CN104708820B - 基于光固化3d打印的金属嵌件树脂零件快速制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光固化3D打印技术的金属嵌件树脂零件快速制造方法，它属于3D打印技术领域。本发明首先按照传动轴及零件实际形状大小设计并机加工制造金属嵌件，然后设计定位环三维模型并将其光固化3D打印成形，将金属嵌件插入定位环实现精确定位，最后设计零件三维模型并将其光固化3D打印成形，最终得到金属嵌件树脂零件；本发明操作简单，定位精度高，且采用光固化3D打印技术将树脂零件直接一次3D打印成形，整个制造过程中无需模具，既节约了模具制造成本，又缩短了零件制造周期，提高了产品开发效率，可快速制造金属嵌件树脂零件。
Description
技术领域
本发明涉及一种方法，尤其是涉及一种基于光固化3D打印的金属嵌件树脂零件快速制造方法，它属于3D打印技术领域。
背景技术
3D打印技术是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术，被称为“具有工业革命意义的制造技术”。3D打印技术的制造原理是基于“增材制造”的思想，它与传统的加工工艺通过切削、打磨、冲压等来实现产品成型的过程具有本质区别，仅利用三维设计数据在一台设备上即可快速而精确地制造出任意复杂形状的零件，且无需模具，有效缩短了加工周期，易于实现单件小批量复杂形状产品的快速制造，在非批量化生产中具有明显的成本和效率优势，目前较为主流的3D打印技术有光固化、选择性激光烧结、熔融沉积以及切纸层叠等几种，其中光固化3D打印技术发展最成熟、打印精度最高。
塑料工业在当今世界上占有极为重要的地位，相对于金属、石材、木材，塑料零件具有成本低、可塑性强等优点，被广泛地应用于石油、化工、电力、冶金、食品等国民经济的各行各业。但是，在传动机械领域，由于塑料本身的机械强度远低于金属材料，如果将塑料零件直接通过平键或螺纹与传动轴连接以传递转矩和转速，其连接部位很容易遭受破坏。因此，通常将一个机械强度更高的金属嵌件包裹到塑料零件内部形成一个整体零件，金属嵌件自带平键槽或者螺纹用于连接传动轴；这种含金属嵌件的塑料零件首先通过机加工制造金属嵌件，然后通过注塑模具进行注射成型，制造工艺较复杂，模具制造成本高，生产周期长，尤其是在新产品开发试制阶段，直接影响产品开发效率，难以适应快速多变的市场需求。
由于光固化3D打印技术采用的树脂材料的强度、硬度等各项性能指标与塑料比较接近，在很多塑料零件新产品性能试验过程中，可采用光固化3D打印技术快速制造相同形状的树脂零件样品以替代塑料零件进行各项新产品性能试验。因此，设计一种无需模具的树脂零件及其金属嵌件整体快速制造工艺，在金属嵌件塑料零件新产品开发阶段具有重要意义。
公开日为2015年02月04日，公开号为104325642A的中国专利中，公开了一种名称为“一种高精度光固化树脂成型的3D打印机”的发明专利。该专利包括LED光源，LED光源四周与上部的菲涅尔透镜之间设置光通，菲涅尔透镜面积大小可覆盖液晶屏，液态树脂存放在储液槽中；在储液槽的上部设置打印平台，打印平台上表面连接固定板，固定板与升降臂连接，升降臂固定在升降柱上，升降柱设置在升降底座上。本发明虽然实现了高精度高效率的 3D 打印，但是制造工艺较复杂，模具制造成本高，且无法实现树脂零件及其金属嵌件整体快速制造，故其还是存在上述缺陷。
