[发明专利]一种获取结构设计参数的方法

说明书

技术领域

本发明属于材料的性能检测、三维产品的制造和设计领域，具体涉及一种获取3D打印过程中悬空长度、最大倾斜角度等结构设计参数的方法。

背景技术

逐层制造技术应用广泛，其中3D打印技术是快速成型技术的一种，它是一种以三维模型为基础，运用金属粉末或者塑料等可粘合材料，通过逐层扫描，层层堆垛的方式来构造出立体三维零件的技术。该技术结合了CAD/CAM、光学、数控及材料科学等各类学科，应用领域非常广泛，在珠宝、医疗、鞋类、工业设计、建筑、航空航天、汽车、教育等都有应用前景。

就理论上而言，3D打印技术可以制造任意复杂结构的工件，但是受到加工工艺、工件材料、几何特征和技术原理等的约束，在制作一些悬垂结构和倾斜结构时，悬垂长度过大或倾斜角度过大可能不能够进行直接的打印，必须要添加支撑。如果结构内部过于复杂，添加的支撑将无法进行有效的去除，造成打印的失败。所以在模型的设计上需要针对SLM技术的一些工艺特点制定出相应约束性的设计原则和方法。如在激光选区熔化(SLM)技术和激光选区烧结(SLS)技术中，打印的最小薄壁件不能超过单束激光的光斑直径等。对于悬垂结构在不同合金材料下，能悬空且不加支撑的最大长度没有相应的理论设计依据，更多的是凭经验去设定。

当前，3D打印技术的所有工艺制作悬垂结构可悬空打印的最大长度的评判方法均是根据设备厂家根据自身的加工经验制定，不论何种材料，往往都是一个简单的经验值，如EOS公司的设备打印金属材料时，不论哪种材料，最大倾斜角度不大于30°，悬空打印尺寸为2mm等，但真正打印的时候，往往这个值是不准确的。

根据设备厂家经验得出的最大倾悬空尺寸值并非针对单一材料，但不同的材料，能打印的最大悬空尺寸值往往是不一样的，因为每种材料的打印层厚度可能不一致，液态下的表面张力也有所不同，下层粉床对熔池或者液体树脂等材料对固化树脂的承受能力也有所不同。

现有3D打印技术制作有悬垂结构的工件时，在悬空长度超过多少尺寸需要添加支撑没有标准的评判方法，无法在打印开始之前评判工件打印的可行性，盲目添加的支撑难以去除且会造成成形表面非常粗糙，影响工件的表面质量。现有的评判方法往往是依据不同设备厂家打印的经验来制定，但针对不同的材料，其3D打印的成形性能各有差异，最大可打印悬空长度也存在出入。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以获取不同材料打印悬垂结构时可悬空打印最大长度的方法，为特定的打印材料提供准确的设计参数依据。

本发明的技术方案为：一种获取结构设计参数的方法，包括如下步骤：

(1)首先，逐层制造具有不同悬空长度的结构，直至所述结构发生塌陷；

(2)然后，观测发生塌陷的位置，获取悬空长度。

获取的悬空长度优选是发生塌陷层(假设为第n层)的悬空长度，也可以是未发生塌陷的n-1层的悬空长度。如果考虑到设计的稳定性，也可以选择其他未发生塌陷层(n-m层，其中m小于n)的悬空长度。

进一步地，所述具有不同悬空长度的结构为拱形结构或倒梯形结构。

当所述的具有不同悬空长度的结构为拱形结构时，可以仅打印一个或多个半径大于临界塌陷半径的拱形结构，也可以打印一系列不同半径的拱形结构。其中，包括了半径大于临界塌陷半径的拱形结构，所述的多个不同半径的拱形结构为同心结构。

所述的临界塌陷半径是指打印拱形结构时，不发生塌陷的最大半径。

获取悬空长度的方法可以是计算法或者直接获取法：

1、计算法

(1)逐层打印一个半径大于临界塌陷半径的拱形结构，

(2)观测到塌陷的位置，

获取塌陷位置与圆心的连线与水平方向的夹角α，通过所述夹角α、层厚t和悬空长度L的几何关系，计算出悬空长度L。

其中，步骤(1)中所述的逐层制造是指3D打印，或者利用逐层制造的原理进行制造的方法，优选为SLM、SLA、SLS、FDM中的一种。

进一步地，所述的观测是指目测或设备检测。

进一步地，可以通过夹角α的变形(如90°-α或者180°-α等)与层厚t和悬空长度L的关系，计算悬空长度L。

进一步地，所述悬空长度L通过如下公式进行计算：

L＝t×tanα。

2、直接获取法：

(1)逐层打印具有不同悬空长度的结构；