CN100999123A - 分段注射/雕刻复合快速成形工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分段注射/雕刻复合快速成形工艺，是一种把材料堆积、材料去除和材料注射成型集成的复合成型方法。其工艺原理如下：按照三轴雕刻加工的刀具轨迹规划，把三维零件实体分解为若干可直接通过雕刻加工的实体段和需要通过先加工“负型”型腔，再注射零件材料复制成型的实体段。对于可直接加工的实体段，通过雕刻加工完成，对于不可直接加工的实体段，首先在支撑材料上加工出“负型”型腔，再向“负型”型腔注射零件材料，通过型腔复制获得实体段的几何模型。如此交替，完成整个零件的成型。零件材料采用可机加工蜡，支撑材料采用水溶性蜡。利用水或弱酸性溶液，在零件成形后去除水溶性蜡支撑，去除过程简单，无污染。本工艺方法既具有快速成形工艺的优势，既可以制作任意复杂零件，又具有机械加工和注射成型所具有的高精度和表面质量。

Description

分段注射/雕刻复合快速成形工艺

技术领域

本发明涉及快速成形技术领域。

背景技术

随着20世纪70年代以来世界市场的根本变化，产品的生命周期缩短，品种增加，批量减少，顾客对产品的交货期、价格和质量的要求越来越高。企业竞争的主要推动力是产品的开发并推向市场的时间。市场的占有率在很大程度上属于产品首先上市的企业。在此形势下，传统大批量生产方式和制造技术已不可能适应这种要求，于是出现了快速成形这一先进的成形概念和技术。

快速成形技术(RP)是综合利用CAD技术、数控技术、材料科学、机械工程、电子技术、激光技术和检测技术，实现从零件的CAD模型到三维实体原型制造一体化的系统技术。快速成形技术的成形机理和工艺控制与传统成形(如去除成形和受迫成形)方式有很大差别，它无需一般意义上的模具或刀具，而是利用光、热、电等物理手段使材料通过粘结、熔结或化学反应等方式堆积成型。自上世纪80年代至今，在世界范围内出现了立体印刷(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、叠层实体制造(LOM)、三维打印(3DP)、熔融沉积成形(FDM)等十几种典型的快速成形工艺，其成形原理基本相同：首先由CAD软件设计出零件的三维实体模型，即数字模型或电子模型；然后沿着材料堆积叠加的高度方向，根据工艺要求，按照一定层厚将CAD实体模型离散成一系列有序单元(习惯称为分层)，然后直接驱动成形装备，材料逐层自由堆积成形。

尽管RP与传统加工相比有很多优点，如柔性好，速度快，成形过程与工件复杂程度无关等。但另一方面，目前RP也存在以下不足：1)成形精度低：目前RP工艺多为通过扫描机构的精确位移实现材料的准确定位，即净成形，但净成形面临诸多难题，最为突出的是材料收缩变形问题，难以得到很好的解决。2)表面质量差：一般RP工艺分层多为平面分层，这种分层方法算法简单实用。但从数学的角度，平面分层是一种近似逼近的方法，存在原理性误差，通常称为“台阶”效应，影响了工件的表面质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种分段注射/雕刻复合快速成形工艺，通过此快速成形工艺可获得成形精度高、表面质量高的零件或原型。

本发明的技术方案是这样的：分段注射/雕刻复合快速成形工艺，通过下列方案实现：按照“是否产生刀具干涉”的分段原则，将零件CAD模型分为若干实体段，利用切削加工方法，直接成形可以通过三轴铣削直接加工的面包络的实体段；然后利用先在支撑材料上切削加工出“负型”型腔、再注射零件材料、最后去除支撑材料的方法，间接成形无法直接加工的面包络的实体段，从而得到完整的实体零件。

