本發(fā)明涉及金屬增材制造領(lǐng)域，具體涉及選區(qū)激光熔化金屬增材制造用的隨形支撐模型的制作方法。

背景技術(shù)：

選區(qū)激光熔化金屬增材制造與金屬焊接具有相似的制造狀態(tài)，即在制造過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。當(dāng)材料熱導(dǎo)率小和/或零件形狀不利于散熱時(shí)會(huì)形成一定的溫度梯度；并且由于不同高度、水平方向不同區(qū)域不同時(shí)熔化凝固。溫度梯度和不同時(shí)熔化凝固這兩個(gè)因素均會(huì)造成很大的內(nèi)應(yīng)力，如果不通過合理的方法改善，零件會(huì)產(chǎn)生扭曲變形，阻礙制造過程的繼續(xù)。即使能完成制造，零件也會(huì)因變形而產(chǎn)生較大的形位偏差，影響使用。為了解決該問題，在生長(zhǎng)零件的同時(shí)需要生長(zhǎng)一些額外的結(jié)構(gòu)，來改善上述狀況，我們稱之為支撐(support)。

目前較為常用的支撐形式有網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、樹形結(jié)構(gòu)以及實(shí)體結(jié)構(gòu)等，可以將增材制造過程中產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到基板，從而降低溫度梯度；支撐具有一定的強(qiáng)度，可以抵抗零件的應(yīng)力變形；并且支撐還能起到承載零件重量的作用，因?yàn)榉勰┧缮⑶揖哂辛鲃?dòng)性無法承重。圖1(a)～圖1(c)為上述支撐結(jié)構(gòu)的示意圖，其中圖1(a)為網(wǎng)格支撐，圖1(b)為樹形支撐，圖1(c)為實(shí)體支撐。

上述支撐有一個(gè)共同特點(diǎn)，就是在零件的增材制造位置已經(jīng)固定的情況下，支撐添加在零件與水平面夾角小于某一度數(shù)(通常為40°左右)的面上。橫向上零件周圍充滿粉末，由于粉末屬于非連續(xù)體，中間存在大量空隙，因此導(dǎo)熱性較差，只有輔助散熱的功能，而支撐則起到了散熱的主要作用，它可以垂直向下傳導(dǎo)零件在制造過程中產(chǎn)生的熱量。圖2(a)和圖2(b)示出了設(shè)置上述一般支撐的示意圖，其中，圖2(a)為正視圖，圖2(b)為俯視圖。利用激光205在基板201上生長(zhǎng)零件208，在基板201與零件208之間設(shè)置一般支撐202，其中203為未燒結(jié)粉末，204為當(dāng)前燒結(jié)層，206為已成型部分，207為未成型部分。如上所述，一般支撐202可以垂直向下傳導(dǎo)零件在制造過程中產(chǎn)生的熱量，然而，當(dāng)內(nèi)因(如材質(zhì)、零件形狀)和外因(后期機(jī)加工)共同決定而導(dǎo)致零件的擺放方位不利于垂直方向散熱時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生很大的溫度梯度，再加上零件的不同高度、同一高度不同區(qū)域不同時(shí)凝固，就會(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，上面所述的一般支撐在導(dǎo)熱和抵抗應(yīng)力變形方面都會(huì)顯得力所不及。此外，當(dāng)零件水平方向上剛度不足且存在應(yīng)力時(shí)，只能約束零件垂直方向上的變形的上述支撐對(duì)此也無能為力。一旦零件在制造過程中發(fā)生變形，會(huì)造成制造過程無法繼續(xù)，造成時(shí)間和材料上的浪費(fèi)。即使能夠完成制造，也會(huì)因?yàn)樽冃味沽慵a(chǎn)生形位偏差，影響零件的正常使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問題，本發(fā)明提供一種新的支撐形式的制作方法，即隨形支撐。當(dāng)一般的支撐形式不能滿足零件在增材制造過程中的散熱要求，和/或零件水平方向剛度不足，一般的支撐形式無法起到約束作用時(shí)，本發(fā)明的隨形支撐可以起到輔助散熱作用并在水平方向起到物理約束作用，從而減小內(nèi)應(yīng)力，抵抗變形。

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種選區(qū)激光熔化金屬增材制造用的隨形支撐模型的制作方法，包括以下步驟：a.利用三維制圖軟件創(chuàng)建三維零件的模型；b.確定隨形支撐的位置；c.根據(jù)步驟b確定的位置制作原始隨形支撐模型；d.將所述原始隨形支撐模型放置在步驟b所確定的位置；e.將所述原始隨形支撐模型中與所述零件重疊的部分通過布爾運(yùn)算減掉，得到中間隨形支撐模型；f.通過修剪功能將所述中間隨形支撐模型的多余的部分修剪掉，得到最終隨形支撐模型。

