一种用于3D打印悬垂面的支撑结构和打印方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种用于3D打印悬垂面的支撑结构和打印方法。

背景技术

随着3D打印技术的不断发展，越来越多的零部件用3D打印来进行试制或量产。在零件设计过程中，不可避免的存在一些安装结构、对齐结构等需要用平面或大曲面的结构形式。在增材制造打印过程中，与竖直方向成形角度大于45°(即，与水平面夹角小于45°)的斜面存在打印质量差，甚至不能成形的问题，这种情况，一般通过增加支撑来确保零件的打印成形，成形后再将支撑结构去除，获得零件。但零件内部支撑结构难以去除(如封闭内腔结构)，大量的支撑不仅增加零件的重量而且占用了零件的内部容积。

因此，有必要设计一种能够自成形、免于去除、占用空间体积小的支撑结构，用以解决悬垂面难以成形的问题。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种用于3D打印悬垂面的支撑结构和打印方法，用以解决现有的支撑结构大量增加零件的重量和大量占用零件内部容积的问题。

一方面，本发明提供了一种用于3D打印悬垂面的支撑结构，所述支撑结构包括设置在悬垂面下面的多个棱台支撑块和设置在棱台支撑块下面的支撑架；

所述棱台支撑块的上端面大于下端面，所述棱台支撑块的上端面与所述悬垂面重合，所述棱台支撑块的下端面与所述支撑架的上端面重合，所述支撑架的下端面与相邻斜面连接；

所述相邻斜面位于所述悬垂面下方的一侧，且与所述悬垂面成夹角设置。

优选地，每个所述棱台支撑块为四棱柱。

优选地，多个所述棱台支撑块的下端面位于同一平面上。

优选地，所述棱台支撑块的侧面与水平面的夹角大于等于45°。

优选地，所述棱台支撑块的上端面和下端面为正方形，所述上端面的边长为4-8mm，所述下端面的边长为0.5-2mm。

优选地，所述支撑架包括由上至下依次设置的一级支撑架和二级支撑架；

所述一级支撑架包括四根柱子，所述四根柱子的上端面分别与四个相邻的所述棱台支撑块的下端面连接，所述四根柱子的下端面互相连接，形成所述一级支撑架的下端面；

所述二级支撑架的上端面与所述一级支撑架的下端面连接，所述二级支撑架的下端面与所述相邻斜面连接。

优选地，所述一级支撑架的每个柱子与水平面的夹角大于等于45°，所述二级支撑架与水平面的夹角大于等于45°。

优选地，所述悬垂面为平面、曲面或凸台结构。

优选地，所述相邻斜面与水平面的夹角大于等于45°。

另一方面，本发明还提供了一种悬垂面的3D打印方法，采用上述支撑结构，所述方法包括：

(a)打印相邻斜面；

(b)从所述相邻斜面的一侧打印二级支撑架；

(c)从所述二级支撑架的上端面打印一级支撑架；

(d)从所述一级支撑架的上端面打印棱台支撑块；

(e)在所述棱台支撑块的上端面打印悬垂面。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、本发明通过棱台支撑块将悬垂面的面积从棱台支撑块的大端面(上端面)的面积转换为棱台支撑块的小端面(下端面)的面积，同时支撑架的两端分别与棱台支撑块的小端面和相邻斜面连接，达到支撑以及进一步缩小支撑面的效果。该支撑结构的重量仅为现有的实体支撑结构重量的20％以内，占用零件内部体积仅为现有的实体支撑结构的20％以内，避免了大量增加零件的重量和大量占用零件内部容积的问题，该支撑结构不需要去除。

2、本发明的多个棱台支撑块的下端面位于同一水平面上，可以将各种异形面的悬垂面转化为平面，因此，本发明的支撑结构适用于何种异形悬垂面。

3、本发明的3D打印方法可以实现悬垂面的打印自成形，解决了悬垂面打印过程中难以成形的问题，以较少的材料重量添加方式实现了悬垂面的打印自成形。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明一个实施例提供的3D打印悬垂面支撑结构立体示意图；

