CN101585233A - 冰光固化快速成型装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及快速原型制造装置，是一种冰光固化快速成型装置及其使用方法，其包括原型件成型箱、光敏树脂箱、水溶液箱、分层处理并生成数控代码装置、三轴数控装置、温度控制装置和紫光灯；在原型件成型箱的顶部固定安装有上盖。本发明因为没有采用昂贵的激光头，且光敏树脂的利用率达到了百分之百，加之用廉价的水作为支撑材料并且可以循环利用，从而大大降低了运行成本并避免了在去除余料过程中对原型造成损害；由于喷嘴中喷出的是液体材料，从而确保有较高的原型精度和表面质量；由于光敏树脂能百分之百的使用，因此经济环保；由于它是利用水做原型的支撑，去除方便、不会对原型造成损害，所以能制作复杂程度很高的零件。

Description

冰光固化快速成型装置及其使用方法

一、技术领域

本发明涉及快速原型制造装置，是一种冰光固化快速成型装置及其使用方法。

二、背景技术

快速成形技术又称快速原型制造技术，简称RP或RPM技术(RapidPrototyPing/RaPidPrototyPingManufacturing)，如附图1所示。其基本原理是基于“离散堆积”的成形方法，通过三维CAD软件(如UG、Pro/E、I-DEAS、SOLIDWORKS、CATIA等软件)进行零件的复杂三维虚拟实体的设计或通过对已有实体的测量(如使用三座标测量仪等)，经过一定的转换或修改，将三维虚拟实体表面转换为用一系列三角面片逼近的表面，生成面片文件(如STL文件等)，再按虚拟三维实体高度方向分解成具有一定厚度的层片文件(CLI文件等)，由三维轮廓转换为近似的二维轮廓，然后根据不同的快速成形工艺对文件进行处理，对层片文件进行检验或修正并且生成正确的数控加工代码，将此数控代码传送给工控机，由工控机控制快速成形设备将成形材料逐层堆积，最终成为真实的原型实体。与传统加工工艺相比，快速成形具有以下鲜明的特点：彻底摈弃了传统加工工艺中去除材料的加工方法，而采用添加材料的加工方法；不需采用传统的车、铣、钳、磨等多种机加工设备及各种夹具、刀具、模具等，加工难度、成本大大降低，制造周期大大缩短，并具有很好的可修改性.可尽早发现设计中存在的问题，并及时解决，提高企业的投资效率，降低了企业投资的风险。

快速自动成型技术问世不到十年，已具有相当大的市场，发展非常迅速。人们对材料逐层添加法这种新的制造方法已逐步适应。制造行业的工作人员都想方设法利用这种现代化手段，与传统制造技术的接轨工作也进展顺利。与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段一起，快速自动成型已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，在航空航天、汽车摩托车、家电等领域得到了广泛应用。

目前根据成形设备和使用的材料不同有30余种成形工艺，比较成熟并大量进行商品化的主要有以下几种：

SLA立体光固化(Stereo Lithography Apparatus)

该方法是目前世界上研究最深入、技术最成熟应用最广泛的一种快速成型方法。

SLA技术原理是计算机控制激光束对光敏树脂为原料的表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层(约十分之几毫米)产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。升降台下移一个层厚的距离，以便固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，进行下一层的扫描加工，如此反复，直到整个原型制造完毕。由于光聚合反应是基于光的作用而不是基于热的作用，故在工作时只需功率较低的激光源。此外，因为没有热扩散，加上链式反应能够很好地控制，能保证聚合反应不发生在激光点之外，因而加工精度高，表面质量好，原材料的利用率接近100％，能制造形状复杂、精细的零件，效率高。对于尺寸较大的零件，则可采用先分块成形然后粘接的方法进行制作，如附图2所示。

LOM分层实体制造(Laminated Object Manufacturing)

LOM工艺将单面涂有热溶胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起，位于上方的激光器按照CAD分层模型所获数据，用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓，然后新的一层纸再叠加在上面，通过热压装置和下面已切割层粘合在一起，激光束再次切割，这样反复逐层切割粘合切割，直至整个零件模型制作完成。LOM技术制作冲模，其成本约比传统方法节约1/2，生产周期大大缩短。用来制作复合模、薄料模、级进模等，经济效益也甚为显著，原理如附图3所示。

SLS选择性激光烧结(Selected Laser Sintering)

