CN104139186B - 一种用于锡成型的快速成型装置及成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于锡成型的快速成型装置及成型方法，其包括三维数控平台，三维数控平台上设置有承载平台，其中，所述承载平台上方设置有成型材料挤出仓与支撑材料挤出仓，成型材料挤出仓与支撑材料挤出仓上均设置有挤出机构，挤出机构包括出料管路，出料管路与挤出管路相连接，出料管路与挤出管路之间设置有能转动的螺杆，螺杆与一伺服电机相连接；以及利用成型装置的成型方法。实现了非加热工艺的锡快速成型，目前的锡快速成型技术都需要激光等热加工，本发明不需要热加工；快速成型所需环境温度在零下21°到零上93度之间，成型速度较快，是目前激光选择性烧结成型技术的5倍，其造价仅是选择性激光烧结系统的大约10%。

Description

一种用于锡成型的快速成型装置及成型方法

技术领域

本发明属于快速成型领域，尤其涉及一种用于锡成型的快速成型装置及成型方法。

背景技术

锡快速成形技术（RapidPrototyping，简称RP）是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称。首先设计出所需零件的计算机三维模型（数字模型、CAD模型），然后根据工艺要求，按照一定的规律将该模型离散为一系列有序的单元，通常在Z向将其按一定厚度进行离散（通常称为分层），把原来的三维CAD模型变成一系列的层片；再根据每个层片的轮廓信息，输入加工参数，自动生成数控代码；最后由成形机成形一系列层片，这些层片在不断在Z方向累积，得到一个三维空间物理实体。

锡材料的快速成型，主要有两种方法，一种叫做SLS选择性激光烧结，该法采用激光器作能源，使用的造型材料为各种金属粉未材料。在工作台上均匀铺上一层很薄的(100μ-200μ)粉未，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未，再进行打磨、烘干等处理便获得零件。另外一种叫做多层激光熔覆（DED：DirectMetalDeposition），相当于多层激光熔覆，利用激光或其它能源在材料从喷嘴输出时同步熔化材料，凝固后形成实体层，逐层叠加最终形成三维实体零件。DED的成型精度较低，但是成型空间不受限制，因而常用于制作大型金属零件的毛坯。以上两种快速成型方法都需要激光或其他热源将金属熔化，加工过程复杂，设备造价昂贵。

因此，现有技术还有待于更进一步的改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于锡成型的快速成型装置及成型方法。

本发明的技术方案如下：

一种用于锡成型的快速成型装置，其包括三维数控平台，三维数控平台上设置有承载平台，其中，所述承载平台上方设置有成型材料挤出仓与支撑材料挤出仓，成型材料挤出仓与支撑材料挤出仓上均设置有挤出机构，挤出机构包括出料管路，出料管路与挤出管路相连接，出料管路与挤出管路之间设置有能转动的螺杆，螺杆与一伺服电机相连接。

所述的快速成型装置，其中，成型材料挤出仓与支撑材料挤出仓相同，成型材料挤出仓包括一物料仓，物料仓下方设置有锥形仓，锥形仓与出料管路相连接。

所述的快速成型装置，其中，出料管路直径大于挤出管路直径，出料管路直径为0.35mm-0.65mm，挤出管路直径为0.07mm-0.12mm。

所述的快速成型装置，其中，螺杆每个脉冲的转动角度为0.0031°,伺服电机的脉冲频率为180Hz-220Hz。

一种使用所述快速成型装置的成型方法，其包括以下步骤：

A、将常温下具有定型的β锡制成厚度不大于12mm的锡板，将锡板置于零下17C°至零下21C°的环境中，冷冻3小时以上后，将β锡转变成α锡，将α锡的灰锡放入320目筛网过目，过目过程在零下9C°以下进行，过目后得到的320目以上α锡的锡粉末，粉末中值粒径0.0011mm，粒径复合正态分布；

