金属增材制造中的可控多孔网状支撑结构及其制作方法技术

金属增材制造中的可控多孔网状支撑结构及其制作方法，可控多孔支撑结构，包括上部的与成型件的支撑面接触部分、中间主体部分和下部的与基板接触部分；所述的中间主体部分由多个多孔单元体构成，所述的多孔单元体为大八面体单元结构，所述的大八面体单元结构由八根第一杆子拼接构成；与基板接触部分为外侧的多孔单元体的节点向下延伸的直杆；所述的与成型件的支撑面接触部分为最上方的多孔单元体的顶点向上的延伸部分，所述的延伸部分为小八面体单元结构以及与成型件连接的细杆；所述的细杆从大八面体单元结构和小八面体单元结构的顶点生成；所述的细杆的顶面直径小于底面直径，所述的细杆的上端伸入成型件内部。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种金属增材制造中的可控多孔网状支撑结构及其制作方法，主要用于金属增材制造过程中任意复杂曲面的支撑，以保证零件的成型质量，属于激光先进制造中的快速成型领域。
技术介绍
金属增材制造成型金属零件时，基本都需要添加支撑结构，且支撑的添加方式对金属增材制造成型金属零件的质量影响很大。金属增材制造成型过程中激光束快速作用使得金属粉末熔化形成熔池，若没有金属实体的支撑，熔池就会在自身重力和毛细管力的作用下下沉到粉末中，形成粘粉、挂渣等缺陷，严重时影响零件的成型。另一方面，金属实体的热传导率比金属粉末的热传导率大100倍左右，成型悬垂面时若没有实体支撑结构，相当于粉末支撑，这就导致能量不能通过热传导而快速的扩散，使得能量过大造成金属粉末的气化、过烧等现象。金属增材制造过程中，由于激光是快速作用于局部区域，金属粉末经历了迅速升温熔化冷却凝固的过程，这就导致温度梯度大，从而产生内应力发生翘曲变形。而支撑结构的存在限制了成型零件的翘曲变形。综上所述，金属增材制造成型过程中支撑结构是不可或缺的，其基本功能如下：1.起到支撑成型件的作用。2.预防成型件的翘曲变形。3.防止成型件气化、过烧、粘粉、挂渣等缺陷的产生。一般现在金属增材制造成型过程中在用的支撑类型有点支撑、线支撑、网状支撑、平面多孔支撑等。点支撑以点接触的形式与成型零件连接，可以设置点支撑杆子的粗细，接触部分的粗细。优点在于成型件易于去除点支撑结构，缺点在于若支撑杆子太细，而支撑面离水平位置很远时，导致支撑杆子又细又长，支撑自身的刚度不够，易于变形。若加大支撑的尺寸则会浪费材料。线支撑的优势在于能够对一条线上加密集的支撑，可以通过调节接触齿的大小来控制与成型零件的接触面积。但是线支撑只能是一个方向上，而且线支撑的浪费材料。网状支撑结合了线支撑的优点，结合成型件的形状来合理布置线支撑，但线支撑的缺点依然存在。平面多孔支撑是在线支撑的结构上设计多孔结构，使得线支撑的实体部分镂空，这样就减少了材料的消耗，也降低了支撑强度，使得后处理时易于去除。虽然这些支撑结构都有各自的优点，但是缺点依然存在。传统的支撑结构不足之处如下：1、需要长的支撑结构时，不是强度不够就是材料太浪费。2、缺少空间的支撑结构来满足不同形状不同位置的支撑添加。3、支撑的可去除性太差，零件成型后不易去除支撑，造成后续处理费时、费力。支撑添加的目的是使成型件能够顺利成型，不出现翘曲变形、挂渣、过烧等缺陷，同样也要保证悬垂结构的成型质量。而选择怎样的支撑、支撑添加的密度对成型金属零件影响很大。所以优化的支撑结构应该具备以下几个要点：1、支撑与成型件接触面积要合理，既要能够支撑住成型件，防止出现挂渣缺陷。又要使得能量能够顺利通过金属实体的热传导而散失，防止出现过烧缺陷。2、与成型件接触的支撑数量要足够，以防止成型件的翘曲变形。3、与成型件接触的支撑不能太粗，强度不能太大，要利于后续支撑的去除。4、支撑中间部分要有足够的强度以防止支撑自身变形，在强度足够的前提下要尽可能地减少材料的损耗，也有利于后续支撑的去除。5、支撑结构要适应成型件的形状、位置，增加支撑结构的适用性。由于支撑结构的不可或缺性，结合传统支撑结构的优点、去除其缺点，设计出优化的金属增材制造支撑结构具有重要意义。
