一种SLM制造金属零件易去除支撑结构设计方法

摘要

一种SLM制造金属零件易去除支撑结构设计方法应用于激光选区熔化SLM技术制造金属零件过程中的悬空平面、曲面等结构的支撑设计，以保证该面能够成形、该面以上的结构稳定性及成形质量达到技术要求。该方法设计了网格状薄壁结构支撑，并且在支撑和实体连接部分设计了锯齿状结构，网格状薄壁结构目的是：1、减小支撑的重量甚至用粉量；2、满足支撑悬面成型的强度并且很容易用机械方法去除；3、加快了支撑的加工时间，提高效率。锯齿状目的是：减小支撑和实体的连接部分强度，去除后不因为支撑过多而影响成型面的表面质量。支撑结构易实现和生成，并且在后处理的过程中容易去除并将支撑面的表面粗糙度降到最小，适合大量生产。

说明书

技术领域

本发明提出一种在SLM制造金属零件过程中应用的易去除的支撑结构 设计方法，主要用于选取熔化制造过程中悬空平面曲面的支撑，以保证面的 成形及面以上结构的稳定性达到成形质量和技术要求，属于激光先进制造中 的快速成型领域。

背景技术

目前，3D打印技术非常火热成为先进制造的发展趋势，而实际上其属于 快速成型技术的范畴，快速成型技术就是直接根据CAD模型快速生产样件 或零件的成组技术总称。它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料 技术等现代科技成果,是先进制造技术的重要组成部分。

快速成型技术正向直接制造金属零件的方向发展，选区激光熔化(SLM) 便是新出现的一种能直接成型高致密、高精度金属零件的快速成型技术。其 主要原理示意图如图6所示，在制造过程中，供粉仓20中的平台按设定的层 厚的粉量上升一定高度，刮刀夹具15水平运动带动刮刀21将金属粉末均匀地 铺设在成形仓19的基板上；激光在振镜14控制下对需要熔化的区域进行扫 描熔化；然后，基板下降一个层厚，重复下层的加工，如此往复，金属零件 17一层层地被加工完成，收粉仓18可以回收未利用的粉末。

相对于目前其他常用成型金属件的快速成形技术，选区激光熔化技术克 服了其他烧结技术不能采用纯金属粉末、成型致密性及力学性能差、后处理 工艺复杂的缺点，原型的快速设计和自动制造保证了工具的快速制造。无需 数控铣削，无需电火花加工，无需任何专用工装和工具，直接根据原型而将 复杂的工具和型腔制造出来，一般来说，采用选区激光熔化快速成形技术， 模具的制造时间和成本均为传统传技术的1/3。采用的材料能扩展到多种纯金 属或合金材料(如不锈钢、工具钢、铁合金等)成型件相对密度接近或达到 100%，总体力学性能比采用铸造方法制成的金属件更为优异，如图7所示， 采用SLM制造的铝合金样件具有较高的抗拉强度和屈服强度，整体性能要高 于采用传统方法制造的样件。并且尺寸精度及表面粗糙度好，仅需或元需简 单后处理(如喷砂、抛光等)即可直接投入实际使用。

新技术的发展有许多瓶颈，由于激光选区熔化(SLM)技术是融合了CAD 技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代先进技术，是多学科交汇的产 物，所要解决成形工艺问题也是多方面的，主要集中在材料的制备，工艺的 优化，成型的后处理以及精度的控制等。

激光选取熔化的成型工艺的优化主要是加工参数的优化和成型结构的 优化。在加工参数优化主要是既保证实体部分致密度接近100%，尽可能少的 出现孔洞，表面粗糙度尽可能小，又要不能出现过烧导致熔瘤产生等。成型 结构的优化主要体现在成型的质量和尺寸精确度的保证等，既要保证结构设 计适合于SLM，又要对于某些零件结构的辅助成型的结构设计优化等。

虽然SLM技术原理上可以成型任意复杂形状的金属零件，但不能完美 地成型所有的几何特征，包括薄板、尖角、特别是悬垂面结构等，悬垂面结 构使SLM成型零件的局部形状精度、尺寸精度不能达到要求，严重时导致 加工件报废，或者成型过程失败。针对悬垂面的加工，目前主要是通过添加 大量的金属支撑保证成型过程稳定，再除去支撑和表面打磨方法保证成型 面。也有少部分情况下是SLM成型结束后，通过机加工方式获得悬垂面。 但是当加工件精细而复杂、或者悬垂面在零件内部时,添加支撑或者后续机 加工都不再合适。所以，在成型结构设计时可以尽量不添加支撑情况下将悬 垂面顺利成型完成，或者在设计阶段避免或尽量减少悬垂面,但是，对于某 些悬垂面在结构上不能通过设计改变而必须存在时就需要设计添加支撑来 保证成型的质量和稳定性。