图2为本发明一个实施例提供的3D打印悬垂面支撑结构主视图；

图3为本发明一个实施例提供的3D打印悬垂面支撑结构侧视图；

图4为本发明的棱台支撑块结构示意图；

图5为本发明另一个实施例提供的3D打印悬垂面支撑结构立体示意图。

附图标记：

1-悬垂面；2-棱台支撑块；3-一级支撑架；4-二级支撑架；5-相邻斜面；6-中间级支撑架。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

一方面，本发明提供了一种用于3D打印悬垂面的支撑结构，如图1-3所示，所述支撑结构包括设置在悬垂面1下面的多个棱台支撑块2和设置在棱台支撑块2下面的支撑架；

所述棱台支撑块2的上端面大于下端面，所述棱台支撑块2的上端面与所述悬垂面1重合，所述棱台支撑块2的下端面与所述支撑架的上端面重合，所述支撑架的下端面与相邻斜面5连接；

所述相邻斜面5位于所述悬垂面1下方的一侧，且与所述悬垂面1成夹角设置。

与现有技术相比，本发明的支撑结构通过棱台支撑块2将悬垂面的面积从棱台支撑块2的大端面(上端面)的面积转换为棱台支撑块2的小端面(下端面)的面积，同时支撑架的两端分别与棱台支撑块2的小端面和相邻斜面5连接，达到支撑以及进一步缩小支撑面的效果。该支撑结构的重量仅为现有的实体支撑结构重量的20％以内，占用零件内部体积仅为现有的实体支撑结构的20％以内，避免了大量增加零件的重量和大量占用零件内部容积的问题，该支撑结构不需要去除。

需要说明的是，在无特殊说明的情况下，本发明中的“上”、“下”指的是零件主视图中的“上”、“下”。

本发明中，所述悬垂面1是需要支撑的面或需要支撑的面的一部分，所述悬垂面1与水平面的夹角小于45°，不满足3D打印零件在无支撑情况下的自成形条件或成形后表面质量较差，悬垂面1的结构形状包括但不局限于平面、曲面、凸台结构等，其主要特点是在成形过程中不能自成形。悬垂面1的壁厚可以是大于0.5mm的任意值，悬垂面1的上表面、下表面可包含凸台、通孔、加强筋等局部特征结构。

本发明中，所述棱台支撑块2的作用是将悬垂面1的面积由棱台支撑块2的上端面的面积转换为下端面的面积，即由大面积转化为小面积，减小需要支撑的面积。

需要说明的是，所述棱台支撑块2为实心结构。

在一种实施方式中，如图1-4所示，每个所述棱台支撑块2为四棱柱。

可以理解的是，所述多个棱台支撑块2的上端面组成所述悬垂面1，即，将悬垂面1分为多个方形，该方形即为棱台支撑块2的上端面，每个方形向下延伸出一个棱台支撑块2。

在一种实施方式中，多个所述棱台支撑块2的下端面位于同一平面上。棱台支撑块2可以将各种异形面的悬垂面1转换为棱台支撑块2的下端面组成的平面，以提高支撑的稳固性。

进一步地，所述棱台支撑块2的下端面为水平面。

为了保证棱台支撑块2的自成形打印，所述棱台支撑块2的侧面与水平面的夹角大于等于45°。

本发明中，所述棱台支撑块2的上端面的面积决定每一个棱台支撑块2所能支撑的悬垂平面的面积，棱台支撑块2的下端面的面积决定与其连接的支撑架的端面的面积，进而决定支撑架的结构强度，因此，棱台支撑块2的上端面和下端面的面积大小可根据支撑结构应力水平调整。