技术实现思路
为了克服现有金属增材制造支撑结构存在的上述缺点，本专利技术提供一种金属增材制造中的可控多孔网状支撑结构及其制作方法，该结构具有耗材少、强度高、易去除、适应性好等优点，而且多孔网状支撑结构使用UG参数化设计建模方法，使得支撑的设计、添加、修改变得灵活，缩短了支撑设计、支撑添加的时间；而且支撑结构的易去除性使成型出的零件具有更好的成型质量。本专利技术采用的技术方案是：金属增材制造中的可控多孔网状支撑结构的制作方法，其特征在于：所述的制作方法如下：S1、通过UG参数化建模方法设计可控多孔网状支撑结构：使用UG参数化建模的方法构建可控多孔结构的单元体；设计初期设定如下参数：单元体长度、单元体宽度、单元体的高度和单元体支架半径四个参数，设定好参数后，在UG建模时使用设定的参数进行约束；后续修改时仅仅只需要修改参数就能实现单元体尺寸、孔隙率的调整；S2、根据零件需要添加支撑面的形状，阵列出可控多孔网状支撑结构，根据零件的高度增加或减少单元体的个数；与成型件的支撑面接触部分是从网状结构单元体节点延伸出去的细杆。S3、布局添加支撑的点：从支撑点引出细杆，细杆的一部分伸进成型件，伸入成型件的长度决定支撑与成型件之间的结合强度；S4、确定好支撑点和细杆的高度后，每个点离基板的高度减去支撑高度即为支撑单元体总体高度；每个单元体的高度及个数根据总体高度来确定；；确定好单元体个数后，将总体高度分成所设定的段数，每段的中点即为单元体杆子的节点，单元体杆子从此节点处生成；S5、单元体包括大单元体和小单元体，小八面体单元的杆子从大单元体的杆子的中点位置生成，细杆从大单元体和小单元体的顶点生成。按照上述所述的制作方法制作的金属增材制造中的可控多孔支撑结构，其特征在于：包括上部的与成型件的支撑面接触部分、中间主体部分和下部的与基板接触部分；所述的中间主体部分由多个多孔单元体构成，所述的多孔单元体为大八面体单元结构，所述的大八面体单元结构由八根第一杆子拼接构成；与基板接触部分为外侧的多孔单元体的节点向下延伸的直杆；所述的与成型件的支撑面接触部分为最上方的多孔单元体的顶点向上的延伸部分，所述的延伸部分为小八面体单元结构以及与成型件连接的细杆；所述的小八面体单元由八根第二杆子拼接构成，所述的第二杆子设置在所述的第一杆子的中点位置；所述的第一杆子的长度为第二杆子的长度的一半，所述的小八面体单元结构的高度为大八面体单元结构的高度的一半。所述的细杆从大八面体单元结构和小八面体单元结构的顶点生成；所述的细杆的的顶面直径小于底面直径，所述的细杆的上端伸入成型件内部。进一步，所述的大八面体单元结构的X方向长度和Y方向长度和杆子直径尺寸可调节。进一步，所述的大八面体单元结构的X方向长度是1.4mm～4mm，Y方向长度1.4mm～4mm，杆子直径尺寸是1.5mm～3mm。进一步，所述的多孔单元体的高度是2mm～6mm。进一步，所述的细杆的顶部直径、底部直径和高度可调，顶部直径和底部直径设置范围为0.1mm～0.5mm，高度设置范围为1mm～2mm.进一步，所述的细杆伸入成型件内部的长度的设置范围为0.1mm～0.8mm。本专利技术根据金属增材制造可能出现的零件形状设计了3种不同的可控多孔网状支撑结构，提出了三种支撑添加的方法，具体如下：1、对于大面积的零件：设计了正八面体的可控多孔网状支撑结构。支撑结构大部分单元体为正八面体类型，可以通过调整单元体的高度、长度、宽度和单元体支架直径来控制其孔隙率、强度。这部分单元体尺寸较大，在保证强度足够的前提下尽量减少了材料的消耗。而与成型件接触部分的单元体则较小、较密。这是为了保证有足够多的细小杆子与成型件接触。小单元体的设计方法是取大单元体杆子的中心延伸出杆子，杆子长度为大单元体杆子长度的一半，高度也为大单元体高度的一半。这样与成型件接触部分的单元体就多了一倍。而且这种可控的多孔网状支撑结构可以根据自己需要的支撑疏密程度而设计小单元体本文档来自技高网...

