CN103358553A

CN103358553A - 超声聚焦三维快速成型方法及装置

Info

Publication number: CN103358553A
Application number: CN2013103402242A
Authority: CN
Inventors: 任露泉; 刘庆萍; 廖庚华; 杨莹
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2013-08-07
Filing date: 2013-08-07
Publication date: 2013-10-23

Abstract

本发明公开了一种超声聚焦三维快速成型方法及装置，该方法是：将盛有树脂的树脂容器和超声波发生器放置到水槽中，超声波发生器应全部侵入水中，树脂液体的液面低于水的液面，运用三维扫描或者三维造型软件建立三维实体模型的数字模型，根据数字模型给出的空间点的位置，由计算机控制超声波聚焦点，由点到行，由行到面，由面到体，逐一对树脂容器中的树脂液体进行聚焦固化扫描；聚焦点扫描过的树脂发生固化反应固化，形成三维实体；扫描完成后，树脂容器里面被扫描过的树脂固化，形成了固化的树脂三维实体，未被扫描的部分仍然是液体树脂，将液体树脂放掉，留存的部分即是所需要的三维实体；本发明由于不存在分层固化，树脂固化率可以达到98%以上，而且固化更均匀，组织更细腻；精度可以达到0.01毫米以上。

Description

超声聚焦三维快速成型方法及装置

技术领域

本发明涉及一种快速成型技术，也称为快速原型（Rapid prototyping，RP）技术，特别涉及一种超声聚焦三维快速成型方法及装置。

背景技术

快速成型技术，也称为快速原型（Rapid prototyping，RP）技术，是20世纪70年代末到80年代初产生的一种新型制造技术，它基于“离散/堆积”增材制造原理，和常规的去材制造不同，采用逐层累加制造的方法完成任意复杂零部件或实体的制作，是先进制造技术的重要组成部分。

RP是基于离散/堆积成形的数字化制造技术，它集成了激光、计算机、数控、精密伺服驱动、新材料等各种高新技术。通过离散，将复杂的三维形体进行降维处理；通过堆积使二维层片结合成复杂的三维实体。其基本过程是：首先设计出所需零件的计算机三维模型（数字模型、CAD模型），然后将CAD模型转化为STL文件格式，用分层软件将计算机三维实体模型在高度方向离散为一系列具有一定厚度、一定形状的薄片，最后在计算机控制下有选择的固化或粘结某一区域的材料，从而形成零件实体的一个层面，并逐渐堆积生成对应原型。

目前快速原型技术的工艺方法已经有几十种，并且新工艺、新方法还在不断出现，按成型核心工具不同，RP系统可以分为两大类：基于激光技术（光固化立体造型SLA，分层实体制造LOM，选择性激光烧结SLS）和基于微滴技术（熔融沉积制造FDM，三维印刷3DP，实体磨削固化SGC、多项喷射沉积MJD等）的RP技术，但商品化较好的主要还是SLA，LOM，SLS，FDM，下面仅就他们的研究现状做一下介绍：

（1）光固化立体造型（SLA）以光敏树脂为原料，在加工过程中，工作台表面浸在液体的光敏树脂中，一定功率的光照到光敏树脂表面，通过光聚合反应导致固化，一层固化完成后，工作台下降一定高度，重新覆盖一薄层树脂材料，光照固化新层。如此反复，直到零件生成。SLA是目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种RP技术，其成型工艺稳定，成型精度可达0.1 mm，表面质量较好，可直接制造精细零件和塑料件，制件为透明体。但其自身也存在局限性：SLA设备昂贵，光敏树脂价高，并且通常用的树脂都是热固性的光敏树脂，不能多次加热融化。

（2）分层实体制造（LOM）采用薄片材料如纸、金属箔、塑料薄膜等，由计算机控制光束，按模型每层的内外轮廓线切割薄层材料，得到该层的平面形状，并逐层堆放成零件原型，在堆放时，层与层制件以粘结剂粘牢，因此成型件无内应力，无变形，成型速度快，不需支撑，制件精度高。但LOM不能直接制作塑料制品，原型的抗拉强度和弹性也不够理想，成型后的原型件应尽快做防潮处理。LOM法适用于制作结构简单的中大型原型，特别适合于直接制作砂型铸造模。

