專利名稱：快速原型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于制造技術(shù)領(lǐng)域的零件原型加工成形工藝方法，具體涉及一種快速原型方法。
在制造業(yè)中，隨著經(jīng)濟(jì)的全球化，市場競爭日趨激烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代加快，產(chǎn)品越來越向多品種、小批量、高精度、高性能、低成本的方向發(fā)展。制造業(yè)為了保持產(chǎn)品的市場競爭力，要求設(shè)計(jì)者盡量縮短新產(chǎn)品的開發(fā)和制造周期，以實(shí)現(xiàn)對市場變化、新技術(shù)開發(fā)的快速反應(yīng)能力，達(dá)到加速產(chǎn)品開發(fā)的目的。為此，將設(shè)計(jì)者所建造的產(chǎn)品幾何模型盡快轉(zhuǎn)化成實(shí)物模型，以盡早分析、判斷設(shè)計(jì)的合理性，已成為一種迫切的需要。
基于此，于八十年代末，一種快速制造零件原型的新技術(shù)——快速原型制造技術(shù)(Rapid Prototyping Manufacturing)首先在美國出現(xiàn)了。其要點(diǎn)是采用受控“生長成形的”方法，使計(jì)算機(jī)中設(shè)計(jì)的零件實(shí)體造型直接轉(zhuǎn)換成零件的實(shí)物模型，而無需專門的模具、夾具及其他專門的加工裝備。所得到的零件實(shí)物模型可用于觀察所設(shè)計(jì)零件的外觀、檢驗(yàn)其可加工性和可裝配性，還可付諸有關(guān)的力學(xué)試驗(yàn)。這些實(shí)物模型也可通過精密鑄造等方法轉(zhuǎn)換成真實(shí)的金屬零件。快速原型技術(shù)對于加速新產(chǎn)品的研制開發(fā)過程具有重要意義。目前仍然是各國在制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。
快速原型工藝方法種類繁多，按照成形的特點(diǎn)，大體上可以分為兩類第一類，“聚點(diǎn)成形”方法，它是以材料在受控狀態(tài)下的點(diǎn)滴堆積而成形，包括立體光刻成形(Stereo-Lithograph Apparatus,SLA)、選擇性激光燒結(jié)成形(SelectiveLaser Sintering,SLS)和熔化沉積成形(Fused-Deposition Modeling,FDM)等等工藝；第二類，“疊層成形”方法，其代表是分層實(shí)體造型法(Laminated ObjectManufacturing,LOM)?，F(xiàn)以立體光刻成型技術(shù)為例，介紹現(xiàn)有的快速成型技術(shù)的基本原理。其要點(diǎn)是，首先根據(jù)產(chǎn)品的三維CAD模型，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理變成面化的(由大量微小三角形平面組成的)模型，然后通過計(jì)算機(jī)“切片”將面化模型切成一系列橫截面，數(shù)控的激光束按照每一層片的輪廓線和內(nèi)部路徑進(jìn)行平面掃描，使盛于容器內(nèi)的液態(tài)光敏樹脂逐層固化。固化過程從工作平臺上的第一層液體開始，該層固化后，工作平臺沿z方向下降一段距離，新的一層液態(tài)樹脂覆蓋在已固化層上面，進(jìn)行第二層固化，此過程重復(fù)至最后一層固化完畢，便生成三維實(shí)體的塑膠件。這種掃描有兩個(gè)特點(diǎn)，第一，它總是在介質(zhì)的表面作用，并不深入材料內(nèi)部；第二，它必須掃到零件實(shí)體中的每一點(diǎn)，即進(jìn)行體掃描。
現(xiàn)有的快速原型制造技術(shù)有以下局限性(1)加工周期還較長。一個(gè)較為復(fù)雜且較大尺寸的零件，往往需要幾天甚至一個(gè)星期。究其原因，在加工過程中，激光束必須進(jìn)行體掃描，而激光束在焦點(diǎn)處的斑點(diǎn)直徑只有0.1mm左右，掃描斑點(diǎn)密集，掃描路徑長，使得加工周期長，耗費(fèi)的能量大。(2)加工精度不是很高。層片的翹曲，特別是大尺寸零件的掃描變形，固化過程中材料的收縮以及分層實(shí)體造型(LOM)中箔材(如紙張)的吸潮變形等原因使得零件原型的精度受到很大影響。(3)設(shè)備較為復(fù)雜。各種快速原型技術(shù)的設(shè)備無一例外的需要升降臺，因而必須采用專門設(shè)計(jì)的設(shè)備，設(shè)備投資大。
本發(fā)明的目的在于提供一種新穎的快速原型方法。本發(fā)明改“體掃描”為“面掃描”，因而可在一定程度上克服現(xiàn)有快速原型方法的某些局限性和不足，更好地滿足現(xiàn)代制造業(yè)的需求。