根據(jù)本發(fā)明的選區(qū)激光熔化金屬增材制造用的隨形支撐模型的制作方法，所述步驟b所確定的位置為通過理論分析得出的零件散熱條件差和/或剛度不足的位置、或根據(jù)以前的制造結(jié)果確定的出現(xiàn)變形的位置。

根據(jù)本發(fā)明的選區(qū)激光熔化金屬增材制造用的隨形支撐模型的制作方法，所述步驟c中制作的原始隨形支撐模型為一個(gè)或多個(gè)，多個(gè)所述原始隨形支撐模型的外形相同或不相同。

根據(jù)本發(fā)明的選區(qū)激光熔化金屬增材制造用的隨形支撐模型的制作方法，所述步驟c中制作的原始隨形支撐模型為板狀。

根據(jù)本發(fā)明的選區(qū)激光熔化金屬增材制造用的隨形支撐模型的制作方法，所述原始隨形支撐模型的厚度范圍為1mm～50mm。

根據(jù)本發(fā)明的選區(qū)激光熔化金屬增材制造用的隨形支撐模型的制作方法，所述步驟e中，通過減運(yùn)算的參數(shù)控制，使得所述中間隨形支撐模型與所述零件之間為間隙配合狀態(tài)。

根據(jù)本發(fā)明的選區(qū)激光熔化金屬增材制造用的隨形支撐模型的制作方法，所述間隙的范圍為0～5mm。

根據(jù)本發(fā)明的選區(qū)激光熔化金屬增材制造用的隨形支撐模型的制作方法，所述步驟f中所述中間隨形支撐模型的多余的部分為高度方向上高出所述零件的部分和水平方向上保證一定寬度而使隨形支撐有足夠剛度情況下多出的部分。

通過本發(fā)明的制作方法制作的隨形支撐具有一定的寬度和厚度，從而有足夠的剛度可以約束零件的變形。此外，隨形支撐與零件保持合適的間隙并與基板接觸，從而可以收集零件在增材制造過程中產(chǎn)生的熱量以及零件傳導(dǎo)到粉末中而無法散發(fā)的熱量，并將其傳導(dǎo)走，可以顯著降低零件因散熱條件不好造成的較大的溫度梯度，從而減小內(nèi)應(yīng)力，降低熱應(yīng)力變形。

附圖說明

圖1(a)～圖1(c)為目前常用的支撐形式的示意圖，其中圖1(a)為網(wǎng)格支撐，圖1(b)為樹形支撐，圖1(c)為實(shí)體支撐。

圖2(a)和圖2(b)為設(shè)置一般支撐的示意圖，其中，圖2(a)為正視圖，圖2(b)為俯視圖。

圖3為本發(fā)明的隨形支撐模型的制作方法的流程圖。

圖4為隨形支撐的參數(shù)的示意圖。

圖5(a)～圖5(c)示出了散熱狀態(tài)的示意圖。其中，圖5(a)是未設(shè)置隨形支撐的散熱狀態(tài)的正視圖，圖5(b)是設(shè)置有隨形支撐的散熱狀態(tài)的正視圖，圖5(c)是設(shè)置有隨形支撐的散熱狀態(tài)的俯視圖。

具體實(shí)施方式

選區(qū)激光熔化金屬增材制造技術(shù)根據(jù)零件的三維模型數(shù)據(jù)，通過成型設(shè)備以材料累加的方式制成實(shí)物零件。以下結(jié)合附圖詳細(xì)介紹本發(fā)明的隨形支撐模型的制作方法。需要說明的是，附圖僅用于示例說明，不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

圖3示出了本發(fā)明的隨形支撐模型的制作方法的流程圖。在步驟S301，利用三維制圖軟件創(chuàng)建三維零件的模型。具體地說，三維零件模型的格式需要與制圖軟件兼容，打開三維制圖軟件，將所要添加隨形支撐的三維零件模型加載到軟件中，然后將零件按照最終增材制造所需的擺放位置和角度在制圖軟件中擺放好。

在步驟S302，確定隨形支撐的位置，也就是說，確定需要在哪里設(shè)置隨形支撐。確定隨形支撐的位置的方法有多種，例如，運(yùn)用結(jié)構(gòu)學(xué)和熱力學(xué)知識(shí)，分析零件散熱條件差和/或剛度不足的位置，將其確定為設(shè)置隨形支撐的位置；或者參照之前3d打印的結(jié)果，將出現(xiàn)變形的位置確定為設(shè)置隨形支撐的位置。

在步驟S303，按照步驟S302所確定的位置，創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)外形相同或外形不同的原始隨形支撐模型。隨形支撐模型通常為板狀，隨形支撐模型的厚度范圍為1～50mm，依據(jù)零件的材質(zhì)和形貌而定，也可根據(jù)實(shí)際情況創(chuàng)建其他形狀的隨形支撐模型。隨形支撐要有一定的厚度，這樣隨形支撐會(huì)有足夠的剛度，從而可以約束零件的變形。圖4為隨形支撐的參數(shù)的示意圖，其中，401代表隨形支撐的數(shù)量，402代表隨形支撐的厚度，403代表隨形支撐的寬度，404代表隨形支撐與零件的間隙，該參數(shù)在后面會(huì)涉及。圖中所示出的隨形支撐的參數(shù)只是示例，可根據(jù)實(shí)際情況確定隨形支撐的各種參數(shù)。

