粉末床熔融成形工艺的中间成型件及其去支撑专用工装的制作方法

本实用新型涉及粉末床熔融成形工艺中的中间成型件及其工装。

背景技术：

增材制造(additivemanufacturing)技术被预测为可能引发“第三次工业革命”的关键技术之一，相比于传统加工工艺，具有材料利用率高、设计自由度高、成形精度高、表面质量好等多重优势。根据原材料的送进形式不同，增材制造可分为基于粉末床(粉末床熔融技术)和材料同步送进两种形式，其中粉末床式增材制造的主要技术原理为：将待加工的零件三维数字模型进行逐层分割，输入到成形设备中；将基板固定在成形基板上，并进行调平，利用铺粉机构(通常为刮板或粉辊)进行单层铺粉，利用一束或多束激光/电子束，对铺放好的单层粉末进行选区熔化，实现由点到线，由线到面的成形过程；待一层成形完后成形基板下降一定高度，进行下一层铺粉及选区熔化成形，最终实现了由面到体的成形过程，由此获得最终零件，特别适合于航空航天等高附加值行业。

粉末床熔融增材制造过程中，必不可少地需要设计悬空表面的支撑结构，以起到固定和导热的作用，防止零件出现变形、震动、位移以及热应力积累。为了保证良好的固定和导热作用，支撑与零件实体之间需要冶金结合，并且一般都具有较强的结合强度。零件在毛坯成形完成后，需要进行支撑去除，对于结构复杂的零件，支撑可去除、易于去除是粉末床熔融增材制造技术工艺的关键难点之一。

对于结构复杂零件，在粉末床熔融成形过程中，热应力较大，为了防止热应力造成零件变形，通常需要在零件和成形基板之间增加强度较高的支撑，以提升零件的变形抗力。当添加的支撑具有较高强度时，需要在去支撑过程中施加更大的外力作用才能将其取出，这将对零件在去支撑过程中的尺寸精度带来的负面效果。

为了避免这一问题，可以在设计零件成形工艺方案中，选择更优的成形方向，使得产生的热应力尽量小，尽量少添加支撑结构。然而对于复杂结构的零件，往往需要兼顾零件各个部分的成形工艺性，不能保障对所有的局部结构都选用最优的成形方向，因此无法彻底解决由于支撑强度高带来的零件变形风险。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供粉末床熔融成形工艺的中间成型件，借此可提供对零件影响程度最小的支撑去除方案，有效避免去支撑过程可能造成的零件变形。

本实用新型的另一目的在于提供一种适用于所述中间成型件的去支撑专用工装。

为实现所述目的的粉末床熔融成形工艺的中间成型件，包括固定支撑和易变形零件，所述固定支撑连接在粉末床熔融成形工艺的成形基板和所述易变形零件的底面，所述中间成型件还包括防变形支撑，所述防变形支撑在所述易变形零件的顶面与所述易变形零件一体成型，所述固定支撑与所述易变形零件的底面之间为齿形接触连接。

在所述的中间成型件的一个或多个实施方式中，所述固定支撑为网格支撑结构。

在所述的中间成型件的一个或多个实施方式中，所述防变形支撑为肋板结构。

在所述的中间成型件的一个或多个实施方式中，所述防变形支撑与所述易变形零件的上部为全接触连接或齿形接触连接。

在所述的中间成型件的一个或多个实施方式中，所述防变形支撑为实体结构或网格支撑结构。

在所述的中间成型件的一个或多个实施方式中，所述防变形支撑在所述成形基板上的投影长度不低于所述易变形零件在所述成形基板上的投影长度的80％。

在所述的中间成型件的一个或多个实施方式中，所述易变形零件在所述基板上的投影的长宽比不低于8。

为实现所述目的的去支撑专用工装，用于任一所述中间成型件，包括第一座体；所述第一座体的顶面具有与所述易变形零件的顶面共形的第一定位面，还具有将所述第一定位面分成两部分的支撑配合槽；所述第一座体在所述第一定位面的两端还具有第一凸挡；所述中间成型件以所述防变形支撑朝下的方式安装在该去支撑专用工装上，其中，所述防变形支撑进入到所述支撑配合槽，所述易变形零件的顶面与所述第一定位面贴合，并且所述易变形零件的两端分别由所述第一凸挡装夹。

在所述的去支撑专用工装的一个或多个实施方式中，所述第一凸挡与所述第一定位面的端部相对，共同限定端部槽，所述易变形零件的两端分别插入在所述端部槽中；所述第一凸挡上还设置有螺纹孔，所述易变形零件的两端分别由与所述螺纹孔连接的紧固件压紧定位。

为实现所述目的的去支撑专用工装，用任一所述中间成型件，该中间成型件已被去除所述固定支撑，其包括第二座体，所述第二座体的顶面具有与所述易变形零件的底面共形的第二定位面；所述第二座体在所述第二定位面的两端还具有第二凸挡，所述第二凸挡上还设置有螺纹孔；所述中间成型件以所述易变形零件的底面朝下的方式安装在该去支撑专用工装上，其中，所述易变形零件的底面与所述第二定位面贴合，并且所述易变形零件的两端分别与所述第二凸挡相对，并由所述第二凸挡装夹。

本实用新型的有益效果体现在：

通过固定支撑、防变形支撑的共同作用，提高零件抵抗变形的能力，与仅依靠固定支撑相比，具有更强的支撑结构稳定性；

采用固定支撑、防变形支撑组合形式后，和仅采用固定支撑相比，固定支撑、防变形支撑的接触面强度降低，配合专用工装，可有效降低零件变形风险。

附图说明

本实用新型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是易变形零件与成形基板示意图。

图2是中间成型件的示意图。

图3是去支撑专用工装中的去除固定支撑工装示意图。

图4是去除固定支撑工装与中间成型件的配合关系的示意图，其中的中间成型件已被去除固定支撑。

图5是去除固定支撑工装与中间成型件的配合关系的剖面的示意图

图6是去支撑专用工装中的去除防变形支撑用工装示意图。

图7是去除防变形支撑用工装与中间成型件的配合关系示意图。

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。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。

