一种3D打印的支撑结构及清除支撑结构的方法

一种3d打印的支撑结构及清除支撑结构的方法
技术领域
1.本发明属于3d打印领域，具体公开了一种3d打印的支撑结构及通过振动清除辅助支撑的方法。


背景技术：

2.增材制造打破了传统制造的限制，是各种传统加工技术难以实现的结构得以实现。现有的增材制造技术主要有铺粉与送丝两种技术，而大型工业化的增材制造大多采用铺粉技术。增材制造领域中，铺粉熔融技术，尤其是光固化快速成型技术中，可以加工形状多为不规则结构，所以在加工过程中被广泛的使用，而不规则的结构多为拓扑结构、的拓扑结构、悬垂结构以及镂空空间等，这类结构在增材制造中，需要基板与零件之间、零件内部采用辅助支撑来填充，以保证加工零部件尺寸、形状的准确性。
3.在增材制造加工完后，需要对辅助支撑进行清除，外部的打印辅助支撑可以采用手工或者专用设备进行清除，但在具有多层空间的零部件内部，多层空间内部的支撑由于层与层之间空间狭小，角度不便，难以将清除设备放入，以至于无法清除或者完全清除其中的支撑，从而增加了零部件的重量和性能，使得增材制造技术无法发挥其优势。需要清除层间空间打印辅助支撑来保证零部件功能和功能，由于无法清除使得增材制造技术无法发挥其优势，因此清除打印辅助支撑成了关键技术从而增加了零部件的重量和性能。
4.面对如何清除辅助支撑问题，现有的解决方法多为降解处理，即通过可溶性材料的溶解来清除辅助支撑，而在铺粉熔融技术，尤其是光固化快速成型技术增材制造的方面无法实现。由于采用铺粉熔融技术的增材制造，所选材料多为高温合金与钛合金，并且通过高能光熔融材料成型，同时由于铺粉技术的原因，因此难以使用可溶性材料来打印辅助支撑，因此通过清除可溶性材料的辅助支撑的方法，难以实现。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是一方面提供一种增材制造中新的辅助支撑结构，该支撑结构使得采用振动方式清除辅助支撑时，避免零件发生共振；另一方面还提出了不用直接接触这种辅助支撑，通过振动清除此种辅助支撑的方法。
6.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
7.第一方面，本发明提供了一种3d打印的支撑结构，包括多个辅助支撑单元，每个辅助支撑单元包括支撑本体，所述的支撑本体为一个板状结构，在板状结构的顶面、底面和侧面均设有连接部，且两个侧面向中心位置凹陷；板状结构的中心位置设有一个质量块，非中心位置设有镂空；多个辅助支撑单元通过连接部相连，且通过侧面连接部相连的两个辅助支撑单元之间形成粉料流出孔。
8.作为进一步的技术方案，所述的质量块为中心对称结构。
9.作为进一步的技术方案，所述的镂空形状为三角形、正方形或菱形。
10.作为进一步的技术方案，所述的支撑本体上的镂空相对于支撑本体的中心线对称
设置。
11.作为进一步的技术方案，所述的支撑结构的形状为三角形或者多边形。
12.第二方面，本发明还提供了一种3d打印的支撑结构的清除方法，其特征在于，
13.步骤1：根据增材制造零件的结构，选择辅助支撑单元的具体结构，并决定辅助支撑单元1的具体尺寸；
14.步骤2：根据选择的结构和尺寸，建立辅助支撑结构的三维模型、辅助支撑单元1的三维模型；
15.步骤3：通过有限元分析得出辅助支撑结构的固有频率f1、辅助支撑单元1的固有频率f2、零件固有频率f3、含有支撑结构零件的固有频率f4。如果分析结果得到辅助支撑单元1的固有频率f2和零件固有频率f3相近和相同，则需要重复步骤一至步骤三的过程，直至f2与f3的比值大于2倍或者小于1/2；
16.步骤4：通过3d打印机打印含有辅助支撑的零件结构，打印完成后，将增材制造的零件经过处理后从打印基板上分离下来，并通过超声波设备清除零件内部结构处的多余打印物料；