B、将α锡的锡粉末运用逐点累积方法将粉末形成三维结构，在温度为87-93°的条件下，静置85分钟以上，通过三维数控平台完成粉末到定型的相变，形成三维实体，完成成型过程。

本发明提供的一种用于锡成型的快速成型装置及成型方法，实现了非加热工艺的锡快速成型，目前的锡快速成型技术都需要激光等热加工，本发明不需要热加工；快速成型所需环境温度在零下21°到零上93度之间，比较容易满足，成型速度较快，是目前激光选择性烧结成型技术的5倍，本发明成型装置结构简单，造价仅是选择性激光烧结系统的大约10%。

附图说明

图1为本发明中快速成型装置的结构示意图；

图2为本发明中快速成型装置俯视结构示意图；

图3为本发明中挤出机构的结构示意图；

图4为本发明中成型材料挤出仓的结构示意图；

图5为本发明中成型材料的切面结构示意图；

图6为本发明中成型材料的结构示意图；

图7为本发明中成型材料挤出点的排列结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种用于锡成型的快速成型装置及成型方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种用于锡成型的快速成型装置，如图1、图2、图3与图4所示的，其包括三维数控平台1，三维数控平台1上设置有承载平台2，所述承载平台2上方设置有成型材料挤出仓3与支撑材料挤出仓4，成型材料挤出仓3与支撑材料挤出仓4上均设置有挤出机构5，挤出机构5包括出料管路6，出料管路6与挤出管路7相连接，出料管路6与挤出管路7之间设置有能转动的螺杆8，螺杆8与一伺服电机9相连接。

三维数控平台1可以在XYZ三个方向移动，移动速度和位移受计算机控制，也可以采用现有技术的相关手段。成型材料挤出仓3的挤出机构5用于挤出成型材料锡金属粉末，支撑材料挤出仓4的挤出机构5用于挤出支撑模型的其他粉末。伺服电机9采用脉冲驱动。出料管路6直径大于挤出管路7直径，出料管路6直径为0.35mm-0.65mm，挤出管路7直径为0.07mm-0.12mm。螺杆8每个脉冲的转动角度为0.0031°,伺服电机9的脉冲频率为180Hz-220Hz，成型装置还包括低温箱和恒温箱，低温箱其温度范围在-25C°至-5C°之间，恒温箱温度范围在80°C-100°C。

三维数控平台1由计算机控制系统，由三维成型软件扫描处理，一个圆筒体为例，如图5、图6与图7所示的，分层后其二维图形是一个同心圆筒，按照控制程序，挤出管路7在圆筒的内部区域，挤出成型材料，如图5所示的，在圆筒12之外的其他区域13是挤出支撑材料。

成型材料挤出仓3与支撑材料挤出仓4分别装有灰锡粉和支撑粉末，料仓底部有挤出管路7。在挤出管路7处依靠螺杆8的旋转将粉末从对应挤出仓挤出，粉末挤出量与螺杆8旋转角度成比例。螺杆8与伺服电机9联接，伺服电机9采用脉冲驱动，每个脉冲转动0.0031°，脉冲频率在180-220Hz区间。控制螺杆8的转角和角速度，可以控粉末制挤出量以及粉末挤出后的形态。按照上述频率驱动时，挤出粉末呈锥形圆台型，如图6所示。圆台底直径=0.005-0.0065mm，圆台高=0.002-0.0025mm,侧边角=20-25°。

更进一步的，如图4所示的，成型材料挤出仓3与支撑材料挤出仓4相同，成型材料挤出仓3包括一物料仓10，物料仓10下方设置有锥形仓11，锥形仓11与出料管路6相连接；采用物料仓10与锥形仓11的结构方式可以使物料运行更流畅与平稳。并且出料管路6直径大于挤出管路7直径，出料管路6直径为0.35mm-0.65mm，挤出管路7直径为0.07mm-0.12mm。螺杆8每个脉冲的转动角度为0.0031°,伺服电机9的脉冲频率为180Hz-220Hz。

