CN103847102B - 一种覆膜粉末材料激光壳型失效快速成型方法 - Google Patents

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Abstract

一种覆膜粉末材料壳型失效激光快速成型方法，先由计算机对三维CAD模型进行切片，切片当前层与前后层进行布尔运算，所得区域进行线段填充，将填充线段作为每层激光的扫描路径；然后成型腔内的升降平台下降一个层厚的高度，铺粉装置在成形腔内铺上粉末，铺粉结束后对该层粉末进行加热，使粉末与粉床预固结；计算机控制激光束按照扫描路径对该层粉末进行扫描，被激光束照射到的粉末材料外表面的覆膜层碳化，失去烧结性能，同时碳化失效区穿透一层粉末的厚度，循环加工结束后形成了一个包覆零件表面的失效的壳体，壳体进行分离得到目标零件。本发明可快速制造复杂形状的零件，成型速度快，精度高，易于分离废料，表面质量好。

Description

一种覆膜粉末材料激光壳型失效快速成型方法
技术领域
覆膜粉末材料激光壳型失效快速成型方法属于激光加工快速成型领域，尤其适用于覆膜粉末材料的激光快速加工成型。
背景技术
激光快速成型技术以增材制造为原理，通过计算机CAD模型驱动，无需专用的工装，利用快速成型机快速高效的制得产品的原型。目前典型的激光快速成型技术主要有以下三种：
(1)选择性激光烧结SLS(Selective Laser Sintering)：使用粉末材料，用铺粉辊均匀的在工作腔中铺上一定厚度的粉末，然后利用激光在平面上扫描出零件的截面图形，将粉体烧结在一起，如此逐层叠加，完成整个高度方向的加工之后，进行一定的烘烤固化，即可制得原型件。
(2)薄层材料选择性切割LOM(Laminating Object Manufacturing)：以薄膜为材料，激光沿二维轮廓切割，将切割的薄层叠加，得到成型件。
(3)轮廓失效PIRP(Profile Invalidation Laser Rapid Prototyping)：以覆膜粉末为材料，激光头沿每层的轮廓线进行扫描，使激光照射到的覆膜砂碳化失效，加工完成后进行烘烤固化，剥离掉外部废料得到铸型。
以上几种方法各有其优点，但分别存在不足之处：
SLS法需要扫描每层的截面，因此成型时间长，零件的表面比较粗糙，而且对于悬臂结构需要添加支撑。
LOM法只能选择纸张等连续的薄膜材料，材料的选择范围比较窄，浪费比较严重，而且不能调节每层的厚度。
PIRP法只对零件的轮廓进行扫描，当零件相邻层之间的截面变化比较大时，上下两层烧蚀的轮廓线无法连接起来，因此零件与外部废料之间仍然存在连接强度，造成无法剥离难以得到成型件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种覆膜粉末材料的激光壳型失效快速成型方法，本发明能将计算机三维模型直接制作成三维实体，保留了SLS和PIRP的优点，同时克服了PIRP方法难以剥离废料的不足。
本发明的技术方案见附图，包括以下步骤：
(1)在计算机上完成三维CAD模型的造型，在Z向进行自动分层切片，对于其中的某一层，该处的零件截面，将前一层截面和后一层截面的轮廓向零件外部等距2个或2个以上的激光半径的距离，分别得到前一层延伸截面和后一层延伸截面，将两个延伸截面求和之后减去零件截面，得到的组合区域以间距等于或小于激光半径的线段进行填充，填充线段为该层的激光扫描路径信息。
(2)成形腔内的升降平台10在计算机11控制下降低一个所在层的层厚，铺粉装置在成形腔内运动铺上一层粉末，铺粉同时或者铺粉结束后铺粉装置后部的加热管对该层粉末进行加热；铺粉装置后部配有一根或一根以上的加热管，铺粉的同时加热管开启对粉体加热，使粉体材料的温度高于表层膜的融化点温度，使粉末与前一层的粉床预固结在一起。
(3)计算机控制激光束沿着填充线段对该层粉末进行扫描，被激光照射到的粉末材料外表面的覆膜层碳化；材料的表层膜受热到高于烧结温度以上，表层膜被碳化，失去粘接性能，同时碳化失效区穿透所在层粉末的厚度。
(4)循环B、C过程直至该零件加工结束，在零件表面包覆的粉末形成了完全包覆零件的没有粘接强度的碳化失效壳体。
(5)对零件整体加热，加热后的固结件以碳化失效壳体进行分离，得到目标零件。
本发明的有益效果是，激光只烧蚀零件的表面，扫描总路径短，可有效提高加工效率，零件的尺寸越大，效果越明显；零件与外部废料以失效壳体为分界线，不存在粘接零件外部粉料的情况，因此表面质量很高；烧蚀壳体的同时在零件表面一层硬壳体，约束了零件的收缩变形，零件的成型精度高。
附图说明
图1(a)为计算机上的三维CAD模型。
图1(b)对CAD模型进行Z向切片分层。
图1(c)为某层切片截面及其前后两层的切片截面。
图1(d)为前后两层切片截面向零件外部延伸后的截面。
图1(e)为组合区域及其填充线段。
图2为本发明中计算机控制快速成型机进行零件的加工。
图3为零件整体加热后，得到的目标零件。
图中：1三维CAD模型；2零件截面；3前一层截面；4后一层截面；5前一层延伸截面；6后一层延伸截面；7组合区域；8填充线段；9成型腔；10升降平台；11计算机；12铺粉装置；13加热管；14激光束；15碳化失效壳体；16目标零件。
具体实施方式
在图1中，具有平台、斜坡、内孔结构的三维CAD模型1，首先在Z向进行自动分层切片，对于其中的某一层，该处的零件截面2，将前一层截面3和后一层截面4的轮廓向零件外部等距2个或2个以上的激光半径的距离，分别得到前一层延伸截面5和后一层延伸截面6，将前后两层新截面5、6求和之后减去零件截面2，得到的组合区域7以间距等于或略小于激光半径的线段进行填充，填充线段8为该层的激光扫描路径信息。
成形腔9内的升降平台10在计算机11的控制下降低一个层厚，铺粉装置12在成形腔内9运动铺上一层粉末，铺粉同时或者铺粉结束后铺粉装置12后部的加热管13对该层粉末进行加热，使粉末与下面的粉床预固结在一起。
计算机11控制激光束14沿着填充线段8对该层粉末进行扫描，被激光束14照射到的粉末材料外表面的覆膜层碳化，失去烧结性能，同时碳化失效区穿透一层粉末的厚度。
循环B、C过程直至该零件加工结束，在零件表面包覆的粉末形成了完全包覆零件的没有粘接强度的碳化失效壳体15。
对零件整体加热，加热后的固结件以碳化失效壳体15进行分离，得到目标零件16。