图7是任意曲面零件分层后的示意图。其中，a～b段与c～d段在SLM 成型过程中将遇到悬垂结构成型，在分层切片时会形成没有自我支撑的悬空 部分，层与层之间悬空部分的长度S=H×ctgθ，其中H为切片厚度，倾斜角 θ为切片层轮廓与水平面所成的夹角。在SLM成型中，S值越大越容易造成 悬垂物与翘曲变形，对成型很不利。S值大小与层厚h和倾斜角θ密切相关， h值越大，或者θ越小，将使S增大。目前SLM使用的工艺层厚一般由材料的 粉末粒径确定，优化的层厚范围为20～50μm。所以S值大小主要与倾斜角θ 相关。a～b段倾斜角θ1明显大于c～d段倾斜角θ2，所以c～d段成型更容易 发生缺陷。在SLM成型过程中，存在一个极限倾斜角度。所谓极限倾斜角度， 即倾斜角小于某一值时，悬垂结构产生塌陷，影响连续加工。通过大量实验 可得出极限倾斜角度是40到45度，零件面与水平面夹角大于这个倾斜角度的 自身可以支撑自己而不需要辅助支撑，小于这个角度的必须加支撑防止产生 悬垂物和发生翘曲变形两种缺陷。

如图8和图9所示为SLM加工时遇到的典型圆孔式悬垂结构和方孔式悬 垂结构示意图。图8中(h1+h2)区域属于稳定成型区域，自身可作为自身的支 撑而成形良好，而h3区域在直径超过6mm的圆孔成型时需要在此区域下方 添加辅助支撑以保证面的成型。SLM成型圆孔式悬垂结构的关键是如何判断 h2与h3的位置界限，主要依据是界限处的切线角度α与图7中讨论的临界 成型角度是一致。图9中的方孔式悬垂结构时都需要在31面下方加支撑。

支撑的添加和支撑添加后易去除性决定成型面的表面质量和后续加工 的简易性，同时又要能保证去除支撑不会对成型件的结构产生影响，所以在 激光选区熔化该加支撑结构易去除设计对SLM工艺的提升和应用范围拓展 具有很大的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种易去除的支撑设计方法应用到激光选区熔 化金属零件制造的数据处理过程中，使零件取出后能够很容易的去除支撑从 而表面质量影响降到最小。

一种SLM制造金属零件易去除支撑结构设计方法，其特征在于：设计 的支撑结构包括：支撑网格薄壁结构和支撑网格薄壁边缘上的锯齿连接结 构，形成多个通孔连成一体的网状结构；支撑网格薄壁结构中的网格尺寸依 据所需强度来调节，包括X方向长度和Y方向长度；另外薄壁的方向与Y 方向呈一定的角度a，角度a为30-45度；薄壁的厚度为0.1-0.3mm；锯齿连 接结构中支撑是有一部分伸进实体的。

进一步，锯齿分为顶部和底部两部分，顶部和底部两部分分别为两个共 一个底边的梯形，且在该的底边宽度比所述两个梯形的底边都小。

为了实现上述目的，本发明设计了网格状薄壁结构支撑，并且在支撑和 实体连接部分设计成了锯齿状结构，网格状薄壁结构式一是为了尽量减小支 撑的用粉量，二是为了让其仅满足支撑悬面成型的强度而又很容易用机械方 法去除，同时也加快了支撑的加工时间，提高效率。锯齿状结构是为了让支 撑和实体的连接部分强度尽量减小，去除后不因为支撑过多而影响成型面的 表面质量。

本发明的有益效果在于：本发明所设计的支撑结构能够在加工工程中很 容易实现和生成，并且在后处理的过程中能够很容易去除并将支撑面的表面 粗糙度降到最小，方法简单实用、成本较低的特点，适合大量生产，具有很 大经济效益。

