CN105170974A - 一种快速成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速成型方法，该方法为选取激光熔化快速成型方法，根据零件的CAD几何模型，通过软件对模型分析离散，用激光将合金粉末分层熔化，控制数控系统逐层堆积，最终形成致密的实体，包括：三轴数控系统、控制计算机、激光发生器、送粉器和保护气体回路组成。三轴数控系统包括X-Y水平运动和Z轴的垂直运动。激光器能量为200W——500W，光斑直径为0.4mm——3mm，激光扫描速度为5mm/s——30mm/s，成型速度为3——10mm3/s。该发明采用添加材料的方法实现零件成型，节约成本，成型迅速，缩短零件的生产周期，并且不受零件复杂程度的限制，应用范围非常广泛。
Description
技术领域
本发明涉及一种快速成型方法。
背景技术
随着社会需要和科学技术的发展，特别是全球经济“一体化”程度的不断提高，产品的竞争越来越激烈，更新的周期和投放市场的时间越来越短。市场的残酷竞争要求设计者不但能根据市场的要求很快地设计出新产品，而且能在尽可能短的时间内制造出产品的样品，进行各种必要的性能测试，根据试结果进行修改，最后形成投放市场的定型产品，降低投资风险。
快速成型技术正是在这种背景下发展并不断成熟起来并于上个世纪80年代中后期开始商品化的一种高新制造技术。快速成型技术(RapidPrototyping，简称RP：RapidPrototyping&Manufacturing，简称RPM)能很快地将产品零件的计算机辅助设计模型(CAD模型)转换为物理模型、零件原型或零件，而无需任何专用工具及工装。
对于制造业来说，设计过程及制造过程中的信息通过数字表述后，产生的计算机辅助设计(CAD)及计算机辅助制造(CAM)技术加快了设计与制造过程的速度，提高了这一过程的柔性及可控性，为制造业带来了一场革命。CAD和CAM技术可视为一种数字驱动的设计和制造技术。而快速成型技术则是继CAD和CAM技术之后的又一项为设计和制造带来巨大变革的新技术。
快速成型技术原理
快速成型技术是由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向将其按一定的厚度进行离散(习惯称为“分层”)，把原来的CAD模型变成一系列的层片；再根据每个层片的二维信息(截面或轮廓)，输入加工参数，自动生成数控代码：最后由成型机成型一系列层片并自动将它们联接起来，得到与三维CAD模型相一致的三维实体。这样就将一个复杂的三维加工转变成为一系列二维层片的加工，因此大大降低了加工难度，这也就是所谓的降维制造。
快速成型技术最大的特点就在于其制造的高柔性，即无需任何专用的刀具和夹具，由零件的CAD模型直接驱动设备完成零件或零件原形的成型制造；只需改变零件的CAD模型，就能很方便地获得相应的零件或原形，使得成型过程的难度与待成型物理实体形状的复杂程度无关。离散化的终极发展是数字化，因为研究对象通过离散后还可以是模拟量的集合，而数字化则是将研究对象彻底离散成数字量的集合。离散数字方法和数字技术是数字计算机的理论和技术基础，而数字计算机和数字控制技术则进一步促进了离散方法乃至数字化方法在各行各业中的广泛应用。数字计算机技术在制造业中的广泛应用使得其信息过程实现了数字化描述，从而大大加强了信息过程与物理过程之间结合的紧密程度，由此产生了计算机数控技术(CNC)、柔性制造系统(FMS)技术、计算机集成制造系统(CIMS)技术和数值模拟技术等。
传统成型方法过程(去除成型和受迫成型)应用了数字计算机技术后，产生的数字驱动设计和数字驱动制造实现了信息过程的数字化以及对成型工具的数字化控制，但对于成型过程中材料的转移这一物理过程则仍是一种完全被动的、未经数字控制的过程。材料是成型过程最终作用的对象和目标，所以，从这一角度看，这类方法属于模拟成型，或者说是“数字驱动模拟成型”。快速成型技术不仅实现了信息过程的数字化，而且实现了物理过程的数字化。其材料的转移过程是利用材料的叠加性，在数字化信息控制下，采用按需添加的方式，在三维空间内数字化地分步将材料逐渐堆积起来成型(这进一步提高了制造过程的柔性)。所以，从成型过程中材料转移的特征来看，快速成型技术又可称为“数字化成型技术”。
数字化是信息时代和数字化时代成型方式的重要发展趋势之一，也就是说，成型技术的发展趋势之一就是数字成型。目前各种快速成型工艺基本上可以认为是一种“数字化”的成型方式，是充分利用数字方法控制成型材料按序堆积的成型技术，它是成型技术的重要发展方向之一。
1.1.2快速成型技术特点
快速成型技术具有以下几个基本特点：
(1)由CAD模型直接驱动。
快速成型技术实现了设计与制造一体化，在快速成型工艺中，计算机中的CAD模型数据通过接口软件转化为直接驱动快速成型设备的数控指令，快速成型设备根据数控指令完成原型或零件的加工。由于快速成型以分层制造为基础，可以较方便地进行路径规划，将CAD结合在一起，实现设计制造一体化，这也是直接驱动的含义。
(2)可以制造具有任意复杂形状的三维实体。
快速成型技术由于采用分层制造工艺，将复杂的三维实体离散成一系列层片加工，从而大大简化了加工过程。它可以加工复杂的中空结构且不存在三维加工中刀具干涉的问题，因此理论上可以制造具有任意复杂形状的原型和零件。
(3)成型设备是无需专用夹具或工具的通用机器。
快速成型技术在成型过程中无需专用的夹具或工具，成型过程具有极高的柔性，这是快速成型技术非常重要的一个技术特征。对于不同的零件，不需要制造传统工艺中所需要的专用工装、模具或工具，而只需要建立CAD模型，调整和设置工艺参数，即可制造出符合要求的零件。快速成型设备是一种典型的通用加工设备。