（3）选择性激光烧结（SLS）选用各种粉末材作为烧结材料，通过激光的选择性扫描使粉末表面局部或部分融化，融化的液体在冷却凝固过程中使粉末颗粒相互连接，从而完成单一层面的加工，烧完一层，基体下移一个厚度，新铺一层粉末进行新层烧结，此过程反复进行直至生成三维实体，完成后去掉未烧结的粉末，即得到成型件。SLS成型材料品种多，用料节省，成型件性能分布广泛。SLS的缺点是：制品易变形，需预热和冷却，成型过程有毒气体和粉尘，污染环境。

（4）熔融沉积制造（FDM）采用热熔喷头，使半流动状态的材料流体按模型分层数据控制的路径挤压出来，并在指定的位置沉积、凝固成型，这样逐层沉积、凝固后形成整个原型，该方法加工没有粉末，总体误差约为0.毫米。

发明内容

本发明的目的是提供一种超声聚焦三维快速成型方法。

本发明的另一目的是提供一种超声聚焦三维快速成型装置。

本发明之方法的步骤是：

1、将盛有树脂的树脂容器和超声波发生器放置到水槽中，超声波发生器应全部侵入水中，树脂液体的液面低于水的液面，运用三维扫描或者三维造型软件建立三维实体模型的数字模型，根据数字模型给出的空间点的位置，由计算机控制超声波聚焦点，有点到行，由行到面，由面到体，逐一对树脂容器中的树脂液体进行聚焦固化扫描；聚焦点扫描过的树脂发生固化反应固化，形成三维实体；

2、扫描完成后，树脂容器里面被扫描过的树脂固化，形成了固化的树脂三维实体，未被扫描的部分仍然是液体树脂，将液体树脂放掉，留存的部分即是所需要的三维实体。

本发明的原理是：运用超声波聚焦产生的热能，将热敏树脂固化成型。所述的液体树脂或固体树脂的溶液中加入凝固剂和引发剂后，经多束（3束以上）超声波共聚焦加热，则在聚焦点处发生树脂混合液的化学固化反应，将树脂固化。

本发明之装置是由超声波发生器、云台、滑台、转台、水槽、树脂容器和计算机控制系统组成，超声波发生器和树脂容器均置于水槽中，超声波发射器安装在云台上，云台安装在滑台上，滑台安装在转台上；通过云台的转动、滑台的移动和转台的转动，超声波发生器聚焦点可以照射到树脂容器内的任何位置；计算机控制系统通过读取三维模型的数据，转换成聚焦点的控制数据，控制超声波发生器逐点逐行扫描。

人们通常用凸透镜将太阳光聚焦到纸等易燃物上时可使之燃烧。超声聚焦原理也是利用超声波的可聚焦性及穿透性、指向性等特性，在聚焦点产生高温效应。

所述的超声波发生器采用常用的压电陶瓷制备，单体压电陶瓷一般制成凹球面，并由多个单体压电陶瓷组成凹球面，使每个单体发出的超声波共聚焦于一点。超声波发生器的功率，可以根据容器的几何尺寸，单体压电陶瓷的数量，以及所需聚焦点的温度来决定。一般单体换能器功率在几十到几百瓦之间。

所述盛树脂的树脂容器由非金属制成，空间尺寸最大不超过1200*1200*1200毫米，这个尺寸主要由超声波穿透距离决定，超过这个尺寸会引起衰减，导致聚焦不准，焦点温度低，导致固化不彻底。

所述水槽的容积应大于树脂容器，并且能够放置超声波发生器。超声波发生器应全部侵入水中，超声波通过水介质，传播到树脂液体中。树脂液体的液面也应低于水的液面，使得超声波全部在水中或树脂中传播（因为空气不能传播超声波）。

本发明所用的树脂就是常用的热固性树脂—酚醛、呋喃、糠醛、糠醇和聚酰亚胺等，使用时需加入固化剂，如呋喃树脂固化剂，丙烯酸树脂固化剂，环氧树脂固化剂等。树脂和固化剂的比例，按照树脂和相应的固化剂说明即可。

发明的有益效果：

1、相比较原理类似的光固化立体造型（SLA）方法，本发明之方法精度提高至少一个数量级。SLA高度方向的精度，取决于单层液体的厚度，受液体年度及表面张力的限制，每层液体的厚度不可能小于0.1毫米，否则引起厚度不均匀，甚至有些位置液体不能覆盖上一层。本发明的精度取决于超声波的定位精度，计算机控制的聚焦点精度可以达到0.01毫米以上。

