1时，将所述悬空面分割成至少三个子区域。

在一可选实施例中，所述的用于激光选区熔化成形的辅助支撑结构的应用方法，还包括：

当所述悬空面的包络面积≥2500mm²时，所述支撑块还设有对接面，所述对接面平行于所述竖直平面。

在一可选实施例中，所述的用于激光选区熔化成形的辅助支撑结构的应用方法，还包括：

当所述悬空面的包络外形为几何对称图形时，根据对称原则划分子区域；或者

当所述悬空面的包络外形为不对称图形时，根据面积相等或相近原则划分子区域。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明实施例提供的用于激光选区熔化成形的辅助支撑结构，通过设置悬空平面，支撑结构的体积可降低40％以上，减少了辅助支撑的成形时间和原材料的使用量，节约了生产成本；同时，本发明提供的辅助支撑结构在成形过程中显著降低了局部崩裂、坍塌等现象的出现几率，大大降低了产品成形过程中发生翘曲、变形等现象的几率，提高了产品的合格率；

(2)通过将悬空平面与竖直平面的夹角设计为-45°～45°，在保证悬空面顺利成形的同时确保支撑强度，可将支撑结构的体积降低50％以上；

(3)通过将悬空平面与竖直平面的夹角设计为-60°～-45°或45～60°并设立支撑立柱，确保支撑强度，保证悬空面顺利成形；

(4)本发明实施例提供的辅助支撑结构既能保证有效支撑又能在成形过程中减少支撑内部粉末的残存量，且减少成形时间。

附图说明

图1为激光选区熔化成形产品各面示意图；

图2为激光选区熔化成形产品及产品与现有辅助支撑结构结合示意图；

图3为本发明实施例提供的一种用于激光选区熔化成形的辅助支撑结构与产品结合示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种用于激光选区熔化成形的辅助支撑结构与产品结合示意图；

图5为本发明实施例提供的一种网格类支撑结构示意图；

图6为本发明实施例提供的又一种用于激光选区熔化成形的辅助支撑结构与产品结合示意图；

图7为本发明实施例提供的一种子区域分割方式示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

参见图3，本发明实施例提供了一种用于激光选区熔化成形的辅助支撑结构，包括至少一个支撑块1，所述支撑块1设有第一支撑面11、第二支撑面12及悬空平面13，所述第一支撑面11用于与产品的悬空面连接以支撑所述悬空面，所述第二支撑面12用于与所述产品的内侧表面连接，所述悬空平面13所在面与所述第一支撑面11和所述第二支撑面12相交。

具体地，本发明实施例提供的辅助支撑结构与产品一起进行激光选区熔化成形，成形后通过机械加工的方式去除，得到产品。

本发明实施例提供的用于激光选区熔化成形的辅助支撑结构，通过设置悬空平面，支撑结构的体积可降低40％以上，减少了辅助支撑的成形时间和原材料的使用量，节约了生产成本；同时，本发明提供的辅助支撑结构在成形过程中显著降低了局部崩裂、坍塌等现象的出现几率，大大降低了产品成形过程中发生翘曲、变形等现象的几率，提高了产品的合格率。

在一可选实施例中，所述悬空平面13与所述竖直平面的夹角为-45°～45°。通过将悬空平面与竖直平面的夹角设计为-45°～45°，在保证悬空面顺利成形的同时确保支撑强度，可将支撑结构的体积降低50％以上。

在一可选实施例中，如图3b所示，所述的用于激光选区熔化成形的辅助支撑结构，包括两个所述支撑块1，所述两个支撑块1的第一支撑面11相接，用于共同支撑所述悬空面，一支撑块1的悬空平面13与所述竖直水平面的夹角α为-45°～45°，另一支撑块1与所述竖直水平面的夹角β也为-45°～45°，α、β可以相同也可以不同。通过设置至少两个支撑块1，可以实现对大尺寸悬空面的有效支撑，进一步减少支撑结构的体积，且可以提高成形过程的稳定性。

参见图4，在一可选实施例中，所述支撑块1还设有对接面，所述对接面14平行于竖直平面。通过设置竖直对接面14有利于增加热传导，提高成形工艺稳定性，提高产品合格率。

在一可选实施例中，所述的用于激光选区熔化成形的辅助支撑结构为网格类支撑结构。网格类型的辅助支撑结构易去除，经过手工去除、打磨、吹砂工序后，悬空面的表面质量优良，一般可达到直接使用的要求。如图5所示，在一可选实施例中，所述网格类支撑结构包括多排多列栅格a，每个所述栅格的边长为5～10mm，构成所述栅格的网格b边长为0.5～1mm，相邻两个栅格之间的距离d为0.3～0.8mm。该网格类型的辅助支撑结构既能保证有效支撑又能在成形过程中减少支撑内部粉末的残存量，且减少成形时间。