附图说明

图1本发明SLM制造金属零件易去除支撑外部结构示意图；

图2本发明SLM制造金属零件易去除支撑内部结构示意图；

图3本发明SLM制造金属零件易去除支撑网格薄壁结构示意图；

图4本发明SLM制造金属零件易去除支撑锯齿状连接部结构示意图；

图5本发明SLM制造金属零件易去除支撑锯齿状连接局部结构示意 图；

图6本发明SLM制造金属零件成型工艺方法原理示意图；

图7本发明SLM制造铝合金零件拉伸力学性能对比图；

图8本发明SLM制造金属零件悬垂面分层结构示意图；

图9本发明SLM制造金属零件圆孔悬垂面结构示意图；

图10本发明SLM制造金属零件方孔悬垂面结构示意图。

图中：1、零件实体，2、支撑结构，3、激光熔化区，4、支撑网格薄壁 结构，5、锯齿连接结构，6、零件实体局部，7、支撑结构局部，8、断点线 长度，9、伸进实体长度，10、齿顶部宽度，11、齿底部宽度，12、齿顶部 高度，13、齿底部高度，14、激光系统，15、刮粉系统，16、金属粉，17、 成型零件，18、收粉仓，19、成型仓，20、供粉仓，21、刮刀，22、抗拉强 度，23、屈服强度，24、延伸率，25、抗拉强度和屈服强度标尺，26、延伸 率标尺，27、SLM制造样件，28、铸造样件，29、时效后铸造样件，30、需 要支撑的圆弧面，31、需要支撑的平面。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明实施例。

本实施例结构示意图如图1，举了一个这样具有悬垂面的例子，主要零 件实体1有两个凸台，而且尺寸达到十几毫米的量级，在这个量级必须加辅 助成型结构才能保证凸台的成型质量和尺寸精度等。所以就需要在凸台悬面 下面做必要的支撑以保证成型，如图中2部分就是支撑结构，SLM过程结束 后将零件取出，然后将这样的支撑去除就可以得到凸台及悬垂面结构。

为了增加支撑的易去除性，还设计了支撑的内部结构，如图2所示，1是 零件实体，3是实体其中一个待加工的面，是激光作用熔化然后固化的面，4 就是支撑内部结构，将内部结构设计成网格薄壁结构，这样既可以减少支撑 的用粉量，又可以减小支撑的强度增加易去除性。如图3所示，网格的尺寸 可以依据所需强度来调节，如X方向长度，Y方向长度，增大长度，网格变 大，易去除性增加，但强度降低，根据实际零件的情况来确定。另外薄壁的 方向与Y方向呈一定的角度a，这个角度也是可调的，范围是30度到45度。这 样避免薄壁有一方向与零件某一边平行使各方向上的薄壁力分布不均匀造 成成形不良。薄壁的厚度可调范围是0.1～0.3，调节薄壁的厚度可调节支撑的 强度，使支撑的去除更加灵活。

如图4所示，5锯齿状连接结构式在网格薄壁结构基础上进一步减小支撑 与实体连接的面积，进一步增加支撑的易去除性，在锯齿的作用下，第一层 悬面能够成形并且保证不被刮刀刮掉而影响下一层的成形，在图5中显示了 支撑结构和零件连接处局部放大图，6为零件实体，7为支撑结构，支撑是有 一部分伸进实体的，这个伸进实体长度为9所示，是可以设置数值改变支撑 与实体在纵向上的结合强度，常用的设置范围是0.05～0.3,。锯齿分为顶部和 底部两部分，顶部宽度10和底部宽度11都是可调参数，常用设置范围是 0.1～0.4，这两数值分别改变齿与实体在横向的结合强度和齿根部的强度，齿 的顶部和底部高度也是可调参数，常用设置范围是0.2～1.0，改变齿的高度可 改变支撑去除的难易，齿高了则更容易去除，但齿的强度降低，齿短了则相 反，8为断点线长度是指齿在顶部和底部中间有一处横向截面收缩处，此处 的线的长度也是可调的，常用设置参数是0.1～0.2，由于此处尺寸变小，强度 也最小，支撑与实体脱离断裂也发生在此。通过调节齿底部宽度和齿高度来 调节齿的强度，调节齿顶部宽度和伸进实体长度来调节结合强度，调接断点 线长度来调节齿断裂强度支撑断裂强度。

本发明通过设计柱状支撑的内部结构和连接部位结构，提出网格薄壁结 构和锯齿状连接结构的方法，通过调节和设定各部位的参数来调节支撑的强 度和易去除性，根据不同零件的尺寸，不同悬垂面的尺寸来调节，既简化支 撑又保证强度，处理灵活，增加支撑的易去除性。去除后对零件表面做简单 抛光处理即可保证表面质量，减小支撑的影响。适合大量生产，具有很高的 经济价值。