為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的方法包括以下步驟①采用三維CAD軟件構(gòu)造所需零件的三維實(shí)體造型；②采用數(shù)控加工編程方法，生成加工零件表面的數(shù)控加工程序；③將坯料安裝于數(shù)控設(shè)備上，將激光束先行擴(kuò)束，然后聚焦于坯料內(nèi)部；④啟動所述模型的數(shù)控加工程序，所述數(shù)控設(shè)備帶動所述坯料運(yùn)動，使激光焦點(diǎn)在零件的輪廓表面進(jìn)行掃描和切割，掃描過程從離工作平臺最近的橫截面的輪廓線開始，逐層掃描以使零件實(shí)體與多余部分材料分離，最后形成一個(gè)三維實(shí)體的原型；作為輔助的加工步驟，還需要將外表的余量材料剖開，以取出工件；將內(nèi)腔的材料切碎，以便取出。
采用本發(fā)明進(jìn)行零件加工成形時(shí)，制作坯料的材料需要滿足以下要求①對于該波長的激光具有透明性當(dāng)未聚焦部分的光線通過材料時(shí)，由于能量密度低，材料對于激光的吸收率也低，穿過的光線對于材料的性質(zhì)無影響，激光本身的衰減也比較小。②在焦點(diǎn)處的吸收特性在焦點(diǎn)處由于能量密度高，材料對于激光的吸收率上升，引起材料發(fā)熱、變性，透明度下降，吸收率上升，發(fā)熱增加，以致被燒融。材料對激光的透射性和吸收性是一對矛盾，對激光透射性過好的材料可以穿入材料很深距離，但由于吸收性很差，因而不能引起材料的破壞，達(dá)不到加工的目的；對激光吸收性過好的材料，當(dāng)激光照射到這種材料時(shí)，其表面基本上已吸收了大部分激光能量，從而不能使激光進(jìn)入到材料的內(nèi)部，同樣也不適用于內(nèi)割加工。③熔融以后的碳化或氣化所采用的有機(jī)材料在熔融以后應(yīng)發(fā)生碳化或氣化，使該處的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度大為下降或生成孔隙。發(fā)明者經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有機(jī)玻璃、聚碳酸脂和環(huán)氧樹脂均可適用于制作本發(fā)明使用的坯料。
實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明的裝置包括①脈沖激光器采用Nd-YAG(摻釹釔鋁石榴石)激光器，其所發(fā)出的激光波長為1.06μm，功率需10～50W。對激光先行擴(kuò)束，然后聚焦。
②三維數(shù)控設(shè)備和CAD接口部分該部分主要由三軸聯(lián)動數(shù)控設(shè)備和“切片”計(jì)算機(jī)及CAD接口軟件和控制軟件組成?！扒衅庇?jì)算機(jī)可為586個(gè)人用計(jì)算機(jī)，帶有網(wǎng)絡(luò)接口卡，它主要對CAD模型進(jìn)行面化處理使之變成適合于內(nèi)割加工的文件格式(零件橫截面輪廓格式)；三軸聯(lián)動數(shù)控設(shè)備主要用于使加工件在x-y平面內(nèi)沿零件橫截面輪廓線運(yùn)動，在z方向使加工件上下運(yùn)動；CAD接口軟件包括對CAD模型的網(wǎng)絡(luò)通訊，接受從CAD來的PHIGST的壓縮二進(jìn)制曲面表示，設(shè)定過程參數(shù)等，控制軟件主要控制數(shù)控設(shè)備的運(yùn)動。從而實(shí)現(xiàn)激光焦點(diǎn)在材料中沿零件外表面進(jìn)行掃描，實(shí)行內(nèi)部切割。
采用本發(fā)明進(jìn)行零件加工成形，具有高效率、低成本和較高精度成形的特點(diǎn)。具體論述如下①可加工出形狀十分復(fù)雜的樣件與現(xiàn)有的表面激光切割加工方法相比，本發(fā)明方法可以一次成形，加工出形狀十分復(fù)雜的樣件，甚至可以加工出層層嵌套的多層封閉殼體。②可以降低成形能耗，減小環(huán)境污染本發(fā)明方法只是將坯料上的余量作為一個(gè)整體，可以切割分離，與普通的金屬切削加工方法不同，它并不將余量部分的材料切成切屑，而是將能量集中消于成形新的表面。③可以提高成形速度與“聚點(diǎn)成形”一類的快速原型方法相比較，本發(fā)明方法只需進(jìn)行“面掃描”，而無需進(jìn)行零件實(shí)體掃描，因此，它的生產(chǎn)效率較高。④可以提高所制造零件模型的精度及其穩(wěn)定性與“層疊成形”類的快速原型方法相比較，本發(fā)明方法生產(chǎn)的零件模型是由整快的原始坯料制成，其性能均勻、穩(wěn)定、精度保持性高。⑤可以在普通數(shù)控機(jī)床上加工實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所需設(shè)備即可以是研制的專用設(shè)備，也可以在一般機(jī)床上配備激光系統(tǒng)進(jìn)行“無刀具切削加工”；可以采用常規(guī)切削加工的數(shù)控程序來驅(qū)動機(jī)床(只需要一次進(jìn)刀)；也可以借用現(xiàn)有快速原型方法中典型的“面化”與“切片”程序，生成零件薄片，使激光焦點(diǎn)只要沿切片的邊界掃描，而不必“填充”薄片的內(nèi)部。因?yàn)楸景l(fā)明與現(xiàn)有的快速原型方法不同，它并不需要升降臺等輔助機(jī)構(gòu)與設(shè)備。并且由于無宏觀力的作用，與切削加工相比，更有利于提高加工精度。⑥成本低廉所采用的激光器和工件材料均為普及品，系統(tǒng)建造和運(yùn)行的費(fèi)用比較低。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。