【技术保护点】
金属增材制造中的可控多孔网状支撑结构的制作方法，其特征在于：所述的制作方法如下：S1、通过UG参数化建模方法设计可控多孔网状支撑结构：使用UG参数化建模的方法构建可控多孔结构的单元体；设计初期设定如下参数：单元体长度、单元体宽度、单元体的高度和单元体支架半径四个参数，设定好参数后，在UG建模时使用设定的参数进行约束；后续修改时仅仅只需要修改参数就能实现单元体尺寸、孔隙率的调整；S2、根据零件需要添加支撑面的形状，阵列出可控多孔网状支撑结构，根据零件的高度增加或减少单元体的个数；与成型件的支撑面接触部分是从网状结构单元体节点延伸出去的细杆。S3、布局添加支撑的点：从支撑点引出细杆，细杆的一部分伸进成型件，伸入成型件的长度决定支撑与成型件之间的结合强度；S4、确定好支撑点和细杆的高度后，每个点离基板的高度减去支撑高度即为支撑单元体总体高度；每个单元体的高度及个数根据总体高度来确定；；确定好单元体个数后，将总体高度分成所设定的段数，每段的中点即为单元体杆子的节点，单元体杆子从此节点处生成；S5、单元体包括大单元体和小单元体，小八面体单元的杆子从大单元体的杆子的中点位置生成，细杆从大单元体和小单元体的顶点生成。...

【技术特征摘要】
1.金属增材制造中的可控多孔网状支撑结构的制作方法，其特征在于：所述的制作方法如下：S1、通过UG参数化建模方法设计可控多孔网状支撑结构：使用UG参数化建模的方法构建可控多孔结构的单元体；设计初期设定如下参数：单元体长度、单元体宽度、单元体的高度和单元体支架半径四个参数，设定好参数后，在UG建模时使用设定的参数进行约束；后续修改时仅仅只需要修改参数就能实现单元体尺寸、孔隙率的调整；S2、根据零件需要添加支撑面的形状，阵列出可控多孔网状支撑结构，根据零件的高度增加或减少单元体的个数；与成型件的支撑面接触部分是从网状结构单元体节点延伸出去的细杆。S3、布局添加支撑的点：从支撑点引出细杆，细杆的一部分伸进成型件，伸入成型件的长度决定支撑与成型件之间的结合强度；S4、确定好支撑点和细杆的高度后，每个点离基板的高度减去支撑高度即为支撑单元体总体高度；每个单元体的高度及个数根据总体高度来确定；；确定好单元体个数后，将总体高度分成所设定的段数，每段的中点即为单元体杆子的节点，单元体杆子从此节点处生成；S5、单元体包括大单元体和小单元体，小八面体单元的杆子从大单元体的杆子的中点位置生成，细杆从大单元体和小单元体的顶点生成。2.按照权利要求1所述的制作方法制作的金属增材制造中的可控多孔支撑结构，其特征在于：包括上部的与成型件的支撑面接触部 分、中间主体部分和下部的与基板接触部分；所述的中间主体部分由多个多孔单元体构成，所述的多孔单元体为大八面体单元结构，所述的大八面体单元结构由...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜献峰，董星涛，宋荣伟，刘云峰，彭伟，周东，熊志越，王同鹤，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33