一種樹枝狀3D打印支撐結構的制作方法

本發明屬于增材制造設備技術領域，具體涉及一種樹枝狀3D打印支撐結構。

背景技術：

增材制造(俗稱3D打印)是一種新型的材料加工技術，其加工柔性大，可實現復雜結構的快速成形，增材制造技術按照工藝手段及設備原理的不同分為多種具體技術手段，諸如:激光選區熔化、激光立體成形、FDM沉積成形、三維印刷等，可加工材料涵蓋了多種非金屬及金屬材料，采用各種增材制造工藝手段所成形的產品已應用于裝備制造、民用醫療、建筑設計等多個領域，特別是激光選區熔化技術所成形的金屬工件，已經在航空航天領域上得到廣泛應用。在絕大部分增材制造的加工技術中，多數待加工工件因存在懸空結構，無法直接成形，需要添加一定量的支撐作為工件的成形基礎，支撐已成為絕大部分增材制造技術中不可或缺的一項技術要素。

傳統支撐結構一般為實體網格狀，這一類型支撐在加工過程中，需要從成形基材面整體大面積向上生長，才能保證支撐底部的牢固性，由于與工件的連接區域過大，導致該類支撐后期難以去除干凈，影響工件表面質量，另外實體網格狀支撐因體積龐大，會導致材料大幅度的浪費和整個加工時間的延長，特別是在激光選區熔化技術加工過程中，材料和加工時間的增加會導致產品的成本會急劇上升。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種樹枝狀3D打印支撐結構，解決了現有支撐結構體積大、使用成本較高、與工件的連接區域較大、且影響工件表面質量的問題。

本發明一種樹枝狀3D打印支撐結構所采用的技術方案是，包括柱狀的支撐主干，沿支撐主干圓周均勻分布有若干個柱狀的一級分支，沿每個一級分支的圓周均勻分布有若干個柱狀的二級分支；支撐主干與每個一級分支的連接處均設置有主結點，每個一級分支與二級分支的連接處均設置有次級結點；支撐主干、一級分支和二級分支的橫截面均為圓形，且其橫截面內徑比為4:3:2。

本發明的特征還在于，

一級分支與支撐主干的數量比為3-10:1，二級分支與一級分支的數量比為2-6:1。

一級分支與支撐主干的夾角均為45°，二級分支與支撐主干軸向的夾角均為45°。

主結點到支撐主干底部的軸向距離與主結點到支撐主干頂部的軸向距離比為2:0.7-1.5；次級結點到主結點的距離與主結點到支撐主干底部的軸向距離比為1:1.5-3。

支撐主干、一級分支和二級分支的端部還分別設置有與其相匹配的半球狀的圓角結構，且其圓角結構的內徑比例為4:3:2。

本發明的有益效果是：本發明一種樹枝狀3D打印支撐結構通過利用激光選區熔化技術直接成形，與基材及工件作為區域性的連接，與工件連結部位采用點接觸，工件加工成形后，采用手工或機械方式均易于去除并且對零件表面質量影響小，可最大限度的節約材料，控制生產成本，支撐結構體積小，有很好的使用價值。

附圖說明

圖1是本發明一種樹枝狀3D打印支撐結構的結構示意圖；

圖2是本發明一種樹枝狀3D打印支撐結構的另一種結構示意圖；

圖3是本發明在實施例1中的使用狀態圖；

圖4是本發明在實施例2中的使用狀態圖。

圖中，1.支撐主干，2.一級分支，3.二級分支，4.主結點，5.次級結點，6.圓角結構。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。

本發明一種樹枝狀3D打印支撐結構，如圖1所示，包括柱狀的支撐主干1，沿支撐主干1圓周均勻分布有若干個柱狀的一級分支2，沿每個一級分支2的圓周均勻分布有若干個柱狀的二級分支3；支撐主干1與每個一級分支2的連接處均設置有主結點4，每個一級分支2與二級分支3的連接處均設置有次級結點5；為了便于后期使用工具將工件與本發明分離，支撐主干1、一級分支2和二級分支3的橫截面均為圓形，且其橫截面內徑比為4:3:2。