该法采用CO2激光器作能源，目前使用的造型材料多为各种粉末材料。在工作台上均匀铺上一层很薄的粉末，激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结，一层完成后再进行下一层烧结。全部烧结完后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理便获得零件。目前，成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉，用金属粉或陶瓷粉进行粘接或烧结的工艺还正在实验研究阶段。该技术具有原材料选择广泛、多余材料易于清理、应用范围广等优点，适用于原型及功能零件的制造。在成形过程中，激光工作参数以及粉末的特性和烧结气氛是影响烧结成形质量的重要参数，原理如附图4所示。

FDM熔融堆积实体制造(Fused Deposition Modeling)

FDM工艺的关键是保持半流动成型材料刚好在熔点之上(通常控制在比熔点高1℃左右).FDM喷头受CAD分层数据控制使半流动状态的熔丝材料(材料直径一般在1.5mm以上)从喷头中挤压出来，凝固形成轮廓形状的薄层。每层厚度范围在0.025至0.762mm，一层叠一层最后形成整个零件模型，FDM工艺应用流程和原理如附图5、附图6所示。

快速成型技术的特点：

1.快速性

通过STL格式文件，RPM系统几乎可以与所有的CAD造型系统无缝连接，从CAD模型到完成原型制作通常只需几小时到几十小时，可实现产品开发的快速闭环反馈。

2.高度柔性

快速成型系统是真正的数字化制造系统，它取消了工装夹具，系统不作任何改变和调整即可完成不同类型的零件的加工制作，特别适合新品开发或单件小批量生产。

3.与复杂程度无关性

零件制造周期和制造成本与零件的形状和复杂度无关，而只与其净体积有关。

4.高度集成化

快速成型应用重复的三维扫描成型复杂的三维零件，避免了数控加工的复杂编程步骤，并从根本上克服了CAD/CAM集成时，CAPP(computer aided process planning，

计算机辅助工艺过程设计)这一瓶颈问题，从而实现高度自动化和程序化。

5.材料的广泛性

快速成形技术可以制造树脂类、塑料类原型，还可以制造出纸类、石蜡类、复合材料以及金属材料和陶瓷材料的原型。

6.加工特点

快速成型技术突破了“毛坯/切削加工/成品”的传统的零件加工模式，开创了不用刀具制作零件的先河，是一种前所未有的薄层迭加的加工方法。与传统的切削加工方法相比，快速原型加工具有以下优点：(1)可迅速制造出自由曲面和更为复杂形态的零件，如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，零件的复杂程度和生产批量与制造成本基本无关，大大降低了新产品的开发成本和开发周期；(2)属于非接触加工，不需要机床切削加工所必需的刀具和夹具，无刀具磨损和切削力的影响；(3)无振动，噪声和切削废料；(4)可实现完全自动化生产；(5)加工效率高，能快速制作出产品实体模型及模具。

存在的问题：

以上快速成型技术不同程度地存在着成型精度与成型成本的矛盾，这也在一定程度上阻碍了快速成型技术的发展。

三、发明内容

本发明提供了一种冰光固化快速成型装置及其使用方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有快速成型技术成型精度与成型成本存在矛盾的问题。

本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：一种冰光固化快速成型装置，包括原型件成型箱、光敏树脂箱、水溶液箱、分层处理并生成数控代码装置、三轴数控装置、温度控制装置和紫光灯；在原型件成型箱的顶部固定安装有上盖，在原型件成型箱的外侧分别有光敏树脂箱和水溶液箱；在原型件成型箱内安装有能上下移动的升降台，在原型件成型箱内的上部安装有不少于两个的紫光灯，在原型件成型箱内的上部安装有三轴数控装置，分层处理并生成数控代码装置通过数据线与三轴数控装置连接在一起，在三轴数控装置上固定安装有能随三轴数控装置运动的成型喷头和支撑嘴喷头，光敏树脂箱与原型件成型箱之间固定安装有第一导流管，第一导流管的一端位于光敏树脂箱内，第一导流管的另一端穿过上盖并位于成型喷头内，在第一导流管上安装有光敏树脂泵，在水溶液箱与原型件成型箱之间固定安装有第二导流管，第二导流管的一端位于水溶液箱内，第二导流管的另一端穿过上盖并位于支撑嘴喷头内，在第二导流管上安装有水溶液泵，温度控制装置的温度控制端分别与原型件成型箱、光敏树脂箱和水溶液箱连接在一起。

