技术领域
[0001] 本
发明涉及一种支撑结构设计方法，尤其是涉及一种用于复杂零件SLM成型的支撑结构设计方法，属于
选择性激光熔化成型工艺设计技术领域。
背景技术
[0002] 3D打印技术是一种从三维数模概念设计到三维实体柔性制造一体化的高新技术，它以离散/堆积
增材制造的成形思想为
基础，综合利用高能束热源、计算机、数模、数控、
冶金和新材料等多学科交叉融合的一项高新的先进制造技术。随着增材制造技术发展的不断推动，该技术在各个领域的应用也不断扩大。
[0003] 自德国Fraunhofer激光研究所于1995年提出选区激光熔化(SLM)技术以来，该技术已发展成为增材制造技术的重要分支。利用激光选择性扫描特定区域
金属粉末使其快速熔化，之后在成型表面铺薄层金属粉，重复上述操作，层层堆积形成最终成型件。选区激光熔化技术成型金属零件无需工装模具与刀具，与传统的金属成形方法(高速切削、粉末压制、
铸造、压
力加工)相比具有
精度高、加工周期短、成型件性能稳定、可加工复杂结构件等独特优势，尤其是具有个性化需求或复杂内腔结构的零件，在航空、航天、医疗、
汽车、设计开发等方向均有良好的应用前景。
[0004] 目前，随着3D打印的快速发展，人们设计思路逐步提高，结构技术已经从“为了制造而设计”而转变为“为了功能而设计”，兼具承载与功能特性的多功能结构显得越来越重要。正是这种设计
自由度的极大提高使充分实现结构设计层面上轻量
化成为可能，但这类轻量化零件通常含有悬垂平面、内流道、孔洞、细小特征部位等复杂多变的结构，特别是悬垂结构没有铸型和模具支撑约束，成型过程中容易挂渣、塌陷，发生严重
变形甚至打印失败。这时就需要进行良好的支撑设计以约束零件变形，但是，支撑强度又不能太高，避免无法去除或去除难度过大。除此之外，SLM工艺加工成本较高，如果没有一套科学有效的加工体系，势必造成不必要的人力、物力浪费。因此，需要合理的支撑结构以提供加工过程进行及加工
质量的保证，提高一次合格率或减少加工次数。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是：提供一种能保证加工过程的正常进行，有效提高加工质量的用于复杂零件SLM成型的支撑结构设计方法。
[0006] 为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于复杂零件SLM成型的支撑结构设计方法，所述的支撑结构设计方法包括复杂零件成型参数获取，复杂零件成型过程中成型零件摆放
角度的确定，易去除强力支撑结构设置，打印模型导入以及零件打印成型几个步骤。
[0007] 进一步的是，在获取复杂零件成型参数时，获取的参数包括该成型工艺下打印件所涉及到的悬垂角度、孔洞、壁厚、尖角以及圆柱的极限成型尺寸、支撑强度大小和去除难易程度。
[0008] 上述方案的优选方式是，在确定复杂零件成型过程中成型零件的摆放角度时，按下述规则执行，
[0009] 避免打印过程中出现较大悬垂面，对于重要加工面应置于顶部，对于薄壁及圆孔应在竖直方向成型。
[0010] 进一步的是，在设置易去除强力支撑结构时，以确定摆放角度的复杂零件为基准，满足以下条件，
[0011] 在不同厚度、不同截面、不同加工需求
位置设置相应强度支撑，确保加工精度，同时应可以顺利去除。
[0012] 上述方案的优选方式是，打印模型导入以及零件打印成型包括试打印检测和零件的批量打印两个工步，批量打印在试打印零件经检测满足要求后再进行，
[0013] 其中，试打印按下述步骤进行，将零件及支撑的stl.模型导入
打印机进行加工，然后在
热处理炉中去
应力退火，再完成线切割、去支撑完成所述的试打印工作。
[0014] 进一步的是，试打印完成后的零件的检测是按下述步骤进行，
[0015] 利用
三维扫描仪、三坐标测量机等工具提取实际打印件的三维模型，将其与原模型对比，得出尺寸偏差对比
云图，根据此结果衡量尺寸是否满足需求，若未合格，应在变形较大位置增强支撑强度，再次进行打印。
[0016] 上述方案的优选方式是，保护环境下的批量打印是按下述步骤进行的，[0017] 在选区激光熔化(SLM)成形过程中，活性粉末采用氩气环境保护，非活性粉末采用氮气环境保护；热处理时，易
氧化材料应在