上述零件材料为切削蜡。

上述支撑材料为水溶蜡。

上述支撑材料采用水或弱酸性溶液去除。

上述“是否产生刀具干涉”的分段原则是针对3轴数控机床中刀具Z轴运动而言。

上述“是否产生刀具干涉”的分段原则还包括零件材料与支撑材料特性因素、刀具形状与尺寸因素、数控机床加工能力因素和加工现场环境因素。

采用上述方案后，本发明分段注射/雕刻复合快速成形工艺相对于现有技术，具有如下特点：

(1)较形状沉积制造(Shape Deposition Manufacturing)等工艺而言，材料堆积方式由自由沉积改为加压注射，零件材料和支撑材料可以在一个比较大的温度范围内的半熔融态下完成挤出堆积过程，降低了零件材料与支撑材料温度匹配的难度，提高了材料选择的灵活性。另外，还可以有效提高材料的致密性，抑制材料在冷却固化过程中的收缩变形，成形精度高。

(2)零件按可加工区域分段，分段数量取决于零件的几何特征，从而实现真正意义的变层厚加工成形，最大限度地消除了“台阶”效应、提高零件的表面质量。尤其对于一些无需做多次分段的零件，其优势更加明显。

(3)零件分段策略由以平行平面分割拓展为以空间曲线或曲面对工件CAD模型进行三维分割，从而获得真正的三维“段”或“块”，成形效率、加工柔性和段间的粘接效果进一步得到提高，工件的强度也进一步得到提高。

(4)分段注射/雕刻复合快速成形工艺同样是一种材料添加制造过程，使得成形多相材料件、装配件、镶嵌件较传统去除成形更加容易。

(5)利用切削蜡充当零件材料，水溶蜡充当支撑材料，两种热塑性材料实现注射成型和循环利用。利用水或弱酸性溶液，在零件成形后去除水溶蜡支撑，去除过程简单，无污染。

(6)成形装备实现切削加工和注射成型两种不同工艺在同一控制系统下的集成制造，能够在3轴数控机床上加工任意复杂形状的零件，包括中空件。

附图说明

图1是本发明的基本工艺流程图。

图2是本发明具体实施例的整体工艺流程图。

图3是本发明具体实施例的材料成形工艺流程图。

具体实施方法

本发明的工艺中分别采用了切削加工和注射成型，所以必须选择满足要求的成形材料。分段成形要求由每一段的模型数据直接驱动装备进行加工，所以必须研制和开发相应的数据处理软件和集成制造装备。

成形材料包括零件材料与支撑材料，具有以下特性：

1)化学特性：二者不发生化学反应，不互相抑制固化或阻聚；

2)物理特性：二者不产生互溶或共混；

3)加工与成型特性：两种材料既有良好的注射性能，又有良好的切削性能；

4)温度匹配特性：两种材料的注射温度(或一种材料的熔点与另一种材料固化时的放热温度)相同或接近；

5)结合特性：两段同种材料结合面具有较高的结合力，两段不同材料结合面具有适当的结合力；

7)后处理特性：在零件材料成形后，支撑材料可由水溶等方法方便的去除。

本发明工艺中采用两种热塑性材料分别充当零件材料与支撑材料，其中切削蜡作为零件材料，水溶蜡作为支撑材料。切削蜡和水溶蜡的有关技术参数如下表：

表1零件材料--切削蜡的有关技术参数

熔点(℃)(GB/T8026-87)	83
		硬度(100g，5s，25℃，GB/T4985-85)	2
比重(20℃，GB/T533-91)	0.96
		线性收缩	1％
颜色	绿色

表2支撑材料--水溶蜡的有关技术参数

软化点(℃)(GB/T8026-87)	53-68
		硬度(100g，5s，25℃，GB/T4985-85)	2-5
形状	板状
		线性收缩	0.2％-0.4％

颜色	浅黄色
		注：材料特点：凝固快，不易裂，模样强度高，表面光洁度好。

本发明的数据处理软件包括以下功能模块：CAD模型特征分段、工艺参数计算、工艺过程模拟，工艺装备控制。

1)CAD模型特征分段模块：针对目前在快速成形领域中被广泛应用的STL模型，根据“是否产生刀具干涉”的原则，采用平面截分、两段分割及局部极值轮廓分割等方法将STL模型分为若干个可加工的实体段；