一級分支2與支撐主干1的數量比為3-10:1，二級分支3與一級分支2的數量比為2-6:1。

一級分支2與支撐主干1的夾角均為45°，二級分支3與支撐主干1軸向的夾角均為45°，該角度可保證加工過程中一級分支2和二級分支3均能直接成形。

主結點4到支撐主干1底部的軸向距離與主結點4到支撐主干1頂部的軸向距離比為2:0.7-1.5；次級結點5到主結點4的距離與主結點4到支撐主干1底部的軸向距離比為1:1.5-3。

如圖2所示，支撐主干1、一級分支2和二級分支3的端部還分別設置有與其相匹配的半球狀的圓角結構6，且其圓角結構6的內徑比例為4:3:2。若工件表面相對基材為平面，為了加強支撐效果，增大支撐連接面，采用如圖1所示的支撐結構；其余工況下，添加的圓角結構6可使在去除本發明時工具更易于切入支撐結構與工件連接的區域。

實施例1

以圖3所示的連接工件為例，說明本發明對平面懸空特征類工件的使用過程。

步驟1，將采用激光選區熔化加工方式加工的工件三維模型通過商業建模軟件導出STL格式文件，再將STL格式文件導入商用前處理軟件中。

步驟2，設計樹枝狀支撐結構

根據工件設計樹枝狀支撐的樹枝數量及尺寸，確定支撐主干1數量為1，取一級分枝2與支撐主干1數量比為9:1，故一級分枝2數量為9，二級分枝3與一級分枝2數量比為5:1，故二級分枝3數量為45，支撐主干1直徑2mm，按照比例，一級分枝2直徑1.5mm，二級分枝3直徑1mm，三者截面尺寸之比為4:3:2。

因被支撐面相對基材是平面，平面類懸空在3D打印成形過程中屬于難成形特征，為加強支撐效果，采用不添加圓角結構6的支撐結構，保證支撐樹枝結構與工件有最大的連接面。因工件懸空面距支撐主干1底部的基材距離為15mm，則主結點4距支撐主干1底部軸向距離與主結點4距支撐主干1頂部軸向距離之比取2:1，故主結點4距支撐主干1的底部軸向距離為10mm；次級結點5距主結點4的距離設計為5mm。

步驟3、支撐件和工件的一體成形

將設計好的樹枝狀支撐結構導出STL格式文件，再導入至商用前處理軟件中，樹枝狀支撐數據添加至商用前處理軟件的模型庫中。確定工件擺放位置后，選擇工件支撐添加方案，再利用商業模型剖分軟件進行剖分，形成切片文件，導入激光成形設備前處理軟件中，待激光選區熔化成形設備準備就緒，將支撐結構與工件一次成形。

實施例2

以圖4所示的托架工件為例，說明本發明對傾斜面懸空特征類工件的使用過程。

步驟1，將采用激光選區熔化加工方式加工的工件三維模型通過商業建模軟件導出STL格式文件，再將STL格式文件導入商用前處理軟件中。

步驟2，設計樹枝狀支撐結構

根據工件設計樹枝狀支撐的樹枝數量及尺寸，確定支撐主干1數量為1，取一級分枝2與支撐主干1量比為6:1，故一級分枝2數量為6，二級分枝3與一級分枝2數量比為3:1，故二級分枝3數量為18，支撐主干1直徑2mm，按照比例，一級分枝2直徑1.5mm，二級分枝3直徑1mm，三者截面尺寸之比為4:3:2。

因工件懸空面相對基材為斜面，為便于后期斜面上支撐的整體去除，支撐主干1、一級分枝2、二級分枝3與所支撐結構的接合處均采用圓角結構6連接，圓角結構尺寸為：支撐主干1為0.5mm，一級分枝2為0.4mm，二級分枝3為0.3mm；因工件懸空面為斜面，與支撐主干1底部距離為變化值，故各分支添加位置的不同，結合支撐主干1總長度按照比例確定好主結點4、次級結點5的位置。

