CN103817941A

CN103817941A - 一种磁流变材料面成型的快速成型装置及方法

Info

Publication number: CN103817941A
Application number: CN201410102405.6A
Authority: CN
Inventors: 杨来侠; 刘旭
Original assignee: Xian University of Science and Technology
Current assignee: Xian University of Science and Technology
Priority date: 2014-03-19
Filing date: 2014-03-19
Publication date: 2014-05-28

Abstract

本发明公开了一种磁流变材料面成型的快速成型装置及方法，装置包括转移台、隔板、控制电路、沉积台、磁流变材料原料缸、转移支架和永磁铁，转移台的下端设置有布成面阵的电磁铁组，电磁铁组可在控制电路的作用下实现电磁铁组中与成型截面形状相对应的电磁铁单体的线圈通断；沉积台的外侧设置有磁极，转移支架可将转移台从磁流变材料原料缸的上方移动至沉积台上方的指定位置处，并循环往复实现整个零件的成型。本发明具有成型加工效率高，成型质量好，设备结构相对简单，无复杂的控制系统，成本低，寿命长，操作简单等优点，实施中不会发生喷头堵塞影响加工进程和效率，更适用于大型零件的制备。

Description

一种磁流变材料面成型的快速成型装置及方法

技术领域

本发明属于先进制造技术的快速成型领域，特别涉及一种磁流变材料面成型的快速成型装置及方法，具体涉及一种在磁场作用下的磁流变效应，通过磁场沉积台一次直接成型一层面，逐层成型三维实体的装置。

背景技术

快速成型技术（Rapid Prototyping and Manufacturing）诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。其基本过程是在计算机控制下，根据零件三维模型的分层截面信息，在快速成型机的X-Y工作平面依次成型各层截面，然后通过在Z方向逐层累加，实现零件的三维成型。根据此原理，目前比较成熟的快速成型技术有光固化快速成型(SLA)、分层实体制造（LOM）、选择性激光烧结(SLS)、熔积成型(FDM)等等。快速成型材料有光敏树脂，纤维纸、石蜡粉末，热塑性材料(蜡、ABS、PC、尼龙)、覆膜砂，电流变液相关材料也正在研究之中。快速成型技术相比于传统的机械加工具有很大的优点，主要表现在以下几点：（1）可加工任何复杂形状的零件，制造工艺与零件的复杂程度无关，不受工具的限制，可实现自由制造，原型的复制性、互换性高，越是复杂的零件越能体现RP技术的优越性；(2)快速性，从CAD设计到完成原型制作通常只需几个小时到几十个小时，加工周期短，可节约70%时间，能够适应现代竞争激烈的产品市场；(3)低成本，与产品的复杂程度无关，节省了大量的开模时间，制造过程无废料；(4)成型过程中，信息过程和材料过程一体化，制作原型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用，尤其适合成型材料为非均质并具有功能剃度或有孔隙要求的原形。

但是目前的快速成型技术也还面临着各种各样的难题，主要有以下一些难题：（1）目前快速成型材料种类单一，仅限于光敏树脂，纤维纸、石蜡粉末，热塑性材料等少数材料，并且这些材料未标准化；（2）FDM成型由于固-液-固的相变过程，温度难以控制，且成型后易变性，精度不高，且伴有有毒难闻气体产生，需要复杂的喷头的控制系统，且喷头易堵塞（3）SLS、SLA成型工艺使用激光作为能源，过于昂贵；而中国专利（CN103213281）“基于磁流变材料的3D打印快速成型装置及方法”需要喷头在磁场喷射磁流变材料，由于磁流变材料颗粒直径大小及精度要求，喷头设计较为复杂，磁流变材料未从喷嘴喷出就由于磁场影响固化进而堵塞喷嘴，并且成型采用点-线-面成型，速度较低。

发明内容

本发明的内容在于对现有技术存在的问题加以解决，进而提供一种磁流变材料面成型的快速成型方法，以及实施该方法的磁流变面成型快速成型装置。采用本发明所述的成型方法和装置可以显著地缩短成型的时间并避免喷头的使用、运动控制及堵塞问题，提高加工精度。

