成形附件、设计方法以及成形方法与流程

本发明涉及三维打印领域，尤其涉及一种用于盖筒件的激光选区熔化成形的成形附件、设计方法以及成形方法。

背景技术：

增材制造（additivemanufacturing，am）是一种基于离散堆积原理，逐层熔化原材料而实现零件成形的制造技术。激光选区熔化（selectivelasermelting，slm）被认为是最具潜力的增材制造（am）技术之一，由于采用细微聚焦光斑的激光束作为成形能量源、高速高精度扫描振镜作为加工光束控制单元及采用更薄的层厚控制技术，相对于其他am技术而言，slm技术在获得高致密和高精度成形件方面更具有优势，可完成复杂型腔、型面、薄壁、变截面零件的直接成形。

使用slm设备打印，尤其是复杂、悬臂等结构易变形零件，需要对初始模型添加支撑结构构成打印模型，在进行成形步骤时，支撑结构与零件同时成形，以保证成形过程中零件不产生变形。成形步骤结束后，需要将支撑结构去除。

如图1以及图2所示的盖筒件101而言，其盖体102位于筒体103的轴向一端，盖体102与筒体103的连接平面超出所述筒体的外围的区域为悬空面104；因此在选区激光熔化成形工艺中需要对悬空面104添加支撑结构，在成形步骤完成后，需要对支撑结构进行去除。

现有技术中，去除支撑结构的方法有线切割法，手工敲击法。发明人在实践中发现，若采用手工敲击需使用外力去敲击支撑结构，很难控制敲击的力道，且每次敲击的力道也不尽相同，尤其将支撑结构将从零件剥离的最后一次敲击，若以初始的敲击力敲击，经常会出现敲击力过大，导致支撑结构从悬空面脱离的同时，对悬空面受到的应力过大而发生翘曲，最后功亏一篑，并且，由于支撑结构环绕于筒体103，手工敲击时是对局部敲击，也容易导致将支撑结构将从零件剥离的最后一次敲击时，局部应力过大，而导致悬空面翘曲。但是，操作人员又很难预测哪次敲击是最后一次敲击，因此手工打磨需要异常小心，操作复杂费时费工，并且即使小心操作，成功率仍然不高，时常发生零件损坏的情况。

而线切割法也很难对盖筒件101的slm成形的支撑结构进行去支撑操作，其原因在于，由于支撑结构与悬空面接触位置，还临近筒体103的侧壁，因此在进行线切割时，需要避免高温影响到筒体103的侧壁，操作难度很大，容易发生筒体103的侧壁被烧蚀的情况而损坏零件的情况。

现有技术中也有采用设计去支撑工装的方法，如公开号为cn108213434a，公开日期为2018年06月29日，名称为“一种零件的去支撑工装的制作方法及去支撑工装”的中国发明专利申请，公开了一种随形工装，去支撑工装与零件的贴合度较高，通过对零件的贴合，增强零件本身的支撑刚度，以达到在敲击过程中防止变形的目的。但发明人在实践中发现，对于如图1为例的盖筒件101而言，由于悬空面本身区域较为狭窄，随形工装能提供的支撑面积也对应地较小，使用随形工装难以提升悬空面在支撑接触位置的刚度，也很难保证盖筒件101的悬空面与支撑结构断裂分离时应力过大而发生翘曲，因此随形工装的作用有限。

因此，本领域需要一种用于盖筒件的激光选区熔化成形的成形附件、设计方法以及成形方法，易于在激光选区熔化成形的成形步骤后去除支撑结构，保证零件的成形质量。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种成形附件，提供对盖筒件的悬空面在激光选区熔化成形的支撑结构，且该支撑结构易于除去。

