本發(fā)明屬于增材制造設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種樹枝狀3D打印支撐結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

增材制造(俗稱3D打印)是一種新型的材料加工技術(shù)，其加工柔性大，可實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速成形，增材制造技術(shù)按照工藝手段及設(shè)備原理的不同分為多種具體技術(shù)手段，諸如:激光選區(qū)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(chǎn)品已應(yīng)用于裝備制造、民用醫(yī)療、建筑設(shè)計等多個領(lǐng)域，特別是激光選區(qū)熔化技術(shù)所成形的金屬工件，已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域上得到廣泛應(yīng)用。在絕大部分增材制造的加工技術(shù)中，多數(shù)待加工工件因存在懸空結(jié)構(gòu)，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(chǔ)，支撐已成為絕大部分增材制造技術(shù)中不可或缺的一項技術(shù)要素。

傳統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)一般為實體網(wǎng)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(qū)域過大，導(dǎo)致該類支撐后期難以去除干凈，影響工件表面質(zhì)量，另外實體網(wǎng)格狀支撐因體積龐大，會導(dǎo)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(qū)熔化技術(shù)加工過程中，材料和加工時間的增加會導(dǎo)致產(chǎn)品的成本會急劇上升。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種樹枝狀3D打印支撐結(jié)構(gòu)，解決了現(xiàn)有支撐結(jié)構(gòu)體積大、使用成本較高、與工件的連接區(qū)域較大、且影響工件表面質(zhì)量的問題。

本發(fā)明一種樹枝狀3D打印支撐結(jié)構(gòu)所采用的技術(shù)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(shè)置有主結(jié)點，每個一級分支與二級分支的連接處均設(shè)置有次級結(jié)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(nèi)徑比為4:3:2。

本發(fā)明的特征還在于，

一級分支與支撐主干的數(shù)量比為3-10:1，二級分支與一級分支的數(shù)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(jié)點到支撐主干底部的軸向距離與主結(jié)點到支撐主干頂部的軸向距離比為2:0.7-1.5；次級結(jié)點到主結(jié)點的距離與主結(jié)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(shè)置有與其相匹配的半球狀的圓角結(jié)構(gòu)，且其圓角結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑比例為4:3:2。

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

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種樹枝狀3D打印支撐結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一種樹枝狀3D打印支撐結(jié)構(gòu)的另一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明在實施例1中的使用狀態(tài)圖；

圖4是本發(fā)明在實施例2中的使用狀態(tài)圖。

圖中，1.支撐主干，2.一級分支，3.二級分支，4.主結(jié)點，5.次級結(jié)點，6.圓角結(jié)構(gòu)。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明一種樹枝狀3D打印支撐結(jié)構(gòu)，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(shè)置有主結(jié)點4，每個一級分支2與二級分支3的連接處均設(shè)置有次級結(jié)點5；為了便于后期使用工具將工件與本發(fā)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(nèi)徑比為4:3:2。

一級分支2與支撐主干1的數(shù)量比為3-10:1，二級分支3與一級分支2的數(shù)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(jié)點4到支撐主干1底部的軸向距離與主結(jié)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(jié)點5到主結(jié)點4的距離與主結(jié)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(shè)置有與其相匹配的半球狀的圓角結(jié)構(gòu)6，且其圓角結(jié)構(gòu)6的內(nèi)徑比例為4:3:2。若工件表面相對基材為平面，為了加強(qiáng)支撐效果，增大支撐連接面，采用如圖1所示的支撐結(jié)構(gòu)；其余工況下，添加的圓角結(jié)構(gòu)6可使在去除本發(fā)明時工具更易于切入支撐結(jié)構(gòu)與工件連接的區(qū)域。

實施例1

以圖3所示的連接工件為例，說明本發(fā)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(qū)熔化加工方式加工的工件三維模型通過商業(yè)建模軟件導(dǎo)出STL格式文件，再將STL格式文件導(dǎo)入商用前處理軟件中。

步驟2，設(shè)計樹枝狀支撐結(jié)構(gòu)

根據(jù)工件設(shè)計樹枝狀支撐的樹枝數(shù)量及尺寸，確定支撐主干1數(shù)量為1，取一級分枝2與支撐主干1數(shù)量比為9:1，故一級分枝2數(shù)量為9，二級分枝3與一級分枝2數(shù)量比為5:1，故二級分枝3數(shù)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(qiáng)支撐效果，采用不添加圓角結(jié)構(gòu)6的支撐結(jié)構(gòu)，保證支撐樹枝結(jié)構(gòu)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(jié)點4距支撐主干1底部軸向距離與主結(jié)點4距支撐主干1頂部軸向距離之比取2:1，故主結(jié)點4距支撐主干1的底部軸向距離為10mm；次級結(jié)點5距主結(jié)點4的距離設(shè)計為5mm。

