[发明专利]应用金属增材制造的三周期极小曲面支撑结构及其制作方法

说明书

本发明的应用金属增材制造的三周期极小曲面支撑结构及其制作方法，通过三周期极小曲面结构的支撑结构只需要使用较少的金属粉量及打印质量就可获得相对较高强度和较好的抗冲击性能，相较于传统的面片型支撑结构，三周期极小曲面结构可用更少的支撑体积就能达到相同的强度。同时，由于三期极小曲面结构是完全开放的曲面结构，打印过程中粉末不会被封闭起来而导致难以回收，从而提高粉末利用率，节省粉末。

技术领域

本发明涉及激光粉末床金属增材制造技术，特别是涉及一种应用金属增材制造的三周期极小曲面支撑结构及其制作方法。

背景技术

激光粉末床金属增材制造技术(金属3D打印)是以高能激光作为热源，通过熔化粉材，实现金属打印构件逐层堆积成形。其采用离散堆积原理并融合计算机辅助设计、材料加工与成形等技术，能够制造具有高度复杂形状的金属零件，在航空航天领域有着广阔的应用前景。在激光粉末床金属增材制造中，构建合适的打印零件的支撑结构尤为重要。一方面是支撑结构可加强零件与打印基板连接的稳定性，其中最典型的应用是使用支撑结构来支撑悬垂几何结构；另一方面是支撑结构在3D打印过程中作为打印零件将热量快速传导至基板的辅助路径，防止热量集中导致的零件翘曲，减少零件构建过程中的失败几率。金属增材制造中使用的支撑结构往往无法后期回收，不仅耗费材料，也需要额外的打印时间，因此支撑的设计应尽可能的轻巧，同时确保一定的支撑强度。

在支撑结构方面，实体型和面片型支撑结构较为常见，其按形状又可划分为直杆型、线状型和格栅型。实体型支撑固定作用强，不易去除；面片型支撑固定作用较弱，但较容易去除。目前主流的设计师采用外包围实体支撑及基于投影区域生成支撑。但是针对薄壁零件或是脆性材料，为了克服变形，需要对面片型支撑结构进行加密，以抵消成形件翘曲拉断的趋势，抗衡消除凝固过程中的拉应力，这种支撑设计导致了支撑结构趋向于闭合，打印过程中，不仅打印支撑花费的粉末增多，而且粉末会被封闭在闭合的空间内，导致那部分的粉末不易回收。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种应用金属增材制造的三周期极小曲面支撑结构及其制作方法，用于解决现有技术中支撑效果较弱，且闭合结构导致打印支撑花费的粉末增多以及不易回收等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种应用金属增材制造的三周期极小曲面支撑结构，包括：由一或多个元胞结构构成的具有三周期极小曲面多孔结构胞元曲面结构的三周期极小曲面多孔结构胞元阵列，填充于基板与待支撑零件之间；其中，所述三周期极小曲面多孔结构胞元曲面结构由隐函数数学表达式以及设置参数获得。

于本发明的一实施例中，所述隐函数数学表达式的类型包括：Gyroid、Schwarz、Splitp、Lidinoid、I-WP、Scherk's、Skeletal以及Neovius中的一种或多种数学表达式。

于本发明的一实施例中，所述设置参数包括：元胞结构大小、元胞结构厚度、偏离t长度、轴向元胞大小、高度方向元胞大小、轴向方向对称数量、轴向高度以及在空间体积内以不同体积密度阵列方式以实现变周期变密度的功能中的一种或多种。

于本发明的一实施例中，所述三周期极小曲面多孔结构胞元阵列包括：上表面，连接所述待支撑零件；下表面，连接所述基板。

于本发明的一实施例中，所述上表面对应所述支撑零件的边缘高翘曲区域的元胞密度大于上表面其他区域的元胞密度。

于本发明的一实施例中，所述三周期极小曲面多孔结构胞元阵列为全开放结构。