如图1所示，其中201为易变形零件，202为成形基板，相互位置关系如图所示。易变形零件201在成形基板202上投影的长宽比不低于8。所述方案也适用于包含类似局部特征的粉末床熔融零件，即以下所述零件，也可以指某零件的局部结构。这一结构特征在粉末床熔融毛坯成形过程中具有沿着z轴正方向的变形趋势，在去支撑打磨过程中由于较大的长宽比，易于在外力的作用下发生变形。

图2为添加了固定支撑和防变形支撑后构成中间成型件200的示意图，其中203为防变形支撑，采用1.5mm板状肋板，防变形支撑203和易变形零件201采用全接触连接，在另一实施方式中，采用齿形接触连接，齿形接触连接是指二者连接处是由多个间隔开的连接部连接，多个间隔开的连接部看起来形成齿形形状，连接部可以是三角形齿。防变形支撑203采用网格结构或者实体结构。

易变形零件201的底面与固定支撑204连接，固定支撑204采用网格支撑形式，网格边长为1.2mm，固定支撑204的底面和易变形零件201的底面齿形接触连接，固定支撑204底部和成形基板202全接触。

前述实施方式针对易变形零件与成形基板间支撑(与传统支撑结构的作用相同，对零件起固定作用，以下简称固定支撑)强度高、难以去除的问题，提出增加防变形肋板支撑(起防止变形作用，以下简称防变形支撑)，与此同时可以适当降低固定支撑强度。借此可提升支撑结构的稳定性，降低成形过程中零件变形风险，提升尺寸合格率。通过固定支撑、防变形支撑的共同作用，提高零件抵抗变形的能力，与仅依靠固定支撑相比，具有更强的支撑结构稳定性。

提升支撑可去除性，降低去支撑过程中零件变形风险，提升尺寸合格率。采用固定支撑、防变形支撑组合形式后，和不采用前述实施方式相比，固定支撑、防变形支撑的接触面强度降低，配合后述专用工装，可有效降低零件变形风险。

去支撑专用工装包括去固定支撑工装和去防变形支撑工装。

如图3为去除固定支撑用工装301。去除固定支撑用工装301包括第一座体300。第一座体300的顶面具有与易变形零件201的顶面共形的第一定位面303，还具有将第一定位面303分成两部分的支撑配合槽304。

第一座体300在第一定位面303的两端还具有第一凸挡302，第一凸挡302上还设置有螺纹孔305。

图4和图5是以已被去除固定支撑的中间成型件为例，这样便于显示该中间成型件与工装的配合关系。中间成型件以防变形支撑203朝下的方式安装在该去除固定支撑用工装301上，其中，防变形支撑203进入到支撑配合槽304，易变形零件201的顶面与第一定位面303贴合，并且易变形零件201的两端分别由第一凸挡302装夹。之后采用电火花线切割、手工打磨方式，将固定支撑完全去除，打磨到位。

前述装夹方式的一种实施方式是由第一凸挡302直接将易变形零件201的端部夹紧固定。前述装夹方式的另一种实施方式由与螺纹孔305连接的紧固件(图中未示出)压紧定位。当工装301和中间成型件200配合后，使用螺钉，将中间成型件200与去除固定支撑用工装301进行固定。前述装夹方式的又一种实施方式，第一凸挡302设置成与第一定位面303的端部相对，共同限定端部槽306，易变形零件201的两端分别插入在端部槽306中。

去除防变形支撑用工装501如图6所示，包括第二座体500。第二座体500的顶面具有与易变形零件201的底面共形的第二定位面504；

第二座体500在第二定位面504的两端还具有第二凸挡503，第二凸挡503上还设置有螺纹孔502。

如图7所示，已被去除固定支撑的中间成型件200以易变形零件201的底面朝下的方式安装在该去除防变形支撑用工装501上，其中，易变形零件201的底面与第二定位面504贴合，并且易变形零件201的两端分别与第二凸挡503相对。一种第二凸挡503对易变形零件201的两端装夹的实施方式，易变形零件201的两端由与螺纹孔502连接的紧固件(在图中未示出)压紧定位。

将中间成型件200与去除防变形支撑用工装501进行配合，易变形零件201与第二凸挡503及其紧固件例如螺钉紧密接触后，采用紧固件从第二凸挡503将零件压紧，然后采用电火花线切割、手工打磨方式完成防变形支撑的去除。

在前述实施方式中，采用粉末床熔融技术同步生产易变形零件201以及对应的工装。进行去应力热处理，并测量去支撑工装的轮廓度误差小于0.05mm。

结合图3至图7，可以理解到，针对图2所示的中间成型件，去支撑方案包括：

1、支撑去除顺序为，先去除固定支撑204，再去除防变形支撑203，当易变形零件201的固定支撑204去除完毕，且打磨到位后，再去除防止变形支撑203。

2、按照去除顺序，使用对应工装。在安装过程中，先将带支撑的易变形零件与各工装对应定位面贴合，易变形零件两端顶点分别进行固定。

3、当零件外形规则时，优先采用电火花线切割将固定支撑或防变形支撑和易变形零件进行分离，线切割后，易变形零件上的支撑余量大于0.1mm，采用人工打磨方式，将零件打磨至最终尺寸。

4.零件外形不规则，无法采用电火花线切割时，采用人工去除方式。

本实用新型虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型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，均落入本实用新型权利要求所界定的保护范围之内。