步驟3、支撐件和工件的一體成形

將設計好的樹枝狀支撐結構導出STL格式文件，再導入至商用前處理軟件中，樹枝狀支撐數據添加至商用前處理軟件的模型庫中。確定工件擺放位置后，選擇工件支撐添加方案，再利用商業模型剖分軟件進行剖分，形成切片文件，導入激光成形設備前處理軟件中，待激光選區熔化成形設備準備就緒，將支撐結構與工件一次成形。

實施例3

以連接工件為例，說明本發明對平面懸空特征類工件的使用過程。

步驟1，將采用激光選區熔化加工方式加工的工件三維模型通過商業建模軟件導出STL格式文件，再將STL格式文件導入商用前處理軟件中。

步驟2，設計樹枝狀支撐結構

根據工件設計樹枝狀支撐的樹枝數量及尺寸，確定支撐主干1數量為1，取一級分枝2與支撐主干1數量比為10:1，故一級分枝2數量為10，二級分枝3與一級分枝2數量比為2:1，故二級分枝3數量為20，支撐主干1直徑2mm，按照比例，一級分枝2直徑1.5mm，二級分枝3直徑1mm，三者截面尺寸之比為4:3:2。

因被支撐面相對基材是平面，平面類懸空在3D打印成形過程中屬于難成形特征，為加強支撐效果，采用不添加圓角結構6的支撐結構，保證支撐樹枝結構與工件有最大的連接面。因工件懸空面距支撐主干1底部的基材距離為15mm，則主結點4距支撐主干1底部軸向距離與主結點4距支撐主干1頂部軸向距離之比取2:1，故主結點4距支撐主干1的底部軸向距離為10mm；次級結點5距主結點4的距離設計為5mm。

步驟3、支撐件和工件的一體成形

將設計好的樹枝狀支撐結構導出STL格式文件，再導入至商用前處理軟件中，樹枝狀支撐數據添加至商用前處理軟件的模型庫中。確定工件擺放位置后，選擇工件支撐添加方案，再利用商業模型剖分軟件進行剖分，形成切片文件，導入激光成形設備前處理軟件中，待激光選區熔化成形設備準備就緒，將支撐結構與工件一次成形。

實施例4

以托架工件為例，說明本發明對傾斜面懸空特征類工件的使用過程。

步驟1，將采用激光選區熔化加工方式加工的工件三維模型通過商業建模軟件導出STL格式文件，再將STL格式文件導入商用前處理軟件中。

步驟2，設計樹枝狀支撐結構

根據工件設計樹枝狀支撐的樹枝數量及尺寸，確定支撐主干1數量為1，取一級分枝2與支撐主干1量比為3:1，故一級分枝2數量為3，二級分枝3與一級分枝2數量比為6:1，故二級分枝3數量為18，支撐主干1直徑2mm，按照比例，一級分枝2直徑1.5mm，二級分枝3直徑1mm，三者截面尺寸之比為4:3:2。

因工件懸空面相對基材為斜面，為便于后期斜面上支撐的整體去除，支撐主干1、一級分枝2、二級分枝3與所支撐結構的接合處均采用圓角結構6連接，圓角結構尺寸為：支撐主干1為0.5mm，一級分枝2為0.4mm，二級分枝3為0.3mm；因工件懸空面為斜面，與支撐主干1底部距離為變化值，故各分支添加位置的不同，結合支撐主干1總長度按照比例確定好主結點4、次級結點5的位置。

步驟3、支撐件和工件的一體成形

將設計好的樹枝狀支撐結構導出STL格式文件，再導入至商用前處理軟件中，樹枝狀支撐數據添加至商用前處理軟件的模型庫中。確定工件擺放位置后，選擇工件支撐添加方案，再利用商業模型剖分軟件進行剖分，形成切片文件，導入激光成形設備前處理軟件中，待激光選區熔化成形設備準備就緒，將支撐結構與工件一次成形。

本發明通過利用激光選區熔化技術直接成形，與基材及工件作為區域性的連接，與工件連結部位采用點接觸，工件加工成形后，采用手工或機械方式均易于去除并且對零件表面質量影響小，可最大限度的節約材料，控制生產成本，支撐結構體積小，有很好的使用價值。