为了实现上述目的，本发明采用的成型方法是首先在计算机中绘制零件三维实体模型，通过软件对三维实体进行分层处理，得到的实体的各层截面信息，再利用控制电路控制的一组并行连接的电磁铁组，将计算机中实体的截面信息在转移台上转化为对应的磁场形状，然后投射到原料缸，将原料缸的磁流变材料固化并吸附在转移台上，然后在计算机的控制下将转移台移动至成型缸的沉积台（沉积台的四周设置有磁极），切断线圈组电源，如此磁流变材料快速液化并脱离转移台，在沉积台进行二次成型，如此便完成零件一层的成型。然后计算机再调用下一层截面信息，进行下一层的成型，如此循环往复，直至实现整个实体的成型。

在前述发明基础上的一个创新方案是通过电磁铁组产生与计算机中实体的截面信息轮廓相同的磁场，然后将磁场施加于磁流变材料中，实现一个整面的成型，然后将转移台移动到沉积台进行二次成型，如此循环往复，直至整个实体加工完成。

本发明所述的磁流变材料面成型快速成型装置包括转移台、隔板、控制电路、沉积台、转移支架、磁极和装有磁流变材料的原料缸，所述转移台的下端设置有布成面阵的电磁铁组，隔板设置在电磁铁组的下部，电磁铁组可在控制电路的作用下实现电磁铁组中与成型截面形状相对应的电磁铁单体的线圈通断；沉积台的外侧设置有磁极，转移支架可将转移台从磁流变材料原料缸的上方移动至沉积台上方的指定位置处，并循环往复。

上述磁流变材料面成型的快速成型装置中，转移支架上设置有可伸缩的移动臂，转移台设置在移动臂下端。

上述磁流变材料面成型的快速成型装置中，磁流变材料为磁流变液、磁流体、磁流变弹性体或磁流变泡沫材料。

上述磁流变材料面成型的快速成型装置中，隔板材料为软磁材料或超导材料。

上述磁流变材料面成型的快速成型装置中，软磁材料为纯铁、低碳钢、铁硅系合金、铁铝系合金或导磁不锈钢。

上述磁流变材料面成型的快速成型装置中，超导材料为超导合金和超导化合物。

上述磁流变材料面成型的快速成型装置中，电磁铁的线圈电流大小及线圈匝数可调。

上述磁流变材料面成型的快速成型装置中，磁极为永磁铁或电磁铁。

上述磁流变材料面成型的快速成型装置中，电磁铁的磁感线与磁流变材料原料缸的液面垂直。

本发明的磁流变材料面成型的快速成型方法，包括以下步骤：

[1]获取加工零件的三维实体模型，通过计算机软件对三维实体进行分层处理，得到实体的各层截面信息；

[2]控制电路控制电磁铁组，使得电磁铁组中与成型截面形状相对应的电磁铁单体的线圈导通；

[3]转移台移动至磁流变材料原料缸上方，将原料缸的磁流变材料固化并吸附在转移台上；

[4]转移支架带动转移台，移动至沉积台上方约1mm处，控制器断开电磁铁单体的线圈，磁流变材料瞬间液化并脱离转移台，在沉积台上二次成型，完成该层零件的成型；

[5]转移支架带动转移台至原料缸上方，计算机再调用下一层加工实体的截面信息，进行下一层的成型，循环步骤[2]至步骤[5]，直至完成整个实体的成型。

本发明具有的有益技术效果如下：

与现有的快速成型技术相比，本发明具有成型加工效率高，成型质量好，设备结构相对简单，无复杂的控制系统，成本低，寿命长，操作简单等优点。由于在采用本发明所述磁流变成型方法及装置，没有使用结构要求较高、较为精细复杂的喷头，也没有与射流有关的各种伺服机构与控制系统，更不会也不会发生喷头堵塞影响加工进程和效率，正相反，该方法舍去复杂的控制系统，一次成型一个整面，提高了效率。总之，本发明方案的实施在快速成型技术尤其是磁流变材料快速成型的加工效率，整体完善性，结构简单性都有所突破，更适用于大型零件的制备。