本发明的目的还在于提供一种用于盖筒件的激光选区熔化成形的设计方法。

本发明的目的还在于提供一种用于盖筒件的激光选区熔化成形的成形方法。

根据本发明一个方面的一种成形附件，用于盖筒件的激光选区熔化成形，所述盖筒件包括盖体以及筒体，所述盖体位于所述筒体的轴向一端，所述盖体与所述筒体的连接平面超出所述筒体的外围的区域为悬空面；所述成形附件包括：支撑结构，包括环绕所述筒体的多个支撑体，所述支撑体包括支撑板和形成于支撑板顶部的齿形部；多个所述支撑板彼此在周向相互分隔，并通过所述齿形部与所述悬空面接触，借此构成对所述悬空面的轮廓支撑；去支撑工装，用于去除所述支撑结构，所述去支撑工装包括从轴向一端至另一端依次连接的第一筒体以及第二筒体，所述第一筒体的外径小于所述支撑结构的内径，所述第二筒体包括从轴向依次分布的第二过渡斜面以及第二筒体本体，所述第二筒体的外径大于所述支撑结构的内径，所述第二过渡斜面在轴向的一端连接所述第一筒体，另一端连接所述第二筒体本体。

在一个或多个实施方式中，所述支撑结构包括在其内壁至外壁之间设置多个径向相邻的齿形部，所述齿形部的高度为0.5mm-1.5mm，径向相邻所述齿形部之间具有第一间距，所述第一间距为0.4mm-0.8mm。

在一个或多个实施方式中，所述支撑板的数量为6-12个，周向相邻的所述支撑板之间具有第二间距，所述第二间距为0.5mm-1.5mm。

在一个或多个实施方式中，相邻的所述支撑板之间设置有加强筋，或者至少一个支撑板的外壁面连接有肋板。

在一个或多个实施方式中，所述第一筒体包括从轴向依次连接的尖端、第一过渡斜面以及第一筒体本体，所述尖端位于所述支撑工装的轴向一端，所述第一过渡斜面位于所述尖端与所述第一筒体本体之间，所述第二过渡斜面位于所述第一筒体本体与所述第二筒体本体之间；所述尖端的厚度小于0.8mm，所述第一筒体的本体的外径小于所述支撑结构的内径1mm-4mm，所述第二筒体本体的外径大于所述支撑结构的内径1mm-4mm。

在一个或多个实施方式中，所述支撑工装还包括第三筒体，所述第二筒体与所述第三筒体之间具有台阶面，所述第三筒体的外径大于所述第二筒体的外径10mm-15mm。

根据本发明另一个方面的一种设计方法，用于盖筒件的激光选区熔化成形，所述设计方法包括：

步骤a：对所述盖筒件进行建模，得到所述盖筒件的初始模型，所述盖筒件的初始模型包括盖体以及筒体，所述盖体位于所述筒体的轴向一端，所述盖体与所述筒体的连接平面超出所述筒体的外围的区域为悬空面；

步骤b：对所述初始模型进行转化，对应所述悬空面添加支撑结构，所述支撑结构包括环绕所述筒体的多个支撑体，所述支撑体包括支撑板和形成于支撑板顶部的齿形部；所述多个支撑板彼此在周向相互分隔，并通过所述齿形部与所述悬空面接触，借此构成对所述悬空面的轮廓支撑；所述支撑结构的内壁与所述筒体的外壁之间的具有第三间距，将所述初始模型转化为所述盖筒件进行激光选区熔化成形的成形模型；

步骤c：进行去支撑工装的建模，得到所述去支撑工装的成形模型其中，所述去支撑工装包括从轴向一端至另一端依次连接的第一筒体以及第二筒体，所述第一筒体的外径小于所述支撑结构的内径，所述第二筒体包括从轴向依次分布的第二过渡斜面以及第二筒体本体，所述第二筒体的外径大于所述支撑结构的内径，所述第二过渡斜面在轴向的一端连接所述第一筒体，另一端连接所述第二筒体本体。

在一个或多个实施方式中，所述第三间距为0.5mm-1.5mm。

根据本发明又一个方面的一种成形方法，用于盖筒件的激光选区熔化成形，所述成形方法包括：

步骤1：提供成形模型，所述成形模型包括盖筒件以及盖筒件的悬空面对应的支撑结构，所述支撑结构包括环绕所述盖筒件的筒体的多个支撑体，所述支撑体包括支撑板和形成于支撑板顶部的齿形部；所述多个支撑板彼此在周向相互分隔，并通过所述齿形部与所述悬空面接触，借此构成对所述悬空面的轮廓支撑；所述支撑结构的内壁与所述盖筒件的筒体的外壁之间的具有第三间距；

