一種獲取結構設計參數的模型的制作方法

本發明屬于材料的性能檢測、三維產品的制造和設計領域，具體涉及一種獲取結構設計參數的模型。

背景技術：

3D打印技術是快速成型技術的一種，它是一種以三維模型為基礎，運用金屬粉末或者塑料等可粘合材料，通過逐層掃描，層層堆垛的方式來構造出立體三維零件的技術。該技術結合了CAD/CAM、光學、數控及材料科學等各類學科，應用領域非常廣泛，在珠寶、醫療、鞋類、工業設計、建筑、航空航天、汽車、教育等都有應用前景。

就理論上而言，3D打印技術可以制造任意復雜結構的工件，但是受到加工工藝、工件材料、幾何特征和技術原理等的約束，在制作一些懸垂結構和傾斜結構時，懸垂長度過大或傾斜角度過大可能不能夠進行直接的打印，必須要添加支撐。如果結構內部過于復雜，添加的支撐將無法進行有效的去除，造成打印的失敗。所以在模型的設計上需要針對SLM技術的一些工藝特點制定出相應約束性的設計原則和方法。如在激光選區熔化(SLM)技術和激光選區燒結(SLS)技術中，打印的最小薄壁件不能超過單束激光的光斑直徑等。對于懸垂結構在不同合金材料下，能懸空且不加支撐的最大長度沒有相應的理論設計依據，更多的是憑經驗去設定。

當前，3D打印技術的所有工藝制作懸垂結構可懸空打印的最大長度的評判方法均是根據設備廠家根據自身的加工經驗制定，不論何種材料，往往都是一個簡單的經驗值，如EOS公司的設備打印金屬材料時，不論哪種材料，最大傾斜角度不大于30°，懸空打印尺寸為2mm等，但真正打印的時候，往往這個值是不準確的。

根據設備廠家經驗得出的最大傾懸空尺寸值并非針對單一材料，但不同的材料，能打印的最大懸空尺寸值往往是不一樣的，因為每種材料的打印層厚度可能不一致，液態下的表面張力也有所不同，下層粉床對熔池或者液體樹脂等材料對固化樹脂的承受能力也有所不同。

現有3D打印技術制作有懸垂結構的工件時，在懸空長度超過多少尺寸需要添加支撐沒有標準的評判方法，無法在打印開始之前評判工件打印的可行性，盲目添加的支撐難以去除且會造成成形表面非常粗糙，影響工件的表面質量。現有的評判方法往往是依據不同設備廠家打印的經驗來制定，但針對不同的材料，其3D打印的成形性能各有差異，最大可打印懸空長度也有所不同。

技術實現要素：

針對以上問題，本發明提供了一種輔助獲取3D打印制作無支撐懸垂結構件設計參數的標準模型，用于獲取結構設計參數，比如最大傾斜角、最大懸空長度等參數。

本發明的技術方案為：一種用于獲取結構設計參數的模型，所述模型用于3D打印時，需要打印具有不同懸空長度的打印層。

進一步地，所述模型包含一直徑大于臨界塌陷半徑的拱形結構。

進一步地，所述模型為一系列具有不同半徑的同心拱形結構，所述拱形結構至少包含一個直徑大于臨界塌陷半徑的拱形結構。

優選地，所述拱形結構的厚度不大于20個打印層厚。

進一步地，所述模型為具有不同懸空長度的倒梯形結構。

該模型主要由懸空長度不同的打印層組成，3D打印時，3D打印機根據該模型的組成打印出具有不同懸空長度的打印層，利用該不同懸空長度的打印層組成的結構，可以計算獲得相關材料的最大懸空長度、最大傾斜角等。

隨著懸空長度的增大，懸空長度增大到一定程度后，懸垂結構無法承受自重而下陷產生變形。本發明利用3D打印技術的成形特性和拱形結構、倒梯形結構的形狀特征，隨著打印高度的增加，懸空長度也會相應增加，拱形結構打印到一定高度后將由于懸空尺寸的增加而造成塌陷變形，可以利用塌陷變形，分析、計算獲得相應的結構設計參數，如最大懸空長度和最大傾斜角等。