下面是对技术方案之一的进一步优化或/和改进：

上述升降台可包括侧板和水平板，侧板与水平板固定在一起，侧板安装在原型件成型箱的内壁上并能上下移动，在水平板上表面的四周有凹槽，在凹槽上有不少于一个的泄水孔。

上述温度控制装置可采用低温恒温箱。

本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：一种冰光固化快速成型装置的使用方法：首先通过温度控制装置分别将原型件成型箱的温度控制在-12℃至-8℃，将光敏树脂箱内的光敏树脂溶液的温度控制在高于光敏树脂溶液的凝固点0℃至2℃，将水溶液箱内的水溶液的温度控制在0℃至6℃，水溶液从支撑嘴喷头进入到原型件成型箱内并在瞬间凝固成冰丝落入到升降台上，通过控制支撑嘴喷头使冰丝形成3至5层的叠层，3至5层的叠层形成原型件基底层，然后将紫外灯的强度控制在波长范围为400nm至200nm，每光子能量在3.10eV至6.20eV，使成型喷头喷出的光敏树脂流能瞬间固化并使固化后的光敏树脂流为线形，光敏树脂流落入到基底层上后根据分层处理并生成数控代码装置输出的切片信息控制三轴数控装置带动成型喷头完成一层的成型件制作，成型件外侧的片层再用支撑嘴喷头喷出的冰丝将其填满，这样就完成了一整层的制作，接着将升降台下移一个层厚的距离，再制作下一层，如此反复直到整个原型制造完毕。

下面是对技术方案之二的进一步优化或/和改进：

上述水溶液里有增稠剂。

上述增稠剂可采用658增稠剂。

上述相邻上下叠层在水平面上可呈相互垂直分布。

本发明因为没有采用昂贵的激光头，且光敏树脂的利用率达到了百分之百，加之用廉价的水作为支撑材料并且可以循环利用，从而大大降低了运行成本并避免了在去除余料过程中对原型造成损害；由于喷嘴中喷出的是液体材料，从而确保有较高的原型精度和表面质量；由于光敏树脂能百分之百的使用，因此经济环保；由于它是利用水做原型的支撑，去除方便、不会对原型造成损害，所以能制作复杂程度很高的零件。

四、附图说明

附图1为快速成型的技术体系的示意图。

附图2为立体光固化(SLA)成型工艺原理图。

附图3为Helisys公司LOM系统装置原理图。

附图4为选择性激光烧结原理图。

附图5为FDM成型技术应用流程图。

附图6为FDM熔融沉积制造原理图。

附图7为实施例1和实施例2的原理图。

附图8为实施例2中基底层制作的原理图。

附图9为实施例1和实施例2中升降台的水平板的俯视结构示意图。

附图中的编码分别为：1为原型件成型箱，2为光敏树脂箱，3为水溶液箱，4为分层处理并生成数控代码装置，5为三轴数控装置，6为温度控制装置，7为紫光灯，8为上盖，9为数据线，10为成型喷头，11为第一导流管，12为第二导流管，13为侧板，14为水平板，15为凹槽，16为光敏树脂溶液，17为水溶液，18为冰丝，19为基底层，20为激光器，21为扫描装置，22为激光束，23为刮刀，24为升降工作台，25为液槽，26为制件，27为二氧化碳激光器，28为热压辊，29为加工平面，30为控制计算机，31为工作升降台，32为料带，33为收料轴，34为供料轴，35为激光器，36为扫描镜，37为透镜，38为刮平辊子，39为丝材，40为CAD模型，41为原型件，42为支撑嘴喷头，43为泄水孔，44为光敏树脂泵，45为水溶液泵。

五、具体实施方式

本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：

实施例1：如附图7、9所示，该冰光固化快速成型装置包括原型件成型箱1、光敏树脂箱2、水溶液箱3、分层处理并生成数控代码装置4、三轴数控装置5、温度控制装置6和紫光灯7；在原型件成型箱1的顶部固定安装有上盖8，在原型件成型箱1的外侧分别有光敏树脂箱2和水溶液箱3；在原型件成型箱1内安装有能上下移动的升降台，在原型件成型箱1内的上部安装有不少于两个的紫光灯7，在原型件成型箱1内的上部安装有三轴数控装置5，分层处理并生成数控代码装置4通过数据线9与三轴数控装置5连接在一起，在三轴数控装置5上固定安装有能随三轴数控装置5运动的成型喷头10和支撑嘴喷头42，光敏树脂箱2与原型件成型箱1之间固定安装有第一导流管11，第一导流管11的一端位于光敏树脂箱2内，第一导流管11的另一端穿过上盖8并位于成型喷头10内，在第一导流管11上安装有光敏树脂泵44，在水溶液箱3与原型件成型箱1之间固定安装有第二导流管12，第二导流管12的一端位于水溶液箱3内，第二导流管12的另一端穿过上盖8并位于支撑嘴喷头42内，在第二导流管12上安装有水溶液泵45，温度控制装置6的温度控制端分别与原型件成型箱1、光敏树脂箱2和水溶液箱3连接在一起，光敏树脂泵44和水溶液泵45均可采用液压泵或其他现有公知的泵。