2)工艺参数计算模块：根据每一实体段模型包含的CAD/CAM数据(包括形状、轮廓、体积、材料、支撑等)，计算各种工艺参数(包括注射、切削和辅助参数)：

3)工艺过程模拟模块：包括零件切削过程模拟和材料注射过程模拟，并优化工艺参数；

4)工艺装备控制模块：根据优化后的工艺参数，控制装备硬件各种加工动作，提供与工艺装备控制系统硬件交互的软件接口。

本发明的分段注射/雕刻快速成形工艺，其具体实施方法可以分别从信息与材料的角度进行描述。

如图2所示，从信息传递角度，该工艺的数据转换过程为：

1)利用现有CAD软件或反求系统得到零件三维实体模型，并以STL格式存储；

2)根据“是否产生刀具干涉”的分段原则，对零件STL模型进行分段，建立每一实体段的实体模型；

3)利用实体模型中包含的CAD/CAM信息(包括形状、轮廓、体积、材料、支撑等)，计算各种工艺参数(包括注射、切削和辅助参数)；

4)利用控制系统软硬件，以计算出的工艺参数为依据，生成各种加工指令，完成制造过程。

如图1所示，本发明的基本工艺过程为：

1)建立CAD实体模型；

2)将CAD实体模型进行分段；

3)根据各段的结构顺序依次注射零件材料或支撑材料；

4)根据需要进行切削加工零件材料或支撑材料；

5)去除工装夹具与支撑材料，得到实体零件。

如图2、图3所示，本发明以球体置于方形板上的零件结构为例，从材料成形角度，该工艺的具体过程为：

1)将实体模型分成三段，第一段为方形板、第二段为下半球、第三段为上半球；

2)在工装夹具内通过注射装置注射第一段支撑材料；

3)在第一段支撑材料上加工第一段的用于复制由“有干涉表面”包络的实体段“负型”型腔，即方形板所对应的型腔；

4)注射第一段零件材料；

5)切削加工第一段由“无干涉表面”包络的实体段，即方形板；

6)注射第二段支撑材料；

7)在第二段支撑材料上切削加工第二段实体的“负型”型腔，即下半球所对应的型腔；

8)注射第二段和第三段零件材料，冷却固化后，通过“负型”型腔复制出由“有干涉表面”包络的实体段(下半球)，同时堆积了第三段零件材料；

9)切削加工第三段“无干涉表面”的实体段，即上半球；

10)从工装夹具中取出零件与第二段支撑材料的剩余部分；

11)去除第二段支撑材料的剩余部分，进行必要的修整，得到最终零件。

Claims (6)

1、分段注射/雕刻复合快速成形工艺，其特征在于：通过下列方案实现：按照“是否产生刀具干涉”的分段原则，将零件CAD模型分为若干实体段，利用切削加工方法，直接成形可以通过三轴铣削直接加工的面包络的实体段；然后利用先在支撑材料上切削加工出“负型”型腔、再注射零件材料、最后去除支撑材料的方法，间接成形无法直接加工的面包络的实体段，从而得到完整的实体零件。

2、根据权利要求1所述的分段注射/雕刻复合快速成形工艺，其特征在于：上述零件材料为切削蜡。

3、根据权利要求1所述的分段注射/雕刻复合快速成形工艺，其特征在于：上述支撑材料为水溶蜡。

4、根据权利要求3所述的分段注射/雕刻复合快速成形工艺，其特征在于：上述支撑材料采用水或弱酸性溶液去除。

5、根据权利要求1所述的分段注射/雕刻复合快速成形工艺，其特征在于：上述“是否产生刀具干涉”的分段原则是针对3轴数控机床中刀具Z轴运动而言。

6、根据权利要求1所述的分段注射/雕刻复合快速成形工艺，其特征在于：上述“是否产生刀具干涉”的分段原则还包括零件材料与支撑材料特性因素、刀具形状与尺寸因素、数控机床加工能力因素和加工现场环境因素。

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