真空环境或惰性气体保护环境下退火；线切割后应在酒精或丙
酮介质条件下，用
超声波振动仪清洗零件表面；然后用
钳子夹掉零件表面支撑。
[0018] 进一步的是，复杂零件成型参数的获取是通过预实验获得的，在进行预实验时用于极限成型尺寸验证的结构特征应能
覆盖最大和最小极限成型尺寸，其悬垂角度为30～45°、孔洞为 壁厚为0.1～1mm、圆柱为 特征类型也仅包含当次打印件
所具有的特征类型。
[0019] 上述方案的优选方式是，设置的易去除强力支撑结构至少应包括支撑面整体分布的
块支撑，所述块支撑的顶部为锯齿状，中间为薄片镂空结构，支撑X/Y间距为0.5～1.5mm、齿顶宽为0.1～0.5mm；该易去除强力支撑结构还应与粉末材料、刮刀类型相关，当打印模具
钢时可选用钢刮刀，支撑类型为栅格状；当打印
钛合金时可选用毛刷刮刀，支撑类型为点状，更易去除
[0020] 进一步的是，在确定复杂零件成型过程中成型零件的摆放角度时，单道扫面线通常不超过80mm，摆放的具体角度依据表面质量、加工时间、细节以及支撑结构确定。
[0021] 本发明的有益效果是：本
申请利用现代化预试验技术手段在设计打印程序前，先通过该预试验获取需要进行3D打印的零件的参数信息，并以此参数信息为基础确定零件打印时的摆放角度以及需要的支撑位置和形状，并将该摆放角度以及支撑的相关信息连同被告打印零件的参数信息一同输出打印机中再进行零件的3D打印。这样，由于打印过程中零件的摆放角度，需要的支撑位置和形状均是通过零件打前的预试验获取的，并以此为基准进行的后续角度摆放设计和支撑设计，从而可以为后续增材打印的正常进行提供有效的保证，同时由于被打印零件的摆放和支撑是在预试验基础上实现的，从而还可以保证零件的悬垂平面、内流道、孔洞以及细小特征部位的支撑有效和打印质量。
附图说明
[0022] 图1为发明支撑结构设计方法涉及到的预实验中不同悬垂距离结构三维模型图；
[0023] 图2为发明支撑结构设计方法涉及到的预实验中支撑与试样组合结构三维模型图；
[0024] 图3为发明支撑结构设计方法涉及到的圆孔类零件
水平摆放成型图；
[0025] 图4为发明支撑结构设计方法涉及到的大平面类零件摆放成型图；
[0026] 图5为支撑结构设计方法涉及到的工艺
流程图。
具体实施方式
[0027] 如图1至图5所示，为了解决
现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供的一种能保证加工过程的正常进行，有效提高加工质量的用于复杂零件SLM成型的支撑结构设计方法。所述的支撑结构设计方法包括复杂零件极限成型尺寸参数获取，复杂零件成型过程中成型零件摆放角度的确定，易去除强力支撑结构设置，打印模型导入以及零件打印成型几个步骤。本申请利用预试验技术手段在设计打印程序前，先通过该预试验获取需要进行3D打印的零件的极限成型尺寸参数信息，并以此参数信息为基础确定零件打印时的摆放角度以及需要的支撑位置和形状，并将该摆放角度以及支撑的相关信息连同被告打印零件的参数信息一同输出打印机中再进行零件的3D打印。这个是有益效果的说明，你可以直接增加进去。这样，由于打印过程中零件的摆放角度，需要的支撑位置和形状均是通过零件打前的预试验获取的，并以此为基准进行的后续角度摆放设计和支撑设计，从而可以为后续增材打印的正常进行提供有效的保证，同时由于被打印零件的摆放和支撑是在预试验基础上实现的，从而还可以保证零件的悬垂平面、内流道、孔洞以及细小特征部位的支撑有效和打印质量。当然为了保证获取的信息相对较为准确，在进行预实验时用于极限成型尺寸验证的结构特征应能覆盖最大和最小极限成型尺寸，其悬垂角度为30～45°、孔洞为壁厚为0.1～1mm、圆柱为 特征类型也仅包含当次打印件所具有的
特征类型。而在确定复杂零件成型过程中成型零件的摆放角度时，单道扫面线通常不超过
80mm，摆放的具体角度依据表面质量、加工时间、细节以及支撑结构确定。
