CN106273440B - 高精度快速成型技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度快速成型的技术方案，尤其是高精度增材减材结合的快速成型的方法和装置。其方法是通过先增材建造产品毛坯层，随后精细切割毛坯层的轮廓来获得高精度外形尺寸，循环工作完成产品每一层的建造和切削，实现产品的高精度快速制造。本发明包括制造方法和使用此方法制造产品的装置。

Description

高精度快速成型技术

技术领域

本发明涉及一种高精度快速成型的技术方案，尤其是高精度增材减材结合的快速成型的方法和装置。

背景技术

目前，公知的快速成型的方法有多种，其主流制造方法包括：

1、选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS）；

2、熔融沉积式（Fused deposition modeling，FDM）；

3、立体平版印刷（Stereo lithography，SLA）；

4、数字光处理（Digital Light Processing，DLP）。

以上所列技术都存在外形尺寸精度差的问题，其中SLS技术可以选择更薄的层厚来提高精度，但是这样又造成加工时间成倍延长的问题。在如上每一种制造方法来说，精度和效率是一对矛盾因素，不能满足人们实际应用的需要。

发明内容

为了克服现有快速成型技术的效率弊病以及实现更精密的外形加工尺寸，本发明提供一种增材减材结合的快速成型方法。

快速成型的优点是制造速度快，但是尺寸精度低，加工质量不稳定，适合制造毛坯料；而CNC(计算机数字控制Computer Numerical Control)机床加工精度高，具有稳定的加工质量，适合精加工外形。这两者的结合形成优势互补。本发明中，CNC机床、CNC铣床、CNC雕刻机是同义词。用于指代至少具有三轴CNC切削功能的机器。CNC精加工是指用CNC机床设备对产品进行精细减材的加工。

本发明的原理是：先通过增材的方式分层建造物体，在增材的过程中，针对增材建造的毛坯，通过CNC精加工的方法来获取高精度外形。这样既可以使用较厚的层厚数据建造产品以提高建造速度，又能在较短时间内获取产品的外形尺寸精度。CNC精加工的精度远远超过快速成型方法中通过细分层建造产生的精度，同时大大减少了建造的时间。这种方法在很大程度上提高了高精度模型的制造效率。

本发明为解决其技术问题所采用的方法是[权1]：

一、处理将要制造的模型文件，生成两种分层数据：

a) 粗分层数据：用于增材建造毛坯层。其数据的特征是：先对模型分层获取原始粗单层数据，因产品的建造装置和方式有多种，根据当前建造装置(例如：3D打印)的建造模式、方法、建造速度等条件对原始粗单层数据进行处理，产生粗分层建造所用的数据，简称‘粗分层数据’。以此数据生成的产品层的实体轮廓略大于此粗分层对应的原始模型部分的最大轮廓。或者这样描述：以此数据生成的产品层的实体轮廓略大于此粗分层对应的原始细单层数据的各层的最大轮廓。

这个略大的边缘，是为下一步的精密切削留出的余量。本发明中，这种为切削留出的余量宽度，称作‘预留量’。‘轮廓’是指模型或实体结构的内外边缘轮廓，包括‘模型或实体材料’与‘内部空间’或‘外部空间’的边缘形成的轮廓；‘大于’是指此轮廓能包覆彼轮廓。由于粗分层对应的细分层轮廓是不确定的，根据模型的不同而不同，因此，一个粗分层对应每个细分层的预留量不是定值。只能用最小预留量来描述。本发明中预留量是指最小预留量。

b) 细分层数据：用于减材的精密切削数据。其数据的特征是：对模型细分层获取原始细单层数据，也就是产品的精细轮廓数据，用此模型轮廓数据对粗分层数据建造的毛坯进行精细切削，完全切除预留量，实现产品外形的精细加工。根据切削的模式、方法、刀具直径、切削速度等条件对原始细单层数据进行处理，计算出刀路获取精细减材所用的加工数据，简称细分层数据。细分层数据是CNC精加工的数据。细分层的层厚比粗分层的层厚小。