在一种实施方式中，所述棱台支撑块2的上端面和下端面为正方形，所述上端面的边长为4-8mm，所述下端面的边长为0.5-2mm。

在一种实施方式中，所述支撑架包括由上至下依次设置的一级支撑架3和二级支撑架4；所述支撑结构包括多个一级支撑架3和多个二级支撑架4。

所述一级支撑架3包括四根柱子，所述四根柱子的上端面分别与四个相邻的所述棱台支撑块2的下端面连接，所述四根柱子的下端面互相连接，形成所述一级支撑架3的下端面；所述“相邻”是指可以围成方形的四个棱台支撑块2。

所述二级支撑架4的上端面与所述一级支撑架3的下端面连接，所述二级支撑架4的下端面与所述相邻斜面5连接。

可理解的是，从四个相邻的所述棱台支撑块2的下端面向下延伸出四根柱子，四根柱子的下端面互相连接，形成一级支撑架3。所述一级支撑架3的作用是通过一级支撑架3将四个棱台支撑块2的四个下端面支撑面转换为一级支撑架3上端的一个支撑面，进一步减少所需支撑平面的面积与支撑架结构的体积；并且，一级支撑架3用于支撑棱台支撑块2的打印成形。

在一种实施方式中，所述一级支撑架3的下端面为水平面。

在一种实施方式中，所述一级支撑架3的上端面与棱台支撑块2的下端面形状一致且完全重合。

本发明中，所述一级支撑架3的下端面用于与所述二级支撑架4的上端面连接。所述一级支撑架3的下端面的截面形状和面积可依据支撑结构强度需求进行调整。所述一级支撑架3的下端面的截面形状和面积可以与一级支撑架3的上端面不同。

示例性地，一级支撑架3的下端面的截面形状为圆形、椭圆形、长方形等，截面面积较上端面大或小。

可以理解的是，由一级支撑架3的下端面开始向相邻斜面5延伸，形成二级支撑架4。所述二级支撑架4的作用是用于支撑一级支撑架3的打印成形。

在一种实施方式中，所述二级支撑架4的上端面与所述一级支撑架3的下端面形状一致且完全重合。

本发明中，所述二级支撑架4的下端面的截面形状和面积可依据支撑结构强度需求进行调整。

示例性地，所述二级支撑架4的下端面的截面形状为圆形、椭圆形、长方形等，截面面积较上端面大或小。

为了保证一级支撑架3和二级支撑架4的自成形打印，所述一级支撑架3的每个柱子与水平面的夹角大于等于45°，所述二级支撑架4与水平面的夹角大于等于45°。

需要说明的是，当所需支撑的面积较大时，在一级支撑架3与二级支撑架4之间还可以设置与所述一级支撑架3结构类似的中间级支撑架6，用于进一步减少支撑面积。

示例性地，如图2和3所示，从四个相邻一级支撑架3的下端面向下延伸出四个中间支柱，四个中间支柱的上端面分别与四个所述相邻的一级支撑架3的下端面重合连接，四个中间支柱的下端面分别互相连接，从而将四个一级支撑架3的四个下端面面积减少为一个中间级支撑架6的下端面，中间级支撑架6的下端面与所述二级支撑架4的上端面连接。中间级支撑架6的每个支柱与水平面的夹角大于等于45°。

本发明中，中间级支撑架6可以为多个，设置方式同上所述，用于一步一步减少总体支撑面积。

在一种实施方式中，所述二级支撑架4为杆状，杆的上端面与所述一级支撑架3或中间级支撑架6的下端面连接，所述二级支撑架4的下端面与所述相邻斜面5连接。

在一种实施方式中，所述二级支撑架4为竖向放置的平板状，所述平板的顶部侧面与一个或多个所述一级支撑架3或中间级支撑架6的下端面连接，所述平板的一侧侧面与所述相邻斜面5连接。