附图说明

附图1为面成型磁流变材料的快速成型装置示意图

附图2为电磁铁组工作原理示意图

附图3为电磁铁单体排布示意图

附图4为单个电磁铁内部磁感线示意图

图中标号分别表示：1-控制电路，2-转移支架，3-移动臂，4-转移台，5-隔板，6-原料缸，7-磁流变材料，8-沉积台，9-磁极，10-计算机，11-缠绕线圈，12-铁芯，13-磁感线。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的说明，但本发明的具体工作方式和实际制作结构并不仅限于下述的实施例。

磁流变材料在零磁场条件下表现为流动性能良好的液体，其粘度很小；而在强磁场作用下，可在毫秒级很短时间内黏度增加几个数量级以上，转变为具有高强度的固体。同时这种变化是可逆的，即去掉磁场后又恢复原来的状态。磁流变材料包括磁流变液、磁流体、磁流变弹性体或磁流变泡沫材料。

如图1所示，本发明的磁流变材料面成型快速成型装置包括转移台4、隔板5、控制电路1、沉积台8、转移支架2、磁极9和装有磁流变材料7的原料缸6，转移台4的下端设置有布成面阵的电磁铁组，隔板5设置在电磁铁组的下部，电磁铁组可在控制电路1的作用下实现电磁铁组中与成型截面形状相对应的电磁铁单体的线圈通断；沉积台8的外侧设置有磁极9，转移支架2可将转移台4从原料缸6的上方移动至沉积台8上方的指定位置处，并循环往复。

电磁铁组由许多并行连接的小电磁铁单体组成，各电磁铁单体的排列方式视空间安排而定，其数目视成型工件尺寸及精度要求而定，单体磁铁线圈绕组形状，匝数及铁芯材料和形状选择视磁流变材料性质及工作效率而定，磁铁单体铁芯直径为0.5mm-5mm，工作中通过对电磁铁施加电信号，产生需要加工截面轮廓的磁场。

沉积台8外侧的磁极9为永磁铁或电磁铁若为电磁铁，其磁场强度可调；若为永磁铁，则可更换不同强度的永磁铁，永磁铁或电磁铁磁场强度为0.01-1T。

隔板5材料为软磁材料或超导材料，软磁材料为纯铁、低碳钢、铁硅系合金、铁铝系合金或导磁不锈钢，超导材料为超导合金和超导化合物。

装备了以上电磁系统的磁流变材料快速成型装置的工作过程是这样的：控制电路1共输出两条控制线，一条控制线将计算机10中的实体截面信息转化为相应的电信号，进而控制电磁铁组4中电磁铁单体电路的接通，最终控制磁场的产生。如图2所示；另一条控制线控制移动臂3的收缩及在转移支架2上的往复运动，成型过程如下：

[1]计算机获取加工零件的三维实体模型，软件对三维实体进行分层处理，得到实体的各层截面信息；

[3]转移台4移动至原料缸6上方，将原料缸6的磁流变材料7固化并吸附在转移台4上；

[4]转移支架2带动转移台4，移动至沉积台8上方约1mm处，控制电路1断开电磁铁单体的线圈，磁流变材料7瞬间液化并脱离转移台4，在沉积台8上二次成型，完成该层零件的成型；

[5]转移支架2带动转移台4至原料缸6上方，计算机再调用下一层加工实体的截面信息，进行下一层的成型，循环步骤[2]至步骤[5]，直至完成整个实体的成型。

下面结合图1对成型流程进行详述。如图1所示，工作开始后，在计算机控制线2的控制下，电磁铁组移动至原料缸6上方一定位置处，然后在计算机控制线1的控制下，对相应的电磁铁单体发出电信号，产生相应轮廓的磁场，此时原料缸6中磁流变材料7在磁场的作用下发生磁流变效应迅速固化，并吸附于电磁铁组下方的隔板5上，然后通过移动臂3在转移架2运动的带动下按图中虚线箭头所示的路线运动至距离沉积台8上方很小距离（约1mm）的某一位置处，控制线1控制关闭电信号输出，电磁铁组产生的磁场消失，利用磁流变效应的可逆特性，磁流变材料7瞬间变为液体，脱离隔板5，进入磁场区9，在磁场9的作用下，磁流变材料7在大约毫秒的极短瞬间内由液态转变为固态，脱落的磁流变材料与上一层磁流变材料结合，并快速二次固化为一个整体，如此便完成一个整面的加工，随后电磁铁组又返回至原料缸6上方，进行下一层的加工，循环往复直至整个实体加工完成。因为磁流变效应为可逆过程，故零件成型后，可以通过维持原磁场，或者低温保存的方法,使得零件保持其形状。