可根据实际需要，对实施例1作进一步优化或/和改进：

如附图7、9所示，升降台包括侧板13和水平板14，侧板13与水平板14固定在一起，侧板13安装在原型件成型箱1的内壁上并能上下移动，在水平板14上表面的四周有凹槽15，在凹槽15上有不少于一个的泄水孔43。

如附图7所示，温度控制装置6可采用低温恒温箱，温度控制装置6也可采用其他现有公知的温度控制装置。

实施例2：如附图7、8、9所示，一种冰光固化快速成型装置的使用方法：首先通过温度控制装置6分别将原型件成型箱1的温度控制在-12℃至-8℃，将光敏树脂箱2内的光敏树脂溶液16的温度控制在高于光敏树脂溶液16的凝固点0℃至2℃，将水溶液箱3内的水溶液17的温度控制在0℃至6℃，水溶液17从支撑嘴喷头42进入到原型件成型箱1内并在瞬间凝固成冰丝18落入到升降台上，通过控制支撑嘴喷头42使冰丝18形成3至5层的叠层，3至5层的叠层形成原型件基底层19，然后将紫外灯的强度控制在波长范围为400nm至200nm，每光子能量在3.10eV至6.20eV，使成型喷头10喷出的光敏树脂流能瞬间固化并使固化后的光敏树脂流为线形，光敏树脂流落入到基底层19上后根据分层处理并生成数控代码装置4输出的切片信息控制三轴数控装置5带动成型喷头10完成一层的成型件制作，成型件外侧的片层再用支撑嘴喷头42喷出的冰丝18将其填满，这样就完成了一整层的制作，接着将升降台下移一个层厚的距离，再制作下一层，如此反复直到整个原型制造完毕。

可根据实际需要，对实施例2作进一步优化或/和改进：

如附图7所示，水溶液17里有增稠剂，增稠剂可采用现有公知的增稠剂。

如附图7所示，增稠剂可采用658增稠剂。

如附图8所示，相邻上下叠层在水平面上呈相互垂直分布。

以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

本发明的使用过程：制造一个产品，首先要通过三维造型软件(如：Pro/E、UG、SolidWorks)进行产品的三维模型构造，然后将得到的三维模型转换为STL格式，再将STL格式的模型导入到专用的切片软件中(如华中科大的HRP软件)进行切片，无需添加额外支撑。为了将(ISL)原型的叠件与工作台牢固连接和确保原型能顺利地取下，需要制作基底层19。基底层19用水来做，为了使从支撑嘴喷头42喷出的含有增稠剂的水溶液流瞬间凝固成冰(通过温度控制装置6将从支撑嘴喷头42喷出的水溶液17控制在0℃)，需要将原型件成型箱1内的温度控制在-12℃至-8℃左右，从而使凝固的冰丝截面成圆形，通常设3-5层的叠层作为基底层19，为了平衡冰丝之间的力，叠层可在水平面上呈相互垂直分布。制作完基底层19后，原型制作就开始了。首先根据切片信息控制三轴数控装置5带动成型喷头10完成一层的成型件制作，其通过控制紫外灯7的强度，使喷出的光敏树脂流(通过温度控制装置将从成型喷头10喷出的光敏树脂控制在其凝固点)瞬间固化，从而确保固化后的光敏树脂流为线形，片层的其余部分再用支撑嘴喷头42喷出的冰丝18将其填满，这样就完成了一整层的制作，接着将工作台下移一个层厚的距离，再制作下一层，如此反复直到整个原型制造完毕。然后进行余料的去除，余料主要是冰，去除比较简单，在制造过程中，原型(光敏树脂)始终暴露在紫外光下，得到了一定的固化，为了使它彻底固化，在余料去除时继续对其进行紫外光照射，可以省去对原型进行二次固化，只需停止温度控制装置6对原型件成型箱1的制冷，使原型件成型箱1的温度慢慢恢复至室温，余料(冰)就可融化成水，并从升降台的凹槽15的泄水孔43排出，最后升降台上留下的便是要制作的原型。

本发明与现有的快速成型装置的对比效果如下表：

Claims (10)