可以理解的是，当零件所需支撑强度较高时，二级支撑架4的结构可由一个端面与相邻斜面5相连转化为二级支撑架4的整个侧面与相邻斜面5相连，即二级支撑架4为同时与悬垂面1和相邻斜面5垂直的直角三角形板，两个直角边分别与互相垂直的悬垂面1和相邻斜面5平行，其中一个直角边用于与一级支撑架3连接，另一个直角边与相邻斜面5相连，如图5所示，可以增加二级支撑架4与相邻斜面5的连接强度，防止由于应力过大造成连接位置的变形与开裂。

本发明中，所述相邻斜面5可以为零件本体的一部分，如图1所示，所述相邻斜面5位于所述悬垂面1的下面，且一个侧边与所述悬垂面1的一侧边相连。

在一种实施方式中，所述相邻斜面5与水平面的夹角大于等于45°。相邻斜面5能够直接打印成形，可用于与二级支撑架4的结构连接，起到对二级支撑架4及其以上结构的支撑作用，同样，相邻斜面5的结构

形式不拘泥于平面，也可是各种形式的曲面、异形面，满足上述自成形5条件即可。

另一方面，本发明还提供了一种悬垂面的3D打印方法，采用上述支撑结构，所述方法包括：

(a)打印相邻斜面5；

(b)从所述相邻斜面5的一侧打印二级支撑架4；

0(c)从所述二级支撑架4的上端面打印一级支撑架3；

(d)从所述一级支撑架3的上端面打印棱台支撑块2；

(e)在所述棱台支撑块2的上端面打印悬垂面1。

具体来说，在3D打印过程中，相邻斜面5最先打印成形，然后二级支撑架4从所述相邻斜面5的一侧逐渐打印成形，一级支撑架3通过二5级支撑架4的上端面支撑逐渐打印成形，一级支撑架4的每个柱子的上端面支撑棱台支撑块2打印成形，最终，在棱台支撑块2的上端面打印成形悬垂面1，完成悬垂面1的3D打印。

本发明的3D打印方法可以实现悬垂面的打印自成形，解决了悬垂面打印过程中难以成形的问题，以较少的材料重量添加方式实现了悬垂面0的打印自成形，免去除支撑结构。

下面，通过具体实施例进一步说明本发明的用于3D打印悬垂面的支撑结构和打印方法。

实施例1-1

提供了一种用于3D打印悬垂面的支撑结构，如图1所示：5所述支撑结构包括设置在悬垂面1下面的多个棱台支撑块2和设置在棱台支撑块2下面的支撑架；所述棱台支撑块2的上端面大于下端面，所述棱台支撑块2的上端面与所述悬垂面1重合，所述棱台支撑块2的下端面与所述支撑架的上端面重合，所述支撑架的下端面与相邻斜面5连接；所述相邻斜面5位于所述悬垂面1下方的一侧，且与所述悬垂面1成夹角设置。

所述棱台支撑块2为实心结构。每个所述棱台支撑块2为四棱柱。所述多个棱台支撑块2的上端面组成所述悬垂面1，即，将悬垂面1分为多个方形，该方形即为棱台支撑块2的上端面，每个方形向下延伸出一个棱台支撑块2。多个所述棱台支撑块2的下端面位于同一平面上。所述棱台支撑块2的下端面为水平面。所述棱台支撑块2的侧面与水平面的夹角等于45°，所述棱台支撑块2的上端面和下端面为正方形，所述上端面的边长为5mm，所述下端面的边长为1mm。

所述支撑架包括由上至下依次设置的一级支撑架3和二级支撑架4；所述支撑结构包括多个一级支撑架3和多个二级支撑架4。所述一级支撑架3包括四根柱子，所述四根柱子的上端面分别与四个相邻的所述棱台支撑块2的下端面连接，所述四根柱子的下端面互相连接，形成所述一级支撑架3的下端面；所述二级支撑架4的上端面与所述一级支撑架3的下端面连接，所述二级支撑架4的下端面与所述相邻斜面5连接。所述一级支撑架3的下端面为水平面。所述一级支撑架3的上端面与棱台支撑块2的下端面形状一致且完全重合。所述二级支撑架4的上端面与所述一级支撑架3的下端面形状一致且完全重合。所述一级支撑架3的每个柱子与水平面的夹角大于等于45°，所述二级支撑架4与水平面的夹角大于等于45°。