在步驟S304，將步驟S303中創(chuàng)建的各個(gè)原始隨形支撐模型放置在步驟S302所確定的位置。

在步驟S305，制作中間隨形支撐模型。具體地說，運(yùn)用布爾運(yùn)算，依次將各個(gè)隨形支撐模型中與零件重疊的部分減掉，得到中間隨形支撐模型，并通過減運(yùn)算的參數(shù)控制，使得中間隨形支撐模型與零件之間為間隙配合狀態(tài)，間隙值可取0～5mm范圍內(nèi)的任意值，該間隙值由零件尺寸精度要求、材料導(dǎo)熱性等因素決定。可通過等條件可重復(fù)性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行確定，也可按照經(jīng)驗(yàn)確定。圖4中的404代表隨形支撐與零件的間隙。

在步驟S306，制作最終隨形支撐模型。具體地說，通過修剪功能，將中間隨形支撐模型多余的部分，如高度方向上高出零件的部分和水平方向上保證一定寬度而使隨形支撐有足夠剛度情況下多出的部分，都可以修剪掉，得到最終隨形支撐模型，這樣可以節(jié)省材料和制造時(shí)間，并降低自身的應(yīng)力。最終得到的每個(gè)隨形支撐的最低位置為一個(gè)零點(diǎn)面，使隨形支撐以基板為基礎(chǔ)，面接觸生長(zhǎng)，確保每個(gè)隨形支撐自己不會(huì)變形并有良好的導(dǎo)熱通道。另外，添加的若干隨形支撐自成一部分，與零件區(qū)分。隨形支撐與零件有合適的間隙并與基板為面接觸，由此，隨形支撐能夠起到輔助導(dǎo)熱的作用。

按照以上步驟制作模型后，再按照增材制造零件一般的數(shù)據(jù)處理過程對(duì)零件進(jìn)行一般支撐的添加和切片處理，隨形支撐作為一個(gè)零件進(jìn)行切片處理，燒結(jié)參數(shù)采用與零件相同的燒結(jié)參數(shù)。

圖5(a)～圖5(c)示出了散熱狀態(tài)的示意圖。其中，圖5(a)是未設(shè)置隨形支撐的散熱狀態(tài)的正視圖，圖5(b)是設(shè)置有隨形支撐的散熱狀態(tài)的正視圖，圖5(c)是設(shè)置有隨形支撐的散熱狀態(tài)的俯視圖。

如圖5(a)所示，橫向上零件周圍充滿粉末，由于粉末屬于非連續(xù)體，中間存在大量空隙，因此導(dǎo)熱性較差，只有輔助散熱的功能，而一般的支撐則起到了散熱的主要作用，它可以垂直向下傳導(dǎo)零件在制造過程中產(chǎn)生的熱量。然而，當(dāng)內(nèi)因(如材質(zhì)、零件形狀)和外因(后期機(jī)加工)共同決定而導(dǎo)致零件的擺放方位不利于垂直方向散熱時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生很大的溫度梯度，再加上零件的不同高度、同一高度不同區(qū)域不同時(shí)凝固，就會(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，一般支撐在導(dǎo)熱和抵抗應(yīng)力變形方面都會(huì)顯得力所不及。

如圖5(b)和圖5(c)所示，除了一般的支撐之外，還設(shè)置了隨形支撐，圖中的301代表隨形支撐，本發(fā)明的隨形支撐是一種非接觸式實(shí)體支撐，相比于粉末具有更高的導(dǎo)熱性能，與零件間有很小的間隙，可以收集零件在增材制造過程中產(chǎn)生的熱量以及零件傳導(dǎo)到粉末中而無法散發(fā)的熱量，并將其傳導(dǎo)走，可以顯著降低零件因散熱條件不好造成的較大的溫度梯度，從而減小內(nèi)應(yīng)力，降低熱應(yīng)力變形。同時(shí)隨形支撐與零件只有很小的間隙，在物理上對(duì)零件可以起到約束作用，抵抗零件的變形，防止零件因熱應(yīng)力變形而造成的制造中斷或零件形位尺寸超差而無法使用的后果，從而節(jié)省時(shí)間、材料等成本，此方法操作簡(jiǎn)單，靈活，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

上面已經(jīng)描述了本發(fā)明的各種實(shí)施例和實(shí)施情形。但是，本發(fā)明的精神和范圍不限于此。本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)而做出更多的應(yīng)用，而這些應(yīng)用都在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。

也就是說，本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚說明本發(fā)明所做的舉例，而非對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其他不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、替換或改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。