步骤2：根据所述成形模型，进行激光选区熔化成形，得到初步成形件；

步骤3：将去支撑工装从所述支撑结构与所述筒体之间的所述第三间距嵌套进入，所述去支撑工装对所述悬空面施加轴向力，对所述支撑板施加径向力，使所述支撑结构与所述盖筒件分离，其中，所述去支撑工装包括从轴向一端至另一端依次连接的第一筒体以及第二筒体，所述第一筒体的外径小于所述支撑结构的内径，所述第二筒体包括从轴向依次分布的第二过渡斜面以及第二筒体本体，所述第二筒体的外径大于所述支撑结构的内径，所述第二过渡斜面在轴向的一端连接所述第一筒体，另一端连接所述第二筒体本体。

在一个或多个实施方式中，在所述步骤3中，包括：

步骤31：将所述第一筒体完全进入所述第三间距，所述第二过渡斜面部分进入所述第三间距，在所述去支撑工装的轴向的另一端施加压力，使所述第二过渡斜面以及第二筒体本体完全进入所述第三间距；

步骤32：进行所述步骤31之后，在所述去支撑工装的轴向的另一端施加拉力，将所述第二筒体从所述第三间距完全拉出，之后敲击所述支撑结构的外壁，使得所述支撑结构的内壁与所述第一筒体贴合；

步骤33：重复执行所述步骤31至所述步骤32，直至所述支撑结构与所述盖筒件分离。

在一个或多个实施方式中，在所述步骤3中，还包括提供所述去支撑工装的成形模型，根据该成形模型进行增材制造或者机床加工，得到所述去支撑工装。

本发明的有益效果包括但不限于：

通过将支撑结构设置为多个彼此在周向分隔的支撑板以及齿形部构成悬空面的轮廓支撑结构，以及去支撑工装的第一筒体以及第二筒体的设置，使得第一筒体在轴向推动悬空面与支撑结构分离，同时第二筒体径向推挤作用于分隔的支撑板，推动支撑结构在径向与悬空面分离，轴向力与径向力共同作用，从而只需较小的敲击力即可分离支撑结构与悬空面，防止敲击力过大而导致零件损伤，同时也易于操作；从而使得成形效率高，成形件合格率高。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为一实施例的盖筒件的结构示意图。

图2为盖筒件的仰视角度的结构图。

图3为一实施例的盖筒件的初步成形件的结构示意图。

图4为初步成形件仰视角度的结构图。

图5为一实施例的支撑结构的俯视图。

图6为一实施例的齿形部的结构示意图。

图7为一实施例的去支撑工装的外部视角的结构示意图。

图8为去支撑工装的剖视结构示意图。

图9为一实施例的设计方法的流程示意图。

图10为一实施例的成形方法的流程示意图。

具体实施方式

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或下面操作不一定按照顺序来精确地执行。也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