实施例1-2

提供了一种用于3D打印悬垂面的支撑结构，如图2所示：

所述支撑结构包括设置在悬垂面1下面的多个棱台支撑块2和设置在棱台支撑块2下面的支撑架；所述棱台支撑块2的上端面大于下端面，所述棱台支撑块2的上端面与所述悬垂面1重合，所述棱台支撑块2的下端面与所述支撑架的上端面重合，所述支撑架的下端面与相邻斜面5连接；所述相邻斜面5位于所述悬垂面1下方的一侧，且与所述悬垂面1成夹角设置。

所述棱台支撑块2为实心结构。每个所述棱台支撑块2为四棱柱。所述多个棱台支撑块2的上端面组成所述悬垂面1，即，将悬垂面1分为多个方形，该方形即为棱台支撑块2的上端面，每个方形向下延伸出一个棱台支撑块2。多个所述棱台支撑块2的下端面位于同一平面上。所述棱台支撑块2的下端面为水平面。所述棱台支撑块2的侧面与水平面的夹角等于45°，所述棱台支撑块2的上端面和下端面为正方形，所述上端面的边长为5mm，所述下端面的边长为1mm。

所述支撑架包括由上至下依次设置的一级支撑架3和二级支撑架4；所述支撑结构包括多个一级支撑架3和多个二级支撑架4。所述一级支撑架3包括四根柱子，所述四根柱子的上端面分别与四个相邻的所述棱台支撑块2的下端面连接，所述四根柱子的下端面互相连接，形成所述一级支撑架3的下端面；所述二级支撑架4的上端面与所述一级支撑架3的下端面连接，所述二级支撑架4的下端面与所述相邻斜面5连接。所述一级支撑架3的下端面为水平面。所述一级支撑架3的上端面与棱台支撑块2的下端面形状一致且完全重合。所述二级支撑架4的上端面与所述一级支撑架3的下端面形状一致且完全重合。所述一级支撑架3的每个柱子与水平面的夹角大于等于45°，所述二级支撑架4与水平面的夹角大于等于45°。

在一级支撑架3与二级支撑架4之间设置与所述一级支撑架3结构类似的中间级支撑架6。

实施例1-3

提供了一种用于3D打印悬垂面的支撑结构，如图5所示：

所述支撑结构包括设置在悬垂面1下面的多个棱台支撑块2和设置在棱台支撑块2下面的支撑架；所述棱台支撑块2的上端面大于下端面，所述棱台支撑块2的上端面与所述悬垂面1重合，所述棱台支撑块2的下端面与所述支撑架的上端面重合，所述支撑架的下端面与相邻斜面5连接；所述相邻斜面5位于所述悬垂面1下方的一侧，且与所述悬垂面1成夹角设置。

所述棱台支撑块2为实心结构。每个所述棱台支撑块2为四棱柱。所述多个棱台支撑块2的上端面组成所述悬垂面1，即，将悬垂面1分为多个方形，该方形即为棱台支撑块2的上端面，每个方形向下延伸出一个棱台支撑块2。多个所述棱台支撑块2的下端面位于同一平面上。所述棱台支撑块2的下端面为水平面。所述棱台支撑块2的侧面与水平面的夹角等于45°，所述棱台支撑块2的上端面和下端面为正方形，所述上端面的边长为5mm，所述下端面的边长为1mm。