(4)成型过程中无人干预或者较少干预。
快速成型是一种完全自动的成型过程。传统制造工艺在成型过程中需要由操作者夹装或调整欲成型的零件。而对于快速成型工艺，只需要在成型之初由操作者输入一些基本的工艺参数，整个成型过程操作者无需或较少干预。出现故障，设备会自动停止，发出警示并保留当前数据。完成成型过程时，机器会自动停止并显示相关结果。
(5)快速成型的材料适应性好。
快速成型技术具有极为广泛的材料可选性，其选材从高分子到金属材料、从有机到无机、从无生命到有生命(细胞)，这为快速成型技术广泛应用提供了重要前提。采用快速成型技术可以完成材料梯度结构，它将材料制备与材料成型紧密地结合起来。在技术集成的角度上，快速成型将计算机辅助设计(cAD)、计算机图形学、计算机辅助制造(CAM)、计算机数字控制(CNC)、高能束技术(激光束，电子束等)、微滴技术、精密伺服驱动技术、材料科学等先进技术及学科集于一体；快速成型技术的发展又促进了上述相关学科与技术的发展。快速成型的“快”不应该简单理解成为成型过程中机器的运行速度快，更重要的是，“快”的根本原因在于：机器运行由零件CAD模型直接驱动和高度柔性所导致的从设计到制造全过程的快速性。
中国从90年代初开始进行有关快速成型技术的研究及开发，现已取得一定的进展。从1995年召开第一届快速成型制造会议至今，已经有十次以上的有关快速成型技术的国内、国际学术研讨会议在我国召开。不少大学和单位都开展了快速成型基础理论、工艺方法、工艺集成、原材料及设备装置的研究开发，其中华中科技大学和新加坡KINERGY公司合作开发的ZIPPY系列快速成型机，已在新加坡批量生产和国际市场上销售。国内的快速成型设备及原材料的研制情况。香港地区的香港大学、香港中文大学、香港科技大学、香港理工大学等也开展了有关设备、材料和工艺的研究，陆续购买了RP系统，并在RP软件、RP系统的集成系统开发以及反求建模等方面开展了许多研究。1995年香港生产力促进局与香港城市大学合作，成立了快速原型科技中心，购置了两套SLA系统，采取示范、人员培训、对外提供产品加工服务及向用户开放，由用户自行操作等多种方式，大力推广应用RP技术。在商品化产品应用方面，国内的汽车、摩托车、家用电器和模型制造行业已陆续装备快速成型机，春兰、海尔、上菱、华宝、格力、小天鹅等10多家企业引进了20多套RPM系统(re要是SLA和FDM成形机)进行新产品开发。深圳生产力促进中心、北京殷华快速模具公司、广州中望机器公司等单位相继成立了RPM技术服务中心，为企业提供原型服务。我国2002年安装了160台快速成型设备，占世界同年安装总量的10.8％，第一次超过欧洲任何一个国家，为世界上仅次于美国、日本的第三大快速成型设备年安装量的国家。
发明内容
本发明的目的在于提出一种快速成型方法。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种快速成型方法，该方法为选取激光熔化快速成型方法，根据零件的CAD几何模型，通过软件对模型分析离散，用激光将合金粉末分层熔化，控制数控系统逐层堆积，最终形成致密的实体，包括：三轴数控系统、控制计算机、激光发生器、送粉器和保护气体回路组成。三轴数控系统包括X-Y水平运动和Z轴的垂直运动。激光器能量为200W——500W,光斑直径为0.4mm——3mm，激光扫描速度为5mm/s——30mm/s，成型速度为3——10mm3/s。
具体实施方式
实施例1
一种快速成型方法，该方法为选取激光熔化快速成型方法，根据零件的CAD几何模型，通过软件对模型分析离散，用激光将合金粉末分层熔化，控制数控系统逐层堆积，最终形成致密的实体，包括：三轴数控系统、控制计算机、激光发生器、送粉器和保护气体回路组成。三轴数控系统包括X-Y水平运动和Z轴的垂直运动。合金粉末为316L不锈钢，激光器能量为200W,光斑直径为2mm，激光扫描速度为15mm/s，成型速度为4mm3/s，铺粉层厚为30μm，零件为圆柱形。
实施例2
一种快速成型方法，该方法为选取激光熔化快速成型方法，根据零件的CAD几何模型，通过软件对模型分析离散，用激光将合金粉末分层熔化，控制数控系统逐层堆积，最终形成致密的实体，包括：三轴数控系统、控制计算机、激光发生器、送粉器和保护气体回路组成。三轴数控系统包括X-Y水平运动和Z轴的垂直运动。合金粉末为工具钢4Cr5MoVSi，激光器能量为300W,光斑直径为0.8mm，激光扫描速度为10mm/s，成型速度为3mm3/s，铺粉层厚为50μm，零件为垂直薄壁金属部件。
Claims (3)
1.一种快速成型方法，该方法为选取激光熔化快速成型方法，其特征在于根据零件的CAD几何模型，通过软件对模型分析离散，用激光将合金粉末分层熔化，控制数控系统逐层堆积，最终形成致密的实体，包括：三轴数控系统、控制计算机、激光发生器、送粉器和保护气体回路组成。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的三轴数控系统包括X-Y水平运动和Z轴的垂直运动。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的激光器能量为200W——500W,光斑直径为0.4mm——3mm，激光扫描速度为5mm/s——30mm/s，成型速度为3——10mm3/s。
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