Claims (2)

1.一种覆膜粉末材料激光壳型失效快速成形方法，其特征在于，包括步骤以下：
A.在计算机上完成三维CAD模型(1)的造型，在Z向进行自动分层切片，选取其中某一层的零件截面(2)，将前一层截面(3)和后一层截面(4)的轮廓向零件外部等距2个或2个以上的激光半径的距离，分别得到前一层延伸截面(5)和后一层延伸截面(6)，将前一层延伸截面(5)和后一层延伸截面(6)求和之后减去零件截面(2)，得到的组合区域(7)以间距等于或小于激光半径的线段进行填充，填充线段(8)为该层的激光扫描路径信息；
B.成形腔(9)内的升降平台(10)在计算机(11)控制下降低一个所在层的层厚，铺粉装置(12)在成形腔(9)内运动铺上一层粉末，铺粉同时或者铺粉结束后铺粉装置(12)后部的加热管(13)对该层粉末进行加热，使粉体材料的温度高于表层膜的融化点温度，使粉末与前一层的粉床预固结在一起；
C.计算机(11)控制激光束(14)沿着填充线段(8)对该层粉末进行扫描，被激光束(14)照射到的粉末材料外表面的覆膜层碳化；材料的表层膜受热到高于烧结温度以上，表层膜被碳化，失去粘接性能，同时碳化失效区穿透所在层粉末的厚度；
D.循环B、C过程直至该零件加工结束，在零件表面包覆的粉末形成了完全包覆零件的没有粘接强度的碳化失效壳体(15)；
E.对零件整体加热，加热后的固结件与碳化失效壳体(15)进行分离，得到目标零件(16)。
2.根据权利要求1所述的覆膜粉末材料激光壳型失效快速成形方法，其特征在于，铺粉装置(12)后部配有两根以上的加热管(13)，铺粉的同时加热管(13)开启对粉体加热。
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