参考图1至图6，以及图7、图8，在一实施例中，盖筒件101的激光选区熔化成形工艺中，盖体102与筒体103的连接平面超出所述筒体的外围的区域为悬空面104；因此在选区激光熔化成形工艺中需要对悬空面104添加支撑结构1，在成形步骤完成后，需要对支撑结构1进行去除。支撑结构1包括环绕筒体103的多个支撑体10，支撑体10包括支撑板11，以及形成于支撑板11顶部齿形部12。在成形步骤中，支撑板11将固定于成形基板。多个支撑板11彼此在周向相互分隔，并通过齿形部12与悬空面104接触，参考图3以及图5，借此构成对悬空面104的轮廓支撑(contoursupport)，即齿形部12与悬空面104的接触为沿着悬空面104的轮廓线接触。采用轮廓支撑的有益效果在于，既可以保证对悬空面104足够支撑刚度，也易于与悬空面104分离。如图5所示的，支撑结构1可以包括在支撑结构1的内壁至外壁之间设置多个径向相邻的齿形部12。齿形部12的数量由悬空面104的大小选取，例如悬空面104较大，则齿形部12的数量较多，以提供足够的支撑，若悬空面104较小，则齿形部12的数量较少，甚至可以是单圈齿形部12即可。齿形部12的高度为0.5mm-1.5mm，径向相邻齿形部12之间具有第一间距，第一间距为0.4mm-0.8mm，如此可以提供更为稳定的支撑效果，同时，由于齿形部12间隔一定距离，也可以保证齿形部12易于与悬空面104分离。齿形部12的齿形可以是如图6所示的梯形齿，也可以是矩形齿，或者三角形齿等等，根据支撑刚度需要选取，不以图中所示的内容为限。在一些实施例中，支撑板11的数量为6-12个，构成圆环结构，例如图3所示的9个支撑板11，每个支撑板11对应的圆心角为39°，周向相邻的支撑板11之间具有第二间距g2，第二间距g2为0.5mm-1.5mm。在一个或多个实施例中，若需要加强支撑结构1的支撑刚度，可以在相邻的支撑板11之间，即第二间距g2内设置加强筋连接相邻的支撑板11，或者在支撑板11的外壁连接肋板，以起到增强支撑结构1的作用。

参考图7、图8，用于去除支撑结构1的去支撑工装2包括从轴向一端至另一端依次连接的第一筒体21以及第二筒体22，第一筒体21的外径小于多个支撑板11围成的圆环结构的内径，即小于支撑结构1的内径，所述第二筒体22包括从轴向依次分布的第二过渡斜面221以及第二筒体本体222，第二筒体22的外径大于支撑结构1的内径，使得第二筒体22可以与支撑结构1的支撑板11接触，第二过渡斜面221在轴向的一端连接第一筒体21，另一端连接第二筒体本体222，以实现径向尺寸从第一筒体21扩大到第二筒体本体222的过渡。此处所指的径向，不限于直径方向，而是广义的径向，即中心指向外围边缘的方向。

采用以上实施例所记载的成形附件的有益效果，可以结合盖筒件101的成形方法的步骤体现。参考图10，得到如图3、图4所示的盖筒件101包括有支撑结构1的初步成形件后，将如图7以及图8所示的去支撑工装2从支撑结构1与筒体103之间的第三间距g3内嵌套进入。具体可以是，首先将第一筒体21完全进入第三间距g3，第二过渡斜面221部分进入第三间距g3直至第二过渡斜面221与支撑板11的内壁接触，此时在去支撑工装2的轴向的另一端施加压力f1，使第二过渡斜面221的全部逐渐缓慢进入第三间距g3，由于支撑结构1包括各个分隔的支撑板11构成，支撑结构1的刚度较小，且第二筒体本体222外径大于支撑结构1的内径，此时各支撑板11在第二筒体本体222的径向挤推作用下逐步张开，压力f1施加至第二筒体本体222完全进入第三间距g3为止。之后在轴向的另一端施加拉力f2，直至第二过渡斜面221完全从第三间距g3拉出，此时采用例如橡胶锤等工具，从支撑板11外壁进行敲击，使支撑板11围成的圆环状支撑结构1的内径逐步缩小，直至与第一筒体21的外壁紧密贴合。重复以上操作1-20次，直至支撑结构1与盖筒件101分离断裂。从以上叙述可以看出，成形过程中采用支撑结构1以及对应的去支撑工装2为成形附件，通过将支撑结构1设置为多个周向分隔的支撑板11，齿形部12对悬空面104构成轮廓支撑，以及通过去支撑工装2的第一筒体21以及第二筒体22的设置，使得第一筒体21在轴向推动盖体102的悬空面104与支撑结构1在轴向分离，同时第二筒体22径向推挤作用于分隔的支撑板11，推动支撑结构1在径向与盖体102的悬空面104分离，轴向力与径向力共同作用，从而只需较小的敲击力即可分离支撑结构1与悬空面104，防止敲击力过大而导致零件损伤，同时也易于操作。另外，齿形部12构成轮廓支撑的设计，在保证支撑刚度的基础上，进一步减小了支撑结构1与悬空面104的接触面积，使得支撑结构1更易于与悬空面104分离。