步驟3、支撐件和工件的一體成形

將設(shè)計好的樹枝狀支撐結(jié)構(gòu)導(dǎo)出STL格式文件，再導(dǎo)入至商用前處理軟件中，樹枝狀支撐數(shù)據(jù)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(yè)模型剖分軟件進(jìn)行剖分，形成切片文件，導(dǎo)入激光成形設(shè)備前處理軟件中，待激光選區(qū)熔化成形設(shè)備準(zhǔn)備就緒，將支撐結(jié)構(gòu)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(fā)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(qū)熔化加工方式加工的工件三維模型通過商業(yè)建模軟件導(dǎo)出STL格式文件，再將STL格式文件導(dǎo)入商用前處理軟件中。

步驟2，設(shè)計樹枝狀支撐結(jié)構(gòu)

根據(jù)工件設(shè)計樹枝狀支撐的樹枝數(shù)量及尺寸，確定支撐主干1數(shù)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(shù)量為6，二級分枝3與一級分枝2數(shù)量比為3:1，故二級分枝3數(shù)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(jié)構(gòu)的接合處均采用圓角結(jié)構(gòu)6連接，圓角結(jié)構(gòu)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(jié)合支撐主干1總長度按照比例確定好主結(jié)點4、次級結(jié)點5的位置。

步驟3、支撐件和工件的一體成形

將設(shè)計好的樹枝狀支撐結(jié)構(gòu)導(dǎo)出STL格式文件，再導(dǎo)入至商用前處理軟件中，樹枝狀支撐數(shù)據(jù)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(yè)模型剖分軟件進(jìn)行剖分，形成切片文件，導(dǎo)入激光成形設(shè)備前處理軟件中，待激光選區(qū)熔化成形設(shè)備準(zhǔn)備就緒，將支撐結(jié)構(gòu)與工件一次成形。

實施例3

以連接工件為例，說明本發(fā)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(qū)熔化加工方式加工的工件三維模型通過商業(yè)建模軟件導(dǎo)出STL格式文件，再將STL格式文件導(dǎo)入商用前處理軟件中。

步驟2，設(shè)計樹枝狀支撐結(jié)構(gòu)

根據(jù)工件設(shè)計樹枝狀支撐的樹枝數(shù)量及尺寸，確定支撐主干1數(shù)量為1，取一級分枝2與支撐主干1數(shù)量比為10:1，故一級分枝2數(shù)量為10，二級分枝3與一級分枝2數(shù)量比為2:1，故二級分枝3數(shù)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(qiáng)支撐效果，采用不添加圓角結(jié)構(gòu)6的支撐結(jié)構(gòu)，保證支撐樹枝結(jié)構(gòu)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(jié)點4距支撐主干1底部軸向距離與主結(jié)點4距支撐主干1頂部軸向距離之比取2:1，故主結(jié)點4距支撐主干1的底部軸向距離為10mm；次級結(jié)點5距主結(jié)點4的距離設(shè)計為5mm。

步驟3、支撐件和工件的一體成形

將設(shè)計好的樹枝狀支撐結(jié)構(gòu)導(dǎo)出STL格式文件，再導(dǎo)入至商用前處理軟件中，樹枝狀支撐數(shù)據(jù)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(yè)模型剖分軟件進(jìn)行剖分，形成切片文件，導(dǎo)入激光成形設(shè)備前處理軟件中，待激光選區(qū)熔化成形設(shè)備準(zhǔn)備就緒，將支撐結(jié)構(gòu)與工件一次成形。

實施例4

以托架工件為例，說明本發(fā)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(qū)熔化加工方式加工的工件三維模型通過商業(yè)建模軟件導(dǎo)出STL格式文件，再將STL格式文件導(dǎo)入商用前處理軟件中。

步驟2，設(shè)計樹枝狀支撐結(jié)構(gòu)

根據(jù)工件設(shè)計樹枝狀支撐的樹枝數(shù)量及尺寸，確定支撐主干1數(shù)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(shù)量為3，二級分枝3與一級分枝2數(shù)量比為6:1，故二級分枝3數(shù)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(jié)構(gòu)的接合處均采用圓角結(jié)構(gòu)6連接，圓角結(jié)構(gòu)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(jié)合支撐主干1總長度按照比例確定好主結(jié)點4、次級結(jié)點5的位置。

步驟3、支撐件和工件的一體成形

將設(shè)計好的樹枝狀支撐結(jié)構(gòu)導(dǎo)出STL格式文件，再導(dǎo)入至商用前處理軟件中，樹枝狀支撐數(shù)據(jù)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(yè)模型剖分軟件進(jìn)行剖分，形成切片文件，導(dǎo)入激光成形設(shè)備前處理軟件中，待激光選區(qū)熔化成形設(shè)備準(zhǔn)備就緒，將支撐結(jié)構(gòu)與工件一次成形。

本發(fā)明通過利用激光選區(qū)熔化技術(shù)直接成形，與基材及工件作為區(qū)域性的連接，與工件連結(jié)部位采用點接觸，工件加工成形后，采用手工或機(jī)械方式均易于去除并且對零件表面質(zhì)量影響小，可最大限度的節(jié)約材料，控制生產(chǎn)成本，支撐結(jié)構(gòu)體積小，有很好的使用價值。