2、加工效率提高。比较SLA方法，本发明树脂液体是固定的，没有液体铺层时间和液体稳定时间，只需要树脂的射线固化时间，本发明成型时间是SLA方法的1/5到1/3。

3、成型质量好，相比SLA方法，本发明由于不存在分层固化，树脂固化率可以达到98%以上，而且固化更均匀，组织更细腻。

附图说明

图1是本发明之装置的主视示意图。

图2是本发明之装置的俯视示意图。

具体实施方式

本发明之方法的步骤是：

请参阅图1和图2所示，本发明之装置是由超声波发生器4、云台3、滑台5、转台6、水槽2、树脂容器1和计算机控制系统组成，超声波发生器4和树脂容器1均置于水槽2中，超声波发射器4安装在云台3上，云台3安装在滑台5上，滑台5安装在转台6上；通过云台3的转动、滑台5的移动和转台6的转动，超声波发生器4聚焦点可以照射到树脂容器1内的任何位置；计算机控制系统通过读取三维模型的数据，转换成聚焦点的控制数据，控制超声波发生器4逐点逐行扫描。

所述的超声波发生器4采用常用的压电陶瓷制备，单体压电陶瓷一般制成凹球面，并由多个单体压电陶瓷组成凹球面，使每个单体发出的超声波共聚焦于一点。超声波发生器的功率，可以根据容器的几何尺寸，单体压电陶瓷的数量，以及所需聚焦点的温度来决定。一般单体换能器功率在几十到几百瓦之间。

所述盛树脂的树脂容器1的材质是非金属，空间尺寸最大不超过1200*1200*1200毫米，这个尺寸主要由超声波穿透距离决定，超过这个尺寸会引起衰减，导致聚焦不准，焦点温度低，导致固化不彻底。

所述水槽2的容积应大于树脂容器1，并且能够放置超声波发生器4。超声波发生器4应全部侵入水中，超声波通过水介质，传播到树脂液体中。树脂液体的液面也应低于水的液面，使得超声波全部在水中或树脂中传播（因为空气不能传播超声波）。

Claims

1.一种超声聚焦三维快速成型方法，该方法包括以下步骤：

（一）、将盛有树脂的树脂容器和超声波发生器放置到水槽中，超声波发生器应全部侵入水中，树脂液体的液面低于水的液面，运用三维扫描或者三维造型软件建立三维实体模型的数字模型，根据数字模型给出的空间点的位置，由计算机控制超声波聚焦点，有点到行，由行到面，由面到体，逐一对树脂容器中的树脂液体进行聚焦固化扫描；聚焦点扫描过的树脂发生固化反应固化，形成三维实体；

（二）、扫描完成后，树脂容器里面被扫描过的树脂固化，形成了固化的树脂三维实体，未被扫描的部分仍然是液体树脂，将液体树脂放掉，留存的部分即是所需要的三维实体。

2.根据权利要求1所述的一种超声聚焦三维快速成型方法，其特征在于：所述的树脂是热固性树脂。

3.根据权利要求2所述的一种超声聚焦三维快速成型方法，其特征在于：所述的热固性树脂是酚醛树脂或呋喃树脂或糠醛树脂或糠醇树脂和聚酰亚胺树脂，使用时加入固化剂。

4.根据权利要求3所述的一种超声聚焦三维快速成型方法，其特征在于：所述的固化剂是呋喃树脂固化剂或丙烯酸树脂固化剂或环氧树脂固化剂。

5.一种权利要求1所述方法所用的成型装置，其特征在于：是由超声波发生器（4）、云台（3）、滑台（5）、转台（6）、水槽（2）、树脂容器（1）和计算机控制系统组成，超声波发生器（4）和树脂容器（1）均置于水槽（2）中，超声波发射器（4）安装在云台（3）上，云台（3）安装在滑台（5）上，滑台（5）安装在转台6上；通过云台3的转动、滑台5的移动和转台6的转动，超声波发生器4聚焦点可以照射到树脂容器1内的任何位置；计算机控制系统通过读取三维模型的数据，转换成聚焦点的控制数据，控制超声波发生器（4）逐点逐行扫描。

6.根据权利要求5所述的一种超声聚焦三维快速成型装置，其特征在于：所述的超声波发生器（4）由压电陶瓷制备，单体压电陶瓷制成凹球面，并由多个单体压电陶瓷组成凹球面，使每个单体压电陶瓷发出的超声波共聚焦于一点

7.根据权利要求5所述的一种超声聚焦三维快速成型装置，其特征在于：所述的树脂容器（1）的材质是非金属，树脂容器（1）的空间尺寸最大不超过1200*1200*1200毫米。