公开日为2014年04月16日，公开号为103722127A的中国专利中，公开了一种名称为“一种基于光固化(SL)的快速熔模铸造方法”的发明专利。该专利运用 3D 打印技术制作的树脂原型代替熔模铸造中的蜡型，树脂原型为薄壁的蜂窝结构，内浇道设置在树脂原型上，浇注系统采用常规的蜡浇注系统，在蜡浇注系统上设置凹槽，组树时内浇道插入凹槽中粘接固定 ；在树脂原型上设置蜡棒，制壳后形成排气孔。该方法虽然降低了铸造成本，但是，该方法不适用于金属嵌件树脂零件，故其还是存在缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种工艺合理、生产周期短、生产成本低、制造精度高的基于光固化3D打印的金属嵌件树脂零件快速制造方法。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该基于光固化3D打印的金属嵌件树脂零件快速制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）设计并制造金属嵌件
按照传动轴及零件实际形状大小设计一个适当大小、形状的金属嵌件，在金属嵌件与传动轴连接端设计一个用于连接传动轴的轴向连接孔，并在金属嵌件与树脂零件结合处的外表面设计一些微小凹凸结构，设计完成后机加工制造金属嵌件；
（2）金属嵌件安放定位
通过三维建模软件设计并建立一个定位环三维模型，设计定位环的内部径向形状尺寸及定位环高度尺寸；
将设计完成的定位环三维模型转换成STL格式导入前处理软件进行定位环前处理，将定位环模型放置在3D打印机工作平台表面某个位置，分层处理，再将完成分层处理的定位环模型数据导入光固化3D打印机，在RpBuild工艺控制软件中设置好工艺参数后开始光固化3D打印成形，制作完成后在3D打印机工作平台表面生成了一个树脂定位环，将加工好的金属嵌件插入该树脂定位环；
（3）树脂零件3D打印成形
通过三维建模软件设计并建立零件三维模型；将设计完成的零件三维模型转换成STL格式导入前处理软件进行前处理，将零件模型放置在与定位环模型二维平面坐标完全一致的工作平台表面水平方向位置，设计零件模型底面相对于3D打印机工作平台的高度，设计工艺支撑并分层处理；
将完成分层处理的零件模型数据导入光固化3D打印机，在RpBuild工艺控制软件中设置好工艺参数，并关闭刮平系统，在金属嵌件精确安放在工作平台的基础上直接开始光固化3D打印成形，制作完成后得到一个带支撑的紧密包裹金属嵌件的树脂零件，并进行后处理，最终制得金属嵌件树脂零件。
上述步骤的效果：结构合理，步骤简单，采用光固化3D打印技术将树脂零件直接一次3D打印成形，整个制造过程中无需模具，既节约了模具制造成本，又缩短了零件制造周期，提高了产品开发效率，可快速制造金属嵌件树脂零件。
作为优选，本发明所述步骤（1）中，金属嵌件设计成空心圆柱形结构，该金属嵌件外径应至少比传动轴直径大10mm，且金属嵌件长度至少比与传动轴连接部分长20mm；以保证金属嵌件与传动轴的连接强度符合工作强度要求，且金属嵌件长度尺寸要确保留有足够的嵌入深度，以提高树脂零件与金属嵌件的包裹强度。
作为优选，本发明所述步骤（1）中，金属嵌件的轴向连接孔设计成带螺纹或带键槽的轴向通孔或轴向盲孔结构。
作为优选，本发明所述步骤（1）中，金属嵌件与树脂零件结合处的外表面的微小凹凸结构设计成径向沟槽以及轴向表面直纹组合结构；有利于提高嵌件与叶轮的包裹强度。
作为优选，本发明所述步骤（2）中，三维建模软件采用Pro/E、UG和SolidWorks中的一种 ；也可选用其他的三维建模软件。
作为优选，本发明所述步骤（2）中，定位环的壁厚尺寸为1-5mm，定位环的内部径向尺寸比相应的金属嵌件外径尺寸大0.01-0.2mm，定位环的高度尺寸为5-20mm；以刚好能紧密插入并精确定位金属嵌件为宜，且不得干涉后续树脂零件打印成形过程。
作为优选，本发明步骤（2）中，在前处理软件中定位环设计成紧贴3D打印机工作平台表面或将定位环设计成通过一定高度的支撑间接生成在3D打印机工作平台表面。