[0028] 上述实施方式中，为了保证被打印零件最终的打印质量，在进行复杂零件的成型参数获取时，获取的参数包括该成型工艺下打印件所涉及到的悬垂角度、孔洞、壁厚、尖角以及圆柱的极限成型尺寸、支撑强度大小和去除难易程度。依据预试验获得的上述的成型参数后，在确定复杂零件成型过程中成型零件的摆放角度时，按下述规则执行，避免打印过程中出现较大悬垂面，对于重要加工面应置于顶部，对于薄壁及圆孔应在竖直方向成型。其中，在设置易去除强力支撑结构时的原则为，以确定摆放角度的复杂零件为基准，满足以下条件，在不同厚度、不同截面、不同加工需求位置设置相应强度支撑，确保加工精度，同时应可以顺利去除。
[0029] 当然，为了保证成批、规模化打印的零件的质量，本申请采用的是试打印、检测，合格后再进行成批和规模化生产，不合格时进行修正直到合格后再进行质量保证体系，为此，其预打印过程是按下述步骤进行，即打印模型导入以及零件打印成型包括试打印检测和零件的批量打印两个工步，批量打印在试打印零件经检测满足要求后再进行，其中，试打印按下述步骤进行，将零件及支撑的stl.模型导入打印机进行加工，然后在热处理炉中去应力退火，再完成线切割、去支撑完成所述的试打印工作。相应的，具体的检测过程中如下，试打印完成后的零件的检测是按下述步骤进行，利用三维
扫描仪、三坐标测量机等工具提取实际打印件的三维模型，将其与原模型对比，得出尺寸偏差对比云图，根据此结果衡量尺寸是否满足需求，若未合格，应在变形较大位置增强支撑强度，再次进行打印。
[0030] 在完成预打印并给检测成型零件合格后，为了最大限度的保证产品的质量，依据零件打印即为熔化再
凝结过程的特性，为了保证高温熔化后的熔融物的特征不发生变化，本申请的打印当然也是需要在保护环境下进行批量打印，其具体步骤是按下述顺序进行的，在选区激光熔化(SLM)成形过程中，活性粉末采用氩气环境保护，非活性粉末采用氮气环境保护；热处理时，易氧化材料应在真空环境或惰性气体保护环境下退火；线切割后应在酒精或丙酮介质条件下，用
超声波振动仪清洗零件表面；然后用钳子夹掉零件表面支撑。
[0031] 同时，为了既提高支撑效果，又方便后续的拆除，本申请设置的易去除强力支撑结构至少应包括支撑面整体分布的块支撑，所述块支撑的顶部为锯齿状，中间为薄片镂空结构，支撑X/Y间距为0.5～1.5mm、齿顶宽为0.1～0.5mm；该易去除强力支撑结构还应与粉末材料、刮刀类型相关，当打印模具钢时可选用钢刮刀，支撑类型为栅格状；当打印钛合金时可选用毛刷刮刀，支撑类型为点状，更易去除。
[0032] 综上所述，采用本申请提供的支撑结构设计方法来设计和打印3D零件还具有以下优点，
[0033] 本发明通过预实验可以了解设备对于悬垂平面、孔洞、壁厚、尖角、圆柱等复杂结构特征的加工能力及相应支撑强度下抵抗零件变形的能力，以此为基础进行摆放方向和支撑结构设计，制定出利于SLM成型加工及后续支撑去除的高质量加工方案，并通过最终尺寸信息反馈达到进一步优化支撑质量的目的，从而可实现在进行最少加工次数的前提下完成复杂零件的小尺寸偏差、低表明粗糙度和低加工成本的SLM成型过程，以获取较大经济效益。
[0035] 本发明的目的在于提供一种较为系统的针对复杂零件支撑的设计方法，使打印出的零件质量尽可能高，打印次数尽可能少，以降低加工成本。
[0036] 为解决上述问题所采用的技术方案：提供一种满足复杂零件SLM成型的支撑结构设计方法，包括以下步骤：
[0037] (1)通过设计预实验，得到该成型工艺下打印件所涉及到的悬垂角度、孔洞、壁厚、尖角、圆柱等极限成型尺寸、支撑强度大小及去除难易程度；
[0038] (2)优化摆放角度，避免打印过程中出现较大悬垂面，对于重要加工面宜置于顶部，对于薄壁及圆孔宜在竖直方向成型；
[0039] (3)根据特定摆放角度下的结构特征，在不同厚度、不同截面、不同加工需求位置设置相应强度支撑，确保加工精度，同时应可以顺利去除；
[0040] (4)将零件及支撑的stl.模型导入打印机进行加工，然后在热处理炉中去应力退火，再完成线切割、去支撑等步骤；
[0041] (5)利用三维扫描仪、三坐标测量机等工具提取实际打印件的三维模型，将其与原模型对比，得出尺寸偏差对比云图，根据此结果衡量尺寸是否满足需求，若未合格，应在变形较大位置增强支撑强度，再次进行打印。
[0042] 所述预实验用于极限成型尺寸验证的结构特征应能覆盖最大和最小极限成型尺寸，其悬垂角度为30～45°、孔洞为 壁厚为0.1～1mm、圆柱为 特征类型也仅包含当次打印件所具有的。