17.步骤5：将打印完成的零件固定在可调频率的振动设备上，安装方向为辅助支撑的方向垂直于设备振动的方向；
18.步骤6：启动振动设备，调整激振频率f，使激振频率f接近或者位于辅助支撑单元1的固有频率f2。如含有支撑结构零件的固有频率f4与辅助支撑单元1的固有频率f2相近，则将激振频率f调整到f1附近，等辅助支撑结构产生破坏，从而改变了辅助支撑结构的固有频率f1和含有支撑结构零件的固有频率f4，在将固有频率调整到辅助支撑单元1的固有频率f2附近，进行辅助支撑清除，直至完全达到清除的标准。
19.上述本发明的实施例的有益效果如下：
20.1.本发明提出的辅助支撑结构具有一个粉料流出孔；不仅节省了打印所需的材料，减轻重量，同时也为增材制造完成后，便于多余粉状材料从粉料流出孔中流出，便于后期的清粉工作。同时，辅助支撑单元结构为板状结构，其端连接部和侧连接部的连接点分布在所在边缘两侧，所在边缘的中间无连接点，此种结构使辅助支撑单元形成类似梁结构，同时由于辅助支撑单元中间具有质量点，辅助支撑单元将形成两端固定的振子结构。
21.2.本发明的镂空结构也具有用于清粉和减轻重量的作用。
22.3.本发明通过连接节点可以形成多种立体结构，使其形成不同的辅助支撑结构的固有频率，使其可以避免辅助支撑结构与零件固有频率相同的情况，是辅助支撑的固有频率可调，便于清除辅助支撑时避免零件发生共振。
23.4.在清除辅助支撑时，通过振动可以有效地消除零件的内应力，便于零件应力释放。
24.5.本发明提出的方法可以清除狭小空间内，无法手工清除的辅助支撑。
25.6.本发明提出的方法相对于手工清除辅助支撑的方式，本发明清除方式更加高效。
26.7.本发明提出的方法避免了人工清除时，接触粉尘的危险，本发明更加环保与安全。
附图说明
27.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
28.图1是本发明公开的辅助支撑单元结构示意图。
29.图2是本发明辅助支撑单元组成的矩形立体支撑结构。
30.图3是本发明矩形立体支撑结构组成的辅助支撑结构。
31.图4是本发明辅助支撑单元组成的正三角形立体支撑结构。
32.图5是本发明辅助支撑单元组成的正六边形立体支撑结构。
33.图6是本发明辅助支撑单元组成的多边形立体支撑结构。
34.图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。
35.11支撑本体、12质量点、13端连接部、14侧连接部、15镂空结构；131连接点，141连接点；16凹形面，161粉料流出孔。
具体实施方式
36.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
37.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
38.本发明的一种典型的实施方式中，如图1、图2、图3所示：本实施例公开的辅助支撑单元结构如图1所示，其由四部分组成：支撑本体11、质量点12、端连接部13、侧连接部14和镂空结构15；在支撑本体11包括端连接部12和侧连接部14，其中支撑本体11的顶面和底面分别为端连接部13，所述端连接部13包括多个连接点131，连接点131分别位于靠近顶面和底面两端的位置。支撑本体11的左侧和右侧为侧连接部14，所述的侧连接部14包括多个连接点141，连接点141分别位于靠近左侧面和后侧面两端的位置，且左侧面和右侧面的中部向支撑本体11中心位置凹陷，具体对应图1中的凹形面16；质量点12分布于支撑本体11的几何中心，结构为质量集中形态，可以是正方体、球体等中心对称结构。镂空结构15分布于支撑本体11上，其形状可以是菱形、正方形、三角形等结构，一般相对于支撑本体11的中心线(左右中心线或者前后中心线)对称分布。