作为优选，本发明所述步骤（2）中，前处理软件采用RPDATA和Imageware中的一种；也可选用其他的前处理软件。
作为优选，本发明所述步骤（3）中，零件与金属嵌件结合处的内孔径向尺寸设计成比相应的金属嵌件外径尺寸小5mm以上，内孔深度尺寸设计成10mm以上；以保证树脂零件与金属嵌件包裹强度。
作为优选，本发明所述步骤（3）中，后处理包括依次进行清洗、去支撑、后固化和表面打磨。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：1、通过设计并3D打印一个紧密环绕金属嵌件的定位环，减小了金属嵌件安放定位过程中的人工误差，操作简单，定位精度高，且定位牢固可靠；2、采用前处理软件布置定位环模型及零件模型的三维坐标位置，以软件定位的方式来保证树脂零件及金属嵌件的相对定位精度，避免了人工定位误差，提高了定位精度；3、在完成金属嵌件安放定位的基础上，采用光固化3D打印技术将树脂零件直接一次3D打印成形，整个制造过程中无需模具，既节约了模具制造成本，又缩短了零件制造周期，提高了产品开发效率，可快速制造金属嵌件树脂零件。
附图说明
图1是本发明实施例的工艺流程示意图。
图2为本发明实施例金属嵌件半剖结构示意图。
图3为本发明实施例定位环半剖结构示意图。
图4为本发明实施例金属嵌件在工作平台上安放定位后的半剖结构示意图。
图5为本发明实施例叶轮正视结构示意图。
图6为本发明实施例叶轮剖面结构示意图。
图7为本发明实施例树脂叶轮打印成形后的剖面结构示意图。
图8为本发明实施例最终制得的金属嵌件树脂叶轮剖面结构示意图。
图中：金属嵌件1，定位环2，叶轮3，径向沟槽4，轴向表面直纹5，螺纹6，3D打印机工作平台7，支撑8，树脂槽9，金属嵌件外径D1，金属嵌件长度L1，定位环内径D2，定位环高度L2，定位环壁厚T1，叶轮内孔直径D3，叶轮内孔深度L3，叶轮底面高度H1。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例。
参见图1-图8，一种基于光固化3D打印的金属嵌件树脂零件快速制造方法，包括以下步骤：（1）设计并制造金属嵌件1
参见图2，按照传动轴及叶轮3实际形状大小设计一个适当大小的圆柱形金属嵌件1，一般要求金属嵌件外径D1应至少比传动轴直径大10mm，以保证金属嵌件1与传动轴的连接强度符合工作强度要求，且一般要求金属嵌件1长度L1应至少比与传动轴连接部分长20mm，确保留有足够的嵌入深度，以提高树脂叶轮3与金属嵌件1的包裹强度。
在金属嵌件1与传动轴连接端设计一个带螺纹6或者带键槽的用于连接传动轴的轴向盲孔，并在金属嵌件1与叶轮3结合处的圆柱外表面设计径向沟槽4以及轴向表面直纹5，以增大结合面表面粗糙度，有利于提高嵌件与叶轮3的包裹强度。设计完成之后采用车、铣、镗、磨等机加工方法制造金属嵌件1。
（2）金属嵌件1安放定位
参见图3，基于三维建模软件，如Pro/E、UG、SolidWorks等，设计并建立一个定位环壁厚T1为1-5mm的空心圆柱形三维模型，设计定位环内径D2一般比金属嵌件1外径D1大0.01-0.2mm，设计定位环高度L2一般为5-20mm，以刚好能紧密插入并精确定位金属嵌件1为宜，且不得干涉后续树脂零件打印成形过程。
将设计完成的定位环2三维模型转换成STL格式导入前处理软件，如RPDATA、Imageware等进行前处理，将定位环2模型紧贴3D打印机工作平台7放置在平台中心位置，分层处理。
将完成分层处理的定位环2模型数据导入光固化3D打印机，在RpBuild工艺控制软件中设置好工艺参数后开始光固化3D打印成形，制作完成后在3D打印机工作平台7中心位置生成了一个圆柱形定位环2。