图3给出了电磁铁组其中4只磁铁单体排布方式，磁场单体按正方形紧排密布，电磁铁单体使用正方形线圈，以便能够使磁场区域遍布整个工作区，不留空隙，但排布方式并不仅于此种方式，在满足加工要求的前提下，其他排布方式及线圈形状均可使用。铁芯12选用硅钢材料，但不仅限于此种材料，具体情况视工作要求而定。线圈电流大小及线圈匝数可调，以便于磁场强度大小的控制。单个电磁铁形成的磁场如图4所示，磁感线13几近垂直于原料缸中磁流变材料的液面，更便于满足高精度加工的要求。

本发明已经达到了实验验证，验证中磁流变材料7为水基磁流变液，隔板为不锈钢材料；沉积台8外周的磁极9采用磁场强度为0.5T的永磁铁，转移台上磁铁单体铁芯直径为3mm，通电电压为48V，转移台上包含200×200只磁铁单体，最大可加工的截面尺度为600×600mm。

Claims

1.一种磁流变材料面成型的快速成型装置，其特征在于：包括转移台（4）、隔板（5）、控制电路（1）、沉积台（8）、转移支架（2）、磁极（9）和装有磁流变材料（7）的原料缸（6），所述转移台（4）的下端设置有布成面阵的电磁铁组，所述的隔板（9）设置在电磁铁组的下部，所述的电磁铁组可在控制电路（1）的作用下实现电磁铁组中与成型截面形状相对应的电磁铁单体的线圈通断；所述沉积台（8）的外侧设置有磁极（9），所述的转移支架（2）可将转移台（4）从原料缸（6）的上方移动至沉积台（8）上方的指定位置处，并循环往复。

2.根据权利要求1所述的磁流变材料面成型的快速成型装置，其特征在于：所述的转移支架（2）上设置有可伸缩的移动臂（3），所述的转移台（4）设置在移动臂（3）下端。

3.根据权利要求1所述的磁流变材料面成型的快速成型装置，其特征在于：所述的磁流变材料（7）为磁流变液、磁流体、磁流变弹性体或磁流变泡沫材料。

4.根据权利要求1所述的磁流变材料面成型的快速成型装置，其特征在于：所述的隔板（5）由软磁材料或超导材料制成，所述的软磁材料为纯铁、低碳钢、铁硅系合金、铁铝系合金或导磁不锈钢，所述的超导材料为超导合金和超导化合物。

5.根据权利要求1所述的磁流变材料面成型的快速成型装置，其特征在于：所述磁铁单体的线圈电流大小及线圈匝数可变。

6.根据权利要求1所述的磁流变材料面成型的快速成型装置，其特征在于：所述磁铁单体铁芯直径为0.5mm-5mm。

7.根据权利要求6所述的磁流变材料面成型的快速成型装置，其特征在于：所述磁铁单体铁芯直径为3mm。

8.根据权利要求1所述的磁流变材料面成型的快速成型装置，其特征在于：所述的磁极（9）为永磁铁或电磁铁，磁场强度为0.01-1T。

9.根据权利要求1所述的磁流变材料面成型的快速成型装置，其特征在于：所述的电磁铁的磁感线（13）与磁流变材料原料缸的液面垂直。

10.利用权利要求1所述的磁流变材料面成型的快速成型装置实现磁流变材料面成型的快速成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

[3]转移台（4）移动至原料缸（6）上方，将原料缸（6）的磁流变材料（7）固化并吸附在转移台（4）上；

[4]转移支架（2）带动转移台（4），移动至沉积台（8）上方约1mm处，控制电路（1）断开电磁铁单体的线圈，磁流变材料（7）瞬间液化并脱离转移台（4），在沉积台（8）上二次成型，完成该层零件的成型；

[5]转移支架（2）带动转移台（4）至原料缸（6）上方，计算机再调用下一层加工实体的截面信息，进行下一层的成型，循环步骤[2]至步骤[5]，直至完成整个实体的成型。