在另一可选实施例中，所述辅助支撑结构还可以为实体结构或实体与网格结合结构。

参见图6，本发明实施例提供了另一种用于激光选区熔化成形的辅助支撑结构，包括支撑立柱2和至少两个支撑块1，所述支撑块1设有第一支撑面11、第二支撑面12及悬空平面13，所述第一支撑面11用于与产品的悬空面连接以支撑部分所述悬空面，所述第二支撑面12用于与所述产品的内侧表面连接，所述悬空平面13所在面与所述第一支撑面11和第二所述支撑面12相交，且一支撑块1的悬空平面13与所述竖直水平面的夹角α为-60°～-45°或45～60°，另一支撑块1与所述竖直水平面的夹角β也为-60°～-45°或45～60°，α、β可以相同也可以不同；所述至少两个支撑块1的第一支撑面11相接，所述立柱2用于支撑在所述悬空面与所述产品的成形底面之间，所述立柱2的上表面为立柱支撑面21，且位于所述悬空面的中心部位，以使立柱支撑面21与所述至少两个支撑块的第一支撑面11相接，以使三者共同支撑所述悬空面。

具体地，本发明实施例中，第二支撑面12既可以与各相邻侧表面连接，也可以与其中一个相邻侧表面连接，在各侧表面中优选竖直向下的或向空腔内部延伸的侧表面连接。

本发明实施例提供的用于激光选区熔化成形的辅助支撑结构，由于支撑块存在悬空平面，支撑结构的体积可降低40％以上，减少了辅助支撑的成形时间和原材料的使用量，节约了生产成本；同时，本发明提供的辅助支撑结构在成形过程中显著降低了局部崩裂、坍塌等现象的出现几率，大大降低了产品成形过程中发生翘曲、变形等现象的几率，提高了产品的合格率。通过将悬空平面与竖直平面的夹角设计为-60°～-45°或45～60°并设立支撑立柱，确保支撑强度，保证悬空面顺利成形。

如图3所示，本发明实施例还提供了一种激光选区熔化成形的产品体系，包括激光选区熔化成形的产品，所述产品包括侧壁和架设在所述侧壁之间的悬空面，还包括上述辅助支撑结构实施例提供的辅助支撑结构。

辅助支撑结构的描述及效果参见上述支撑结构实施例，在此不在赘述。

本发明实施例还提供了一种用于激光选区熔化成形的辅助支撑结构的应用方法，包括以下步骤：

(1)根据待成形产品的设计结构及尺寸，确定辅助支撑结构，其中，所述辅助支撑结构由上述辅助支撑结构实施例提供；

(2)通过激光选区熔化成形得到带有所述辅助支撑结构的产品体系。

辅助支撑结构的描述及效果参见上述支撑结构实施例，在此不再赘述。

在一可选实施例中，步骤(1)所述的根据待成形产品的设计结构及尺寸，确定辅助支撑结构，包括：

当所述悬空面的包络尺寸的长宽比小于5:1且悬空面积不大于500mm²时，所述辅助支撑结构包括一个所述支撑块1。

具体地，本发明实施例中，所述的包络尺寸是指，当悬空面为平面时，包络尺寸即为外轮廓尺寸，当悬空面为不规则弧形面或曲面时，包络尺寸为其外轮廓映射在成形底面上的轮廓尺寸。

辅助支撑结构的描述及效果参见上述支撑结构实施例，在此不再赘述。

在一可选实施例中，步骤(1)所述的根据待成形产品的设计结构及尺寸，确定辅助支撑结构，包括：

根据所述待成形产品的悬空面的结构及面积，将所述悬空面划分成至少两个子区域，所述辅助支撑结构包括至少两个所述支撑块1，且所述支撑块1与所述子区域一一对应。

在一可选实施例中，根据所述待成形产品的悬空面的结构及面积，将所述悬空面划分成至少两个子区域，包括：

当所述悬空面的包络尺寸的最大边长和最小边长之比为5:1～15：1，且悬空面积不大于1000mm²时，将所述悬空面分割成两个子区域；或者当所述悬空面的包络尺寸的最大边长和最小边长之比为大于15：1，且悬空面积大于1500mm²时，将所述悬空面分割成至少三个子区域。

如图7所示，在一可选实施例中，对于包络外形有几何对称中心或近似对称中心的悬空面，根据对称原则划分子区间(如图7a、c、d、e所示)。当所述悬空面的包络外形为不对称图形时，根据面积相等或相近原则划分子区域(如图7b所示)。

该子区域的划分方法能最大限度地降低辅助支撑的体积，同时加强辅助支撑与侧壁的固连。

在一可选实施例中，所述的用于激光选区熔化成形的辅助支撑结构的应用方法，还包括：

当所述悬空面的包络面积≥2500mm²时，所述支撑块1还设有对接面14，所述对接面平行于所述竖直平面。

当所述悬空面的包络面积≥2500mm²时，悬空面的面积大，对支撑的导热要求高，当支撑的导热不良时，将引起悬空面顶部挂渣、坍塌，严重影响成形质量，对接面的设置和效果参见上述支撑结构实施例，在此不再赘述。

以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。