本發(fā)明涉及金屬增材制造技術(shù)，具體涉及一種金屬增材制造技術(shù)的支撐結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：
金屬增材制造一般通過(guò)將粉末狀金屬材料層層熔化連接建造形成三維工件，該技術(shù)可以制造一些傳統(tǒng)工藝難以完成的復(fù)雜形狀金屬工件。但在特殊某些結(jié)構(gòu)特別是懸垂結(jié)構(gòu)中，該工藝過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生懸垂物和發(fā)生翹曲變形，影響工件的形狀精度和尺寸精度，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致建造失敗。目前常通過(guò)設(shè)計(jì)外部支撐結(jié)構(gòu)來(lái)保證建造過(guò)程的穩(wěn)定性，并在工件建造完成后用線切割的方式將支撐結(jié)構(gòu)去除。支撐結(jié)構(gòu)的制造像工件的制造一樣，需要消耗時(shí)間、能源和原材料，因此支撐結(jié)構(gòu)也影響著制造工件的成本，比如制造一些航天用的工件時(shí)使用鈦金屬粉末這類昂貴的材料。因此合理地設(shè)計(jì)支撐數(shù)量和優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)，使其在滿足功能的情況下，提高材料利用率，提高工藝效率和降低成本具有積極意義。現(xiàn)有的金屬增材制造技術(shù)中，支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)常采用一種二維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)支撐結(jié)構(gòu)單元之間的距離（即網(wǎng)格線間的距離）和支撐結(jié)構(gòu)與工件連接處的齒形結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)整支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但通常這種網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)單元側(cè)面是封閉的，支撐結(jié)構(gòu)單元內(nèi)部的粉末在后期處理時(shí)無(wú)法有效清理出來(lái)并加以重新利用，因此造成了較大的材料浪費(fèi)。也有設(shè)計(jì)人員希望設(shè)計(jì)最少的材料來(lái)制作支撐結(jié)構(gòu)，但隨著支撐結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度增加，工件的制造效率和制造過(guò)程中支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會(huì)有所變化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
因此本發(fā)明的目的在于提供一種用于金屬增材制造的支撐結(jié)構(gòu)，通過(guò)該結(jié)構(gòu)可以方便的清理回收支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)部的金屬粉末，并且可根據(jù)需要制作不同強(qiáng)度的支撐，從而提高粉末利用率，降低制造成本。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下的技術(shù)方案。一種用于金屬增材制造的支撐結(jié)構(gòu)，由多個(gè)垂直于建造平面的空心柱狀單元構(gòu)成，其特征在于所述空心柱狀單元柱壁的所有側(cè)面內(nèi)，設(shè)有通孔。進(jìn)一步地，所述通孔具有相同的幾何形狀。進(jìn)一步地，所述通孔在空心柱狀單元柱壁側(cè)面沿建造方向呈單排周期性分布，同一側(cè)面通孔與通孔之間不連通，相鄰側(cè)面的通孔沿建造方向彼此錯(cuò)開。進(jìn)一步地，所述空心柱狀單元的底面形狀是正三角形或正方形或正六邊形，邊長(zhǎng)為0.1mm～10mm。進(jìn)一步地，所述空心柱狀單元在沿建造方向上的任一實(shí)體截面積都相等。進(jìn)一步地，所述空心柱狀單元柱壁厚為0.05mm～0.5mm。進(jìn)一步地，所述支撐結(jié)構(gòu)由多個(gè)所述空心柱狀單元緊密排列形成。本發(fā)明提供了一種用于金屬增材制造的支撐結(jié)構(gòu)制作方法，包括下述步驟：（1）將需要生成支撐的區(qū)域A0垂直投影至基板上，得到一個(gè)平面區(qū)域AS，A0和AS以及投影線形成一個(gè)曲面封閉體K，其最大高度為Hm；（2）將平面區(qū)域AS用若干個(gè)單位區(qū)域填充完整，保證AS的所有邊界均在填充單位區(qū)域內(nèi)，按照AS的填充方式，以單位區(qū)域?yàn)榈酌嫘螤?，在基板上?fù)制堆疊空心柱狀單元，單元柱壁的所有側(cè)面內(nèi)設(shè)有通孔，單元生成高度不小于Hm，堆疊單元合并形成結(jié)構(gòu)M；（3）取結(jié)構(gòu)M與結(jié)構(gòu)K的交集得到所需的支撐結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息；（4）將支撐結(jié)構(gòu)與加工工件數(shù)據(jù)信息合并，并對(duì)合并圖形分層切片，得到合并圖形單層截面的掃描圖形信息，將單層截面掃描圖形信息導(dǎo)入增材制造設(shè)備中，通過(guò)逐層制造得到工件及其支撐結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，所述單位區(qū)域可以是正三角形或者正方形或者正六邊形。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：1、常采用的封閉空心柱狀支撐結(jié)構(gòu)在金屬工件完成后，柱內(nèi)的金屬粉末難以清理回收，而后期開孔清理回收粉末，操作復(fù)雜且效率低，本發(fā)明通過(guò)設(shè)計(jì)一種壁上開通孔的空心柱狀支撐結(jié)構(gòu)，后期柱內(nèi)的金屬粉末可從通孔里倒出并加以回收利用，節(jié)省了金屬粉末材料，同時(shí)開孔的結(jié)構(gòu)也減少了粉末的用量。