一种SLM制造金属零件易去除支撑结构设计方法技术

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。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】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。【专利说明】一种SLM制造金属零件易去除支撑结构设计方法
本专利技术提出一种在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。
技术介绍
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 —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=HXCtge，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?50μπι。所以S值大小主要与倾斜角Θ相关。a?b段倾斜角Θ I明显大于c?d段倾斜角Θ 2，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(hl+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。
技术实现思路
本专利技术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-ο.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，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张冬云，李丛洋，曹玄扬，张晖峰，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11