参见图4，将前述加工好的金属嵌件1插入该树脂定位环2，金属嵌件1连接轴端面朝下紧贴3D打印机工作平台7，以精确控制金属嵌件1轴向高度位置。
（3）树脂零件3D打印成形
参见图5-图6，基于三维建模软件，如Pro/E、UG、SolidWorks等，建立叶轮3三维模型，其中叶轮3与金属嵌件1结合处的叶轮内孔直径D3一般设计成比相应的金属嵌件外径D1小5mm以上，嵌入深度，即叶轮内孔深度L3一般设计成10mm以上，以保证树脂叶轮3与金属嵌件1包裹强度。
参见图7，将设计完成的叶轮3三维模型转换成STL格式导入前处理软件如RPDATA、Imageware等进行前处理，将叶轮3模型放置在3D打印机工作平台7中心位置，使叶轮3模型与定位环2模型的二维平面坐标完全一致，以保证金属嵌件1与整体树脂叶轮3的径向同轴度，设计叶轮3模型底面相对于3D打印机工作平台的高度，即叶轮底面高度H1=L1-L3，以保证叶轮3与金属嵌件1轴向相对高度位置，设计工艺支撑并分层处理，3D打印机工作平台7的下方为树脂槽9。
将完成分层处理的叶轮3模型数据导入光固化3D打印机，在RpBuild工艺控制软件中设置好工艺参数，并关闭刮平系统，在前述金属嵌件1精确安放在工作平台的基础上直接开始光固化3D打印成形，制作完成后得到一个带支撑的紧密包裹金属嵌件1的树脂叶轮3。
参见图8，将制作完成得到的金属嵌件树脂叶轮3依次进行清洗、去支撑、后固化、表面打磨等后处理工序，以提高金属嵌件树脂叶轮3的尺寸精度、强度、表面质量等性能,最终制得金属嵌件树脂叶轮3零件。
本实施例中的金属嵌件1设计成空心圆柱形并在表面设计径向沟槽4与轴向表面直纹5，也可根据实际需要将金属嵌件1设计成其它形状，并在其表面采取相应的能够增加表面粗糙度的措施，相应地改变定位环2的形状、尺寸设计，并改变叶轮3与金属嵌件1结合处的内孔形状、尺寸设计。
本实施例中的定位环2直接设计在3D打印机工作平台7表面，以提高定位环2与3D打印机工作平台7表面的结合强度，使插入金属嵌件1时定位环2不易被破坏且减小人为误差；也可将定位环2通过一定高度的支撑间接生成在3D打印机工作平台7表面，以便于去除支撑，但是相应的定位环2与工作平台表面的结合强度降低，在插入金属嵌件1时容易破坏定位环2且容易造成较大的人工定位误差。具体采用哪种方式设计定位环2需根据实际情况确定。
本实施例中的定位环2设计在3D打印机工作平台7中心位置，也可将定位环2设计在3D打印机工作平台7其它位置，只需相应地在叶轮3模型前处理过程中将叶轮3放置在3D打印机工作平台7同样位置，使叶轮3模型与定位环2模型的二维平面坐标完全一致，以保证叶轮3跟金属嵌件1径向同轴度即可。
本实施例采用前处理软件设计布置定位环2数据模型并将定位环2直接3D打印成形，不仅减小了金属嵌件1安放定位过程中的人工误差，操作简单，定位精度高，而且将定位环2设计成紧密环绕金属嵌件1结构，定位牢固可靠。之后同样采用前处理软件布置定位叶轮3模型并将叶轮3直接3D打印成形，采用软件定位的方式来保证树脂叶轮3与金属嵌件1的相对定位精度。
本实施例在完成金属嵌件1安放定位的基础上，采用光固化3D打印技术将树脂叶轮3直接一次3D打印成形，可快速制造金属嵌件树脂叶轮3，制造精度高，且整个制造过程中无需模具，既节约了模具制造成本，又缩短了零件制造周期，在金属嵌件1塑料零件新产品开发试制过程中具有较大的实际应用价值。
本实施例附图中的金属嵌件1、定位环2、叶轮3仅仅是为了解释本发明而设定的一个典型的应用实例，并不影响本发明实际适用零件范围的广泛性。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于光固化3D打印的金属嵌件树脂零件快速制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）设计并制造金属嵌件