圖1為本發(fā)明的零件加工系統(tǒng)示意圖；圖2為采用本發(fā)明加工封閉形狀零件的加工示意圖；圖3為采用本發(fā)明在車床上加工回轉(zhuǎn)體模型的示意圖；圖4為實(shí)施例的加工結(jié)果示意圖；圖5為實(shí)施例中的垂直于高度方向的橫截面切片示意圖；圖6為實(shí)施例中的行切法走刀路線示意圖。
在圖1所示的零件加工系統(tǒng)示意圖中，激光器1為脈沖激光器，采用Nd-YAG(摻釹釔鋁石榴石)激光器，其所發(fā)出的激光波長為1.06μm，功率為10～50W。激光器1所發(fā)出的光束經(jīng)過擴(kuò)束系統(tǒng)2擴(kuò)束后再經(jīng)過聚焦鏡3進(jìn)行聚焦，聚焦后的光束照射在位于工作平臺11上的坯料12中，數(shù)控加工系統(tǒng)8和x方向5,y方向6,z方向7的驅(qū)動裝置組成數(shù)控設(shè)備4，調(diào)整數(shù)控設(shè)備4，使光束進(jìn)入坯料12，并使聚焦后的焦點(diǎn)9位于所需加工成形實(shí)體的表面10上。
圖2為對封閉形狀零件進(jìn)行加工的示意圖，先用三維CAD軟件設(shè)計(jì)該零件的并轉(zhuǎn)化成面化模型，然后通過計(jì)算機(jī)切片將面化模型切成一系列橫截面切片14，將激光束13的焦點(diǎn)9置于離工作平臺最近的面化模型的橫截面的輪廓線上，啟動所述模型的加工程序，逐層掃描每個(gè)橫截面的輪廓線，使零件與多余部分分離，從而得到一個(gè)完整的封閉形狀零件的三維實(shí)體原型。
如圖3所示，將激光器1、擴(kuò)束系統(tǒng)2和聚焦鏡3安裝在數(shù)控車床刀架15上，數(shù)控車床刀架15可在數(shù)控系統(tǒng)的控制下根據(jù)所需加工成形的零件的橫截面的輪廓線的形狀在xy平面上移動。坯料12裝夾于數(shù)控車床主軸16上，隨數(shù)控車床主軸16旋轉(zhuǎn)，從而加工出一個(gè)完整的回轉(zhuǎn)體原型。
權(quán)利要求
1.一種快速原型方法，其步驟包括①采用三維CAD軟件構(gòu)造所需零件的三維實(shí)體造型；②采用數(shù)控加工編程方法，生成加工零件表面的數(shù)控加工程序；③將坯料安裝于數(shù)控設(shè)備上，將激光束先行擴(kuò)束，然后聚焦于坯料內(nèi)部④啟動所述模型的數(shù)控加工程序，所述數(shù)控設(shè)備帶動所述坯料運(yùn)動，使激光焦點(diǎn)在零件的輪廓表面進(jìn)行掃描和切割，掃描過程從離工作平臺最近的橫截面的輪廓線開始，逐層掃描以使零件實(shí)體與多余部分材料分離，最后形成一個(gè)三維實(shí)體的原型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速原型方法，其特征在于在完成上述步驟后，作為輔助的加工步驟，還需要將外表的余量材料剖開，以取出工件；將內(nèi)腔的材料切碎，以便取出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的快速原型方法，其特征在于所述的坯料料料由有機(jī)玻璃材料作成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的快速原型方法，其特征在于所述的坯料由聚碳酸脂材料作成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的快速原型方法，其特征在于所述的坯料由環(huán)氧樹脂材料作成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種快速原型方法。采用三維CAD軟件構(gòu)造所需加工零件的三維實(shí)體造型;將激光束經(jīng)擴(kuò)束然后聚焦于透明材料內(nèi)部,啟動數(shù)控加工程序,數(shù)控設(shè)備帶動坯料運(yùn)動,使激光束焦點(diǎn)在零件實(shí)體的輪廓表面進(jìn)行掃描與切割,從而使得零件實(shí)體與多余部分材料分離,形成三維實(shí)體原型。有機(jī)玻璃、聚碳酸酯和環(huán)氧樹脂均可適用于制作本發(fā)明使用的坯料。
文檔編號B23Q35/48GK1306898SQ0011437
公開日2001年8月8日 申請日期2000年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月1日
發(fā)明者師漢民 申請人:華中理工大學(xué)