[0043] 支撑面整体分布为块支撑，顶部为锯齿状，中间为薄片镂空结构，支撑X/Y间距为0.5～1.5mm、齿顶宽为0.1～0.5mm。在进行摆放设计时，单道扫面线最好不超过80mm，最优的摆放位置应是表面质量、加工时间、细节、支撑结构等因素权衡取舍的结果。其支撑结构还与粉末材料、刮刀类型有关，例如打印模具钢可选用钢刮刀，支撑类型为栅格状；打印钛合金可选用毛刷刮刀，支撑类型为点状，更易去除。
[0044] 在选区激光熔化(SLM)成形过程中，活性粉末采用氩气环境保护，非活性粉末采用氮气环境保护；热处理时，易氧化材料应在真空环境或惰性气体保护环境下退火；线切割后应在酒精或丙酮介质条件下，用超声波振动仪清洗零件表面；然后用钳子夹掉零件表面支撑。
[0045] 实施例一
[0046] 以下部分将结合附图对本发明内容进行详细说明。
[0047] 通过预实验，首先要了解设备对于悬垂平面、孔洞、壁厚、尖角、圆柱等复杂结构特征的加工能力，因而需要在UG、Pro-E等建模
软件中得到该成型工艺下打印件所涉及到的这些结构特征不同参数的三维模型，如图1所示，并将模型以stl.格式导入Magics软件中。一般地，悬垂角度可设置为30～45°、孔洞为 壁厚为0.1～1mm、尖角为5～30°、圆柱为 此外，还需设置不同支撑参数下的用于强度研究的三维模型(通常为长宽比应大于3的长条状试样)，如图2所示，再将模型同样以stl.格式导入Magics软件中并生成支撑。一般地，常用支撑参数有X/Y间距为0.5～1.5mm、齿顶宽为0.1～0.5mm、齿深为1～4个层厚、齿顶高为0.5～1.5mm。需要注意的是，用于验证复杂结构特征成型能力的模型参数范围需根据模型本身及摆放角度调整后变化情况稍做
修改，同时，以上特征结构包含但不仅限于此，更多的结构在此不一一列举，原理同上。根据以上研究分析应能得出设备对于此类复杂结构无支撑前提下的加工能力和不同支撑参数抵抗零件
翘曲变形的能力及对去除难易程度的影响。
[0048] 将所打印模型导入Magics软件中，根据需求设置摆放角度。一般地，避免打印过程中出现较大悬垂面，对于重要加工面宜置于顶部，对于薄壁及圆孔宜在竖直方向成型；尤其是圆孔类结构，如图3的方式水平或倾斜摆放时圆孔下表面容易挂渣甚至变形，最终的成型效果近似为椭圆状。另外，对于有大平面的零件在成型舱内摆放时应适当的倾斜，避免不间断
烧结，如图4所示，单道扫面线最好不超过80mm。通常表面质量、加工时间、细节、支撑结构这几个是考虑较多的因素，成型件的综合性能及经济指标应是几者权衡取舍的结果。
[0049] 在确定好零件的摆放位置后，支撑的添加设置便是整个流程里最关键的步骤。首先要对打印件的结构有一个全面的了解，包括知道什么位置厚度比较大，什么位置截面面积比较大，什么位置截面变化比较大等等。一般情况下，厚度大于5mm的地方应考虑支撑的导热效果是否充足，单道扫面线超过50～80mm应考虑支撑抵抗零件边缘翘曲变形的能力是否足够，截面变化比较大的地方应考虑应力收缩线的出现是否会影响零件质量要求。因此，通常需要在以上危险区域以增加支撑齿顶宽、加大支撑
密度或增加齿深，其参数范围可参考步骤1预实验得出的结果。支撑类型可在Magics软件中设置块支撑，支撑顶部为锯齿状，中间为薄片镂空结构。当然，在打印模具钢粉末时可选用钢刮刀，块支撑选择无切割的栅格状；打印钛合金粉末时可选用毛刷刮刀，块支撑选择有切割的点状，更易去除。
[0050] 将零件及支撑的stl.模型导入打印机，根据材料类别设置好激光功率、扫描速度、扫描间距、层厚等工艺参数，在选区激光熔化(SLM)成形过程中，活性粉末采用氩气环境保护，非活性粉末采用氮气环境保护。打印完成后，将打印件及
基板尽快放入热处理炉中进行去应力退火，易氧化材料应在真空环境或惰性气体保护环境下进行。然后对热处理完的零件线切割，切后应在酒精或丙酮介质条件下，用超声波振动仪清洗零件表面并用钳子夹掉零件表面支撑。
[0051] (5)最后，利用三维扫描仪、三坐标测量机等工具提取实际打印件的三维数字模型，将其stl.格式文件导入到Geomagic等逆向软件中，在与原模型对齐后利用其尺寸分析功能进行尺寸对比，得出尺寸偏差对比云图，根据此结果衡量尺寸是否满足需求，若未合格，应在变形较大位置增强支撑强度，再次进行打印。