本发明还提供了一种使用所述快速成型装置的成型方法，其具体的包括以下步骤：

将常温下具有定型的β锡制成厚度不大于12mm的锡板，将锡板置于零下17C°至零下21C°的环境中，冷冻3小时以上后，将β锡转变成α锡，将α锡的灰锡放入320目筛网过目，过目过程在零下9C°以下进行，过目后得到的320目以上α锡的锡粉末，粉末中值粒径0.0011mm，粒径复合正态分布；

将α锡的锡粉末运用逐点累积方法将粉末形成三维结构，在温度为87-93°的条件下，静置85分钟以上，通过三维数控平台完成粉末到定型的相变，形成三维实体，完成成型过程。

其更具体的是：三维数控平台1到达指定的位置，挤出管路7在指定的位置挤出粉末，如图7所示的，挤出粉末的点距纵向间距W和横向间距V在0.003-0.0045mm之间，一般取W与V相等。如图5所示，在成型模型实体之外的其他地方，需要加入支撑材料。支撑材料可以是320目以上的石英砂、铝粉、铁粉等等。支撑材料挤出原理和成型材料一样，在需要的位置挤出用于支撑粉末材料。这样由成型材料和支撑材料逐点挤出形成一层，之后三维数控平台1下降一层，层高度在0.03-0.045mm。最后由多个层形成三维结构，三维结构完成后，置入环境温度为摄氏87C°-93C°的恒温箱，静置超过90分钟后，粉末状的α锡已经转变为具有固定形状的β锡，形成三维实体。支撑材料没有发生相变还是粉末状态，绝大部分支撑材料都会很容易和实体分离，但是边角缝隙部位可能有些残留，表面也会粘附薄薄的一层支撑材料粉末，可以用压缩空气吹净。如果希望表面光滑一些，可以采用160目以上的石英砂进行表面喷砂处理。

其具体关键为：利用锡金属随温度改变而发生相变，将α锡粉末形成β锡定型实体。在零下17-21°温度下，将α锡粉末运用逐点累积方法将粉末形成三维结构，在温度为87-93°的条件下，静置85分钟以上，完成粉末到定型的相变，形成三维实体。α锡粉末目数在320以上，粉末中值粒径在0.0011mm，复合正态分布。出料管路6直径在0.35mm-0.65mm，挤出管路7直径在0.07mm-0.12mm，挤出管路7长度在1.10mm-1.35mm。螺杆8采用脉冲驱动，每个脉冲转动0.0031°，伺服电机9的脉冲频率在180Hz-220Hz区间。只有通过本发明特定的工艺，才能实现非加热工艺的锡快速成型，目前的锡快速成型技术都需要激光等热加工，本发明不需要热加工；快速成型所需环境温度在零下21°到零上93度之间，比较容易满足，成型速度较快，是目前激光选择性烧结成型技术的5倍，本发明成型装置结构简单，造价仅是选择性激光烧结系统的大约10%。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种用于锡成型的快速成型装置的成型方法，所述快速成型装置包括三维数控平台，三维数控平台上设置有承载平台，其特征在于，所述承载平台上方设置有成型材料挤出仓与支撑材料挤出仓，成型材料挤出仓与支撑材料挤出仓上均设置有挤出机构，挤出机构包括出料管路，出料管路与挤出管路相连接，出料管路与挤出管路之间设置有能转动的螺杆，螺杆与一伺服电机相连接；所述方法包括以下步骤：

A、将常温下具有定型的β锡制成厚度不大于12mm的锡板，将锡板置于零下17C°至零下21C°的环境中，冷冻3小时以上后，将β锡转变成α锡，将α锡的灰锡放入320目筛网过目，过目过程在零下9C°以下进行，过目后得到的320目以上α锡的锡粉末，粉末中值粒径0.0011mm，粒径复合正态分布；

B、将α锡的锡粉末运用逐点累积方法将粉末形成三维结构，在温度为87-93°的条件下，静置85分钟以上，通过三维数控平台完成粉末到定型的相变，形成三维实体，完成成型过程。