1、一种冰光固化快速成型装置，其特征在于包括原型件成型箱、光敏树脂箱、水溶液箱、分层处理并生成数控代码装置、三轴数控装置、温度控制装置和紫光灯；在原型件成型箱的顶部固定安装有上盖，在原型件成型箱的外侧分别有光敏树脂箱和水溶液箱；在原型件成型箱内安装有能上下移动的升降台，在原型件成型箱内的上部安装有不少于两个的紫光灯，在原型件成型箱内的上部安装有三轴数控装置，分层处理并生成数控代码装置通过数据线与三轴数控装置连接在一起，在三轴数控装置上固定安装有能随三轴数控装置运动的成型喷头和支撑嘴喷头，光敏树脂箱与原型件成型箱之间固定安装有第一导流管，第一导流管的一端位于光敏树脂箱内，第一导流管的另一端穿过上盖并位于成型喷头内，在第一导流管上安装有光敏树脂泵，在水溶液箱与原型件成型箱之间固定安装有第二导流管，第二导流管的一端位于水溶液箱内，第二导流管的另一端穿过上盖并位于支撑嘴喷头内，在第二导流管上安装有水溶液泵，温度控制装置的温度控制端分别与原型件成型箱、光敏树脂箱和水溶液箱连接在一起。

2、根据权利要求1所述的冰光固化快速成型装置，其特征在于升降台包括侧板和水平板，侧板与水平板固定在一起，侧板安装在原型件成型箱的内壁上并能上下移动，在水平板上表面的四周有凹槽，在凹槽上有不少于一个的泄水孔。

3、根据权利要求1或2所述的冰光固化快速成型装置，其特征在于温度控制装置采用低温恒温箱。

4、根据权利要求1或2所述的冰光固化快速成型装置的使用方法，其特征在于首先通过温度控制装置分别将原型件成型箱的温度控制在-12℃至-8℃，将光敏树脂箱内的光敏树脂溶液的温度控制在高于光敏树脂溶液的凝固点0℃至2℃，将水溶液箱内的水溶液的温度控制在0℃至6℃，水溶液从支撑嘴喷头进入到原型件成型箱内并在瞬间凝固成冰丝落入到升降台上，通过控制支撑嘴喷头使冰丝形成3至5层的叠层，3至5层的叠层形成原型件基底层，然后将紫外灯的强度控制在波长范围为400nm至200nm，每光子能量在3.10eV至6.20eV，使成型喷头喷出的光敏树脂流能瞬间固化并使固化后的光敏树脂流为线形，光敏树脂流落入到基底层上后根据分层处理并生成数控代码装置输出的切片信息控制三轴数控装置带动成型喷头完成一层的成型件制作，成型件外侧的片层再用支撑嘴喷头喷出的冰丝将其填满，这样就完成了一整层的制作，接着将升降台下移一个层厚的距离，再制作下一层，如此反复直到整个原型制造完毕。

5、根据权利要求3所述的冰光固化快速成型装置的使用方法，其特征在于首先通过温度控制装置分别将原型件成型箱的温度控制在-12℃至-8℃，将光敏树脂箱内的光敏树脂溶液的温度控制在高于光敏树脂溶液16的凝固点0℃至2℃，将水溶液箱内的水溶液的温度控制在0℃至6℃，水溶液从支撑嘴喷头进入到原型件成型箱内并在瞬间凝固成冰丝落入到升降台上，通过控制支撑嘴喷头使冰丝形成3至5层的叠层，3至5层的叠层形成原型件基底层，然后将紫外灯的强度控制在波长范围为400nm至200nm，每光子能量在3.10eV至6.20eV，使成型喷头喷出的光敏树脂流能瞬间固化并使固化后的光敏树脂流为线形，光敏树脂流落入到基底层上后根据分层处理并生成数控代码装置输出的切片信息控制三轴数控装置带动成型喷头完成一层的成型件制作，成型件外侧的片层再用支撑嘴喷头喷出的冰丝将其填满，这样就完成了一整层的制作，接着将升降台下移一个层厚的距离，再制作下一层，如此反复直到整个原型制造完毕。

6、根据权利要求4所述的冰光固化快速成型装置的使用方法，其特征在于水溶液里有增稠剂。

7、根据权利要求5所述的冰光固化快速成型装置的使用方法，其特征在于水溶液里有增稠剂。

8、根据权利要求7所述的冰光固化快速成型装置的使用方法，其特征在于增稠剂采用658增稠剂。

9、根据权利要求4所述的冰光固化快速成型装置的使用方法，其特征在于相邻上下叠层在水平面上呈相互垂直分布。

10、根据权利要求8所述的冰光固化快速成型装置的使用方法，其特征在于相邻上下叠层在水平面上呈相互垂直分布。

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