2、本發(fā)明所述通孔在空心柱側(cè)面的周期性變化，以及空心帶孔柱狀單元在建造平面的任一垂直方向上的實(shí)體截面積都相等，保證了應(yīng)力分布的均勻性，使應(yīng)力不在某一區(qū)域集中，避免造成某些層的斷裂從而破壞支撐結(jié)構(gòu)。3、空心柱狀支撐單元建造截面為正三角形或正方形或正六邊形，可以重復(fù)使用其中一種單元無(wú)縫隙填充支撐區(qū)域，工藝簡(jiǎn)單，操作便捷。附圖說(shuō)明圖1是建造截面為正方形的帶菱形側(cè)孔的空心柱狀單元示意圖。圖2是單個(gè)XY截面為正方形的空心柱狀單元菱形側(cè)孔的詳細(xì)排布圖。圖3是需做支撐的工件P1整體生成支撐后示意圖。圖4是實(shí)際制作的P1工件圖。圖5是單個(gè)XY截面為正六邊形的帶六邊形側(cè)孔的空心柱狀單元示意圖。圖6是單個(gè)XY截面為正六邊形的空心柱狀單元帶六邊形側(cè)孔的詳細(xì)排布圖。圖7是需做支撐的工件P2整體生成支撐后示意圖。圖8是實(shí)際制作的P2工件圖。圖9是支撐生成過(guò)程示意圖。具體實(shí)施方式下面將結(jié)合說(shuō)明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)驗(yàn)采用德國(guó)EOS公司的金屬粉末燒結(jié)設(shè)備M280。設(shè)備為Yb-fibre激光發(fā)射器，焦距為100-500μm；采用17-4PH不銹鋼球形粉末，粒徑為20μm~55μm；采用相同牌號(hào)的的不銹鋼作為基板。圖1和圖2是依據(jù)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的一種支撐結(jié)構(gòu)的單元示意圖，它在工件需生成支撐區(qū)域（常為懸空結(jié)構(gòu)），自基板生成軸向?yàn)閆軸方向（建造方向）、側(cè)面帶通孔的多個(gè)空心柱狀單元，圖1中柱狀單元截面為正方形，邊長(zhǎng)L=1mm，單元壁厚a=0.2mm。該空心柱狀單元同一側(cè)面上的單排通孔形狀為菱形，如圖2所示，其中菱形的一條對(duì)角線沿Z方向，長(zhǎng)度L1=1mm，另一條與Z方向垂直，長(zhǎng)度L2=0.5mm。在同一側(cè)面上菱形沿Z軸方向呈周期性分布，周期T滿足T=2mm，相鄰側(cè)面依次錯(cuò)開距離ΔT=0.5mm，這種形狀設(shè)計(jì)和周期性分布可以保證空心柱狀單元在XY平面（建造平面）的任一實(shí)心截面積都相等。經(jīng)計(jì)算，該空心柱狀單元每一個(gè)XY截面的面積都等于0.54mm2。圖3是采用該多個(gè)支撐單元整體生成的一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)。如圖9所示，加工過(guò)程中，將工件支撐區(qū)域、支撐區(qū)域在基板上的投影區(qū)域及投影線形成的封閉結(jié)構(gòu)，與多個(gè)緊密排列的帶孔空心柱狀單元形成的封閉結(jié)構(gòu)相交并取其交集，得到所需支撐結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息，其中所述單元高度不小于最大投影距離，且多個(gè)所述單元的底面形狀將基板上的投影區(qū)域填充滿。將支撐結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息與加工工件數(shù)據(jù)信息合并，并對(duì)合并圖形按層厚0.02mm分層切片，得到的切片數(shù)據(jù)導(dǎo)入至設(shè)備中進(jìn)行逐層鋪粉掃描工藝，直至形成支撐結(jié)構(gòu)和金屬工件，最終成品如圖4所示。圖5和圖6是依據(jù)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的又一種支撐結(jié)構(gòu)的單元示意圖，圖5中該單元XY截面為正六邊形，邊長(zhǎng)L=0.8mm，單元壁厚a=0.15mm，如圖6所示，該空心柱狀單元同一側(cè)面上單排通孔形狀為六邊形，該六邊形可看作由一個(gè)矩形和對(duì)稱分布在其兩側(cè)的兩個(gè)等腰三角形組成，其中兩個(gè)等腰三角形的底邊長(zhǎng)L0（即矩形的一條邊長(zhǎng)L1）、等腰三角形高H都是0.6mm，矩形的另一條邊長(zhǎng)L2為1mm。在同一側(cè)面上六邊形沿Z軸方向呈周期性分布，周期T滿足T=4.8mm，相鄰側(cè)面依次錯(cuò)開距離ΔT=1.6mm，這種形狀設(shè)計(jì)和周期性分布可以保證空心柱狀單元在XY平面（構(gòu)建平面）的任一實(shí)心截面積都相等。經(jīng)計(jì)算，該空心柱狀單元每一個(gè)XY截面的面積都等于0.385mm2，圖7是采用該多個(gè)支撐單元整體生成的一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)。加工過(guò)程中，將工件支撐區(qū)域、支撐區(qū)域在基板上的投影區(qū)域及投影線形成的封閉結(jié)構(gòu)，與多個(gè)緊密排列的帶孔空心柱狀單元形成的封閉結(jié)構(gòu)相交并取其交集，得到所需支撐結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息，其中所述單元高度不小于最大投影距離，且多個(gè)所述單元的底面形狀將基板上的投影區(qū)域填充滿。將支撐結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息與加工工件數(shù)據(jù)信息合并，并對(duì)合并圖形按層厚0.02mm分層切片，得到的切片數(shù)據(jù)導(dǎo)入至設(shè)備中進(jìn)行逐層鋪粉掃描工藝，直至形成支撐結(jié)構(gòu)和金屬工件，最終成品如圖8所示。以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則下所做的任何修改、等同替換等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。