按照传动轴及零件实际形状大小设计一个适当大小、形状的金属嵌件，在金属嵌件与传动轴连接端设计一个用于连接传动轴的轴向连接孔，并在金属嵌件与树脂零件结合处的外表面设计一些微小凹凸结构，设计完成后机加工制造金属嵌件；
（2）金属嵌件安放定位
通过三维建模软件设计并建立一个定位环三维模型，设计定位环的内部径向形状尺寸及定位环高度尺寸；
将设计完成的定位环三维模型转换成STL格式导入前处理软件进行定位环前处理，将定位环模型放置在3D打印机工作平台表面某个位置，分层处理，再将完成分层处理的定位环模型数据导入光固化3D打印机，在RpBuild工艺控制软件中设置好工艺参数后开始光固化3D打印成形，制作完成后在3D打印机工作平台表面生成了一个树脂定位环，将加工好的金属嵌件插入该树脂定位环；
（3）树脂零件3D打印成形
通过三维建模软件设计并建立零件三维模型；将设计完成的零件三维模型转换成STL格式导入前处理软件进行前处理，将零件模型放置在与定位环模型二维平面坐标完全一致的工作平台表面水平方向位置，设计零件模型底面相对于3D打印机工作平台的高度，设计工艺支撑并分层处理；
将完成分层处理的零件模型数据导入光固化3D打印机，在RpBuild工艺控制软件中设置好工艺参数，并关闭刮平系统，在金属嵌件精确安放在工作平台的基础上直接开始光固化3D打印成形，制作完成后得到一个带支撑的紧密包裹金属嵌件的树脂零件，并进行后处理，最终制得金属嵌件树脂零件。
2.根据权利要求1所述的基于光固化3D打印的金属嵌件树脂零件快速制造方法，其特征在于：所述步骤（1）中，金属嵌件设计成空心圆柱形结构，该金属嵌件外径应至少比传动轴直径大10mm，且金属嵌件长度至少比与传动轴连接部分长20mm。
3.根据权利要求1所述的基于光固化3D打印的金属嵌件树脂零件快速制造方法，其特征在于：所述步骤（1）中，金属嵌件的轴向连接孔设计成带螺纹或带键槽的轴向通孔或轴向盲孔结构。
4.根据权利要求1所述的基于光固化3D打印的金属嵌件树脂零件快速制造方法，其特征在于：所述步骤（1）中，金属嵌件与树脂零件结合处的外表面的微小凹凸结构设计成径向沟槽以及轴向表面直纹组合结构。
5.根据权利要求1所述的基于光固化3D打印的金属嵌件树脂零件快速制造方法，其特征在于：所述步骤（2）中，三维建模软件采用Pro/E、UG和SolidWorks中的一种。
6.根据权利要求1所述的基于光固化3D打印的金属嵌件树脂零件快速制造方法，其特征在于：所述步骤（2）中，定位环的壁厚尺寸为1-5mm，定位环的内部径向尺寸比相应的金属嵌件外径尺寸大0.01-0.2mm，定位环的高度尺寸为5-20mm。
7.根据权利要求1所述的基于光固化3D打印的金属嵌件树脂零件快速制造方法，其特征在于：所述步骤（2）中，在前处理软件中定位环设计成紧贴3D打印机工作平台表面或将定位环设计成通过一定高度的支撑间接生成在3D打印机工作平台表面。
8.根据权利要求1或7所述的基于光固化3D打印的金属嵌件树脂零件快速制造方法，其特征在于：所述步骤（2）中，前处理软件采用RPDATA和Imageware中的一种。
9.根据权利要求1所述的基于光固化3D打印的金属嵌件树脂零件快速制造方法，其特征在于：所述步骤（3）中，零件与金属嵌件结合处的内孔径向尺寸设计成比相应的金属嵌件外径尺寸小5mm以上，内孔深度尺寸设计成10mm以上。
10.根据权利要求1所述的基于光固化3D打印的金属嵌件树脂零件快速制造方法，其特征在于：所述步骤（3）中，后处理包括依次进行清洗、去支撑、后固化和表面打磨。
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