继续参考图7、图8，在一些实施例中，去支撑工装2的具体结构还可以是，第一筒体21包括从轴向依次连接的尖端211、第一过渡斜面212以及第一筒体本体213，尖端211位于去支撑工装2的轴向一端，第一过渡斜面212位于尖端211与第一筒体本体213之间，第二过渡斜面221位于第一筒体本体213与第二筒体本体222之间；尖端211的厚度小于0.8mm，第一筒体本体213的外径小于支撑结构1的内径1mm-4mm，第二筒体本体222的外径大于支撑结构1的内径1mm-4mm。尖端211的设置，可以对第一筒体21进入第三间距g3时起到导向作用，而第一筒体本体213以及第二筒体本体222的尺寸的设置，进一步优化对去支撑工装2对于支撑板11的径向推挤的效果，使得径向推挤力适中。在一个或多个实施例中，去支撑工装2还可以包括第三筒体23，第二筒体22与第三筒体23之间具有台阶面，第三筒体23的外径大于第二筒体22的外径10mm-15mm，如此可以在第三筒体23施加压力f1以及拉力f2，易于操作。

承上所述，参考图9，对于盖筒件101的激光选取熔化成形的设计方法，步骤可以包括：

步骤a：对盖筒件101进行建模，得到如图1以及图2所示的盖筒件101的初始模型1000，盖筒件101的初始模型包括盖体102以及筒体103，盖体102位于筒体103的轴向一端，盖体102与筒体103的连接平面超出筒体103的外围的区域为悬空面104；

步骤b：对初始模型1000进行转化，添加用于支撑悬空面104的支撑结构1，支撑结构1的内壁与筒体103的外壁之间具有第三间距g3，将初始模型1000转化为如图3至图5所示的盖筒件101进行激光选区熔化成形的成形模型2000；

步骤c：进行去支撑工装2的建模，得到去支撑工装2的成形模型3000。

初始模型1000可以在计算机辅助设计（computeraideddesign，cad）软件中进行，而转化初始模型1000并增加支撑结构1，转化为成形模型2000可以在magics、rp-tools等软件进行，并将成形模型2000进行分层切片处理。

参考图10，对于盖筒件101的激光选取熔化成形的成形方法，步骤可以包括：

步骤1.提供盖筒件101的成形模型2000，具体可以是采用以上实施例介绍的设计方法的步骤a以及步骤b，得到盖筒件101的成形模型2000；

步骤2.根据盖筒件101的成形模型200，进行激光选区熔化成形，得到盖筒件101的初步成形件；并将初步成形件从成形基板切割；

步骤3.将去支撑工装2从支撑结构1与筒体103之间的第三间距g3嵌套进入，去支撑工装2对悬空面102施加轴向力，对支撑板11施加径向力，使支撑结构1与盖筒件101分离，分离后再进行支撑面打磨，例如采用气动抛磨笔、砂纸等工具，对盖筒件101残留的支撑结构进行最终打磨。

去支撑工装2的去除支撑结构1的具体操作，在讨论去支撑工装2以及支撑结构1组成的成形附件的有益效果时已经详细介绍，此处不再重复叙述。去支撑工装2的成形，可以是在与盖筒件101的同一成形基板上，根据去支撑工装2的成形模型3000，也采用激光选区熔化成形的工艺进行成形，也可以是根据去支撑工装2的成形模型3000进行机械加工成形。

综上所述，以上实施例介绍的成形附件、设计方法、成形方法以及可读存储介质的有益效果包括，通过将支撑结构设置为多个彼此在周向分隔的支撑板以及齿形部构成悬空面的轮廓支撑结构，以及去支撑工装的第一筒体以及第二筒体的设置，使得第一筒体在轴向推动悬空面与支撑结构分离，同时第二筒体径向推挤作用于分隔的支撑板，推动支撑结构在径向与悬空面分离，轴向力与径向力共同作用，从而只需较小的敲击力即可分离支撑结构与悬空面，防止敲击力过大而导致零件损伤，同时也易于操作；从而使得成形效率高，成形件合格率高。

本发明虽然以上述实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。