上述的獲取結構設計參數的模型在獲取結構設計參數中的應用。

進一步地，所述的結構設計參數是指最大懸空長度或最大傾斜角。

其中，最大傾斜角是指傾斜面與垂直方向的最大夾角，當傾斜角大于該夾角，則需要添加支撐。

本發明的用于獲取結構涉及參數的模型結構簡單，實用性強，精確度高，適用性廣，可以方便地獲得不同材料在3D打印時的最大傾斜角、最大懸空長度等參數。

附圖說明

圖1是本發明的3D打印制造拱形結構示意圖。

圖2是本發明的拱形結構模型的結構示意圖。

圖3是本發明的倒梯形結構模型的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進行進一步說明。

圖2是本發明的拱形結構模型的結構示意圖，該拱形結構模型由一系列具有不同半徑的同心拱形結構組成。

其中，拱形結構至少包含一個直徑大于臨界塌陷半徑的拱形結構；拱形結構的厚度不大于20個打印層厚。

圖3是本發明的倒梯形結構模型的結構示意圖。該倒梯形結構模型為具有不同懸空長度的倒梯形結構。

利用該拱形結構和倒梯形結構模型，可以獲取懸空長度，其獲取方法包含如下步驟：

(1)打印前，制作具有不同懸空長度的模型，輸入3D打印機；

(2)然后，逐層制造具有不同懸空長度的結構；

(3)觀測到發生塌陷的位置；

(4)獲取懸空長度。

當步驟(1)中具有不同懸空長度的結構為拱形結構時，可以僅打印一個或多個半徑大于臨界塌陷半徑的拱形結構，也可以打印一系列不同半徑的拱形結構，其中，包括了半徑大于臨界塌陷半徑的拱形結構，所述的多個不同半徑的拱形結構為同心結構。其中，臨界塌陷半徑是指打印拱形結構時，不發生塌陷的最大半徑。

獲取懸空長度的方法包括計算法、直接獲取法，它們的具體過程如下：

1、計算法

(1)首先，逐層打印一個半徑大于臨界塌陷半徑的拱形結構，直至懸垂結構塌陷；

(2)觀測塌陷的位置，獲取塌陷位置與圓心的連線與水平方向的夾角α，通過該夾角α以及層厚t與懸空長度L的幾何關系，計算出懸空長度L。

其中，步驟(1)中觀測是指目測或設備檢測。

懸空長度L的計算公式如下：

L＝t×tanα。

也可以通過夾角α的變形與層厚t和懸空長度L₀的關系，計算懸空長度L₀，其中，夾角α的變形為90°-α或者180°-α。

2、直接獲取法：

(1)逐層打印具有不同懸空長度的結構；

(2)通過設備檢測或者觀察的方法，獲取發生塌陷的打印層(第N層)的懸空長度，獲取的方法主要包括兩種，分別為通過打印程序中的參數計算得到和直接測量獲知。獲知第N層的懸空長度L₁，以及未發生塌陷的第N-1層的懸空長度L₂(即N-1層的懸空長度)，進一步的，根據實際設計需要，也可能選擇N-2、N-3、N-4等層的懸空長度。

通過直接獲取法獲得的懸空長度L，根據其與最大傾斜角α、打印層厚t的關系，結合三角函數關系計算最大傾斜角α，其中，可選的計算方式α為傾斜面與垂直方向的最大夾角。

最大可懸空長度可以定為L₁，優選的可以定為L₂。根據設計需要，有時需要留有一定的設計余量，懸空長度為L₁-△L或者L₂±△L，△L的長度可以根據材料的穩定性以及實際設計需要確定，比如△L是懸空長度的m倍，m優選為0～1中的任意數值，進一步優選為0.01～0.99，或者是0.01～0.5，亦或者是0.01～0.2。

利用本發明的模型還可以用來獲取臨界塌陷半徑R₀，其具體方法包括如下步驟：

(1)首先，設計出一系列不同尺寸梯度且同一圓心的拱形結構(多個圓弧)，如圖2所示；

(2)然后對其進行打印制造，通過設備檢測或者觀察的方法，確定塌陷位置，塌陷點與拱形結構的連線的距離，即為臨界塌陷半徑。

下面以鈦合金材料的激光選區熔化(SLM)打印為例來說明本實施方式的拱形結構模型的應用，并評判其懸垂結構的最大可加工懸空結構長度。已知每層鈦合金加工工藝設定鋪粉厚度為40μm，其具體操作步驟如下：

(1)首先，設計出一系列不同尺寸梯度的拱形結構，然后利用鈦合金粉末材料對上述系列拱形結構進行SLM打印制造；

(2)打印完成后，測試各種尺寸拱形結構的塌陷程度，得到臨界塌陷角85℃；

(3)通過計算可知，熔池在粉末中的最大自重承受長度約為：

L₀＝0.04mm×tan(85°)＝0.46mm。

所以，可推出能不加支撐直接打印而不發生變形的最大懸垂尺寸為0.46mm，該參數可以用來指導鈦合金材料的SLM打印。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非是對本發明作其他形式的限制，任何熟悉本領域的技術人員可能利用上述揭示的技術內容加以變更或改型為等同變化的等效實施例應用于其他領域，但是凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍然屬于本發明技術方案的保護范圍。