所述支撑架包括由上至下依次设置的一级支撑架3和二级支撑架4；所述支撑结构包括多个一级支撑架3和多个二级支撑架4。所述一级支撑架3包括四根柱子，所述四根柱子的上端面分别与四个相邻的所述棱台支撑块2的下端面连接，所述四根柱子的下端面互相连接，形成所述一级支撑架3的下端面；所述二级支撑架4的上端面与所述一级支撑架3的下端面连接，所述二级支撑架4的下端面与所述相邻斜面5连接。所述一级支撑架3的下端面为水平面。所述一级支撑架3的上端面与棱台支撑块2的下端面形状一致且完全重合。所述二级支撑架4的上端面与所述一级支撑架3的下端面形状一致且完全重合。所述一级支撑架3的每个柱子与水平面的夹角大于等于45°，所述二级支撑架4与水平面的夹角大于等于45°。

在一级支撑架3与二级支撑架4之间设置与所述一级支撑架3结构类似的中间级支撑架6。

二级支撑架4的整个侧面与相邻斜面5相连，即二级支撑架4为同时与悬垂面1和相邻斜面5垂直的直角三角形板，两个直角边分别与互相垂直的悬垂面1和相邻斜面5平行，其中一个直角边用于与一级支撑架3连接，另一个直角边与相邻斜面5相连。

实施例2-1

本实施例提供了一种悬垂面的3D打印方法，包括以下步骤：

(a)打印相邻斜面5，相邻斜面5与水平面的夹角为90°。

(b)从所述相邻斜面5的一侧打印二级支撑架4，二级支撑架4与水平面的夹角为45°。

(c)从所述二级支撑架4的上端面打印一级支撑架3；二级支撑架4的上端面与一级支撑架3的下端面形状一致且完全重合；一级支撑架3与水平面的夹角为45°。

(d)从所述一级支撑架3的每个柱子的上端面打印棱台支撑块2；一级支撑架3的每个柱子的上端面与棱台支撑块2的下端面形状一致且完全重合；棱台支撑块2的上端面和下端面为正方形，所述上端面的边长为5mm，所述下端面的边长为1mm；所述棱台支撑块2的侧面与水平面的夹角为45°。

(e)在所述棱台支撑块2的上端面打印悬垂面1，悬垂面1的壁厚为0.6mm，悬垂面1与水平面的夹角为0°。

该支撑结构的重量仅为实体支撑的18％，占用零件内部体积为实体支撑的18％。所述实体支撑是指在悬垂面、相邻斜面之间形成的可以通过3D打印形成的完全实体三角支撑。

实施例2-2

本实施例提供了一种悬垂面的3D打印方法，包括以下步骤：

(a)打印相邻斜面5，相邻斜面5与水平面的夹角为85°。

(b)从所述相邻斜面5的一侧打印二级支撑架4，二级支撑架4与水平面的夹角为50°。

(c)从所述二级支撑架4的上端面打印中间级支撑架6，二级支撑架4的上端面与中间级支撑架6的下端面形状一致且完全重合；中间级支撑架6的每个支柱与水平面的夹角为50°。

(d)从中间级支撑架6的每个支柱的上端面打印一级支撑架3；中间级支撑架6的每个支柱的上端面与一级支撑架3的下端面形状一致且完全重合；一级支撑架3的每个柱子与水平面的夹角为50°。

(e)从所述一级支撑架3的每个柱子的上端面打印棱台支撑块2；一级支撑架3的每个柱子的上端面与棱台支撑块2的下端面形状一致且完全重合；棱台支撑块2的上端面和下端面为正方形，所述上端面的边长为5mm，所述下端面的边长为1mm；所述棱台支撑块2的侧面与水平面的夹角50°。

(f)在所述棱台支撑块2的上端面打印悬垂面1，悬垂面1的壁厚为0.6mm，悬垂面1与水平面的夹角5°。

该支撑结构的重量仅为实体支撑的16.3％，占用零件内部体积为实体支撑的16.3％。所述实体支撑是指在悬垂面、相邻斜面之间形成的可以通过3D打印形成的完全实体三角支撑。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。