39.如图2所示，四个辅助支撑单元通过连接点141的连接形成整体为矩形的立体支撑结构单元2。其中，当相邻的两个辅助支撑单元通过连接点141相连时，侧连接部14的凹形边16将形成一个粉料流出孔161，粉料流出孔161不仅节省了打印所需的材料，减轻重量，同时也为增材制造完成后，便于多余粉状材料从空间结构161中流出，便于后期的清粉工作。同时镂空结构15也具有用于清粉和减轻重量的作用。
40.本发明提出的辅助支撑单元1结构为板状结构，其端连接部13和侧连接部14的连接点(连接点131、连接点141)分布在所在边缘两侧，所在边缘的中间无连接点，此种结构使辅助支撑单元1形成类似梁结构，同时由于辅助支撑单元1中间具有质量点12，辅助支撑单
元1将形成两端固定的振子结构。端连接部13和侧连接部14的中间没有连接点131、连接点141的结构在保证足够的连接强度的同时也降低了辅助支撑单元动态的连接刚度，便于后期通过振动清除辅助支撑单元1的难度。
41.如图3所示，多个立体支撑结构单元2通过连接点131、连接点141连接形成适合增材制造零件加工时所需的辅助支撑结构3。
42.如图4、图5、图6所示，本实施例提出的辅助支撑单元1还可以排列成不同的立体空间结构，这些不同的立体空间结构的刚度与重量不同，将形成不同固有频率f1的辅助支撑结构1。在图4公开的是正三边型立体结构；在图5中公开的是正六边形立体结构；在图6中公开的是三层高的多边形立体结构24等。多种结构可以适应不同的结构。
43.本实施例中公开的支撑清除原理如下：
44.本发明所涉及的辅助单元1及其形成的辅助支撑结构的清除方法，方法是通过对通过增材制造技术成型的零件施加一种能引起支撑段元1产生共振的频率，通过支撑单元1的共振产生动能破坏辅助支撑单元1的连接点131和连接点141的连接作用，从而实现辅助支撑单元1以及其形成的辅助支撑结构的目的，同时由于引起辅助支撑单元1共振的频率非其所在零件的共振频率，因此所施加的振动同时可以起到消除零件在增材制造过程中产生的内应力的作用。
45.辅助支撑单元1结构在共振频率的作用下将产生中间质量点12大振幅的振动现象，并对起到固定作用连接点(连接点131、连接点141)产生猛烈的冲击作用，并使其连接作用产生破坏。随着连接点(连接点131、连接点141)的连接作用的破坏，并从所在的零件结构上脱落，起到清除辅助支撑的目的。
46.清除步骤：
47.步骤一：根据增材制造零件的结构，选择辅助支撑单元1的具体结构，并决定辅助支撑单元1的具体尺寸。
48.步骤二：根据选择的结构和尺寸，建立辅助支撑结构的三维模型、辅助支撑单元1的三维模型。
49.步骤三：通过有限元分析得出辅助支撑结构3的固有频率f1、辅助支撑单元1的固有频率f2、零件固有频率f3、含有支撑结构零件的固有频率f4。如果分析结果得到辅助支撑单元1的固有频率f2和零件固有频率f3相近和相同，则需要重复步骤一至步骤三的过程，直至f2与f3的比值大于2倍或者小于1/2。
50.步骤四：通过3d打印机打印含有辅助支撑的零件结构，打印完成后，将增材制造的零件经过处理后从打印基板上分离下来，并通过超声波设备清除零件内部结构处的多余打印物料。
51.步骤五：将打印完成的零件固定在可调频率的振动设备上，安装方向为辅助支撑的方向垂直于设备振动的方向。
52.步骤六：启动振动设备，调整激振频率f，使激振频率f接近或者位于辅助支撑单元1的固有频率f2。如含有支撑结构零件的固有频率f4与辅助支撑单元1的固有频率f2相近，则将激振频率f调整到f1附近，等辅助支撑结构产生破坏，从而改变了辅助支撑结构的固有频率f1和含有支撑结构零件的固有频率f4，在将固有频率调整到辅助支撑单元1的固有频率f2附近，进行辅助支撑清除，直至完全达到清除的标准。
53.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。