二、用增材技术，使用粗分层数据建造产品的一层或多层的实体毛坯。这个建造厚度称作‘粗建厚度’，其厚度以不影响之后的切削加工为准，需要根据切削刀具的直径和产品的预留量进行计算来选择。针对不同的切削装置，或者针对不同的模型，此数据为不定值。在不影响细层切削的情况下，建造出最大允许厚度的粗层毛坯。

比如：对于一个正方体模型来说，‘粗建厚度’可以是整个模型的厚度。而对于非常复杂的曲面模型来说，‘粗建厚度’可能只是一层或两层的粗层厚度。对于不同的CNC切削装置来说也是如此，具有多轴的切削装置允许更高的层厚而不影响细层的加工，而直立的铣刀则要求层厚不应造成预留量超过铣刀的加工范围。或者说，不应造成细层加工时必须损坏模型的情况。由于模型结构、材料、加工装置的种类千差万别，造成实际的‘粗建厚度’存在无数种可能，不可能穷举。因此，此数据为不定值。只能用功能来描述。

三、生成一定厚度的粗分层实体毛坯之后，用减材技术，使用细分层数据来精细切削已建造的粗分层实体毛坯的轮廓。细分层切削加工到与已建造粗分层顶端的距离为X的细层，这个X称作‘保护层厚’，所述的保护层厚能够保证粗分层新层的建造不会损坏已经用细分层数据切削过的部分。切削加工所至细分层的高度，等于或最接近新建毛坯顶端高减去保护层厚的差值。例如：在热挤压FDM建造方式中，新建层的热量可能会熔化下一层，或者令其变形，或者部分包覆。因此，细分层切削加工所至的高度，等于或最接近新建毛坯顶端高减去保护层厚的差值。

保护层厚的数值，如果用细层层厚表达，一般不超过20层细层高度；如果用粗分层层厚表达，一般不超过3层粗层高度。对于较厚的粗层，保护层厚可以为零。而实际加工时预留的高度需要根据制造产品的材料、温度、固化时间、冷却时间等多种因素综合考量。针对不同的材料，不同的加工装置，此数据为不定值。只能用功能来描述[权4]。

四、粗分层建造和细分层切削流程完成后，循环第二、三步骤，进行下一次的建造和切削。如上循环继续完成整个模型增材和减材，直到完成模型最后一层的增材和减材。

五、制造出具有精密外形和尺寸的产品。

实施方法的装置

[权2]用于实施此方法的装置有这样的特征：一种同时具有增材建造和减材切削功能的装置，具有至少三个轴驱动的加工结构；在其轴上安装有工具组，工具组至少包括一个增材工具和一个减材工具，进一步包括可增加的辅助工具；所述的增材工具、减材工具、辅助工具分别是一个或多个可切换的相同或不同的工具，本装置使用如上所述的方法制造产品。

装置的一个实施例

一种具有熔融沉积式（FDM）快速成型功能和CNC铣床功能的装置。

一个完整的FDM机器的结构跟CNC铣床结构极为相似，其主要区别是加工工具的区别，FDM的工具是增材工具，也叫做建造工具，而CNC铣床的工具是减材工具，也叫做切削工具。本发明是在同一个多轴驱动的加工装置上，把建造工具和切削工具做成可切换的工具组，来实现建造和切削的交替加工程序。

本实施例中，此装置至少具有XYZ三轴驱动，结构如CNC雕刻机。其用于加工的工具组至少包括材料挤出头和旋转铣刀(简称铣刀)。其中材料挤出头和铣刀的数量分别可以是一个或多个。

其实际制造方法和过程以一个模型的制造示例来说明：

一、对将要制造的模型作水平切面分层，分为0.2mm层厚和0.01mm层厚的两组数据，0.2mm层厚称为粗层，0.01mm层厚称为细层。本实施例中，粗分层数据是用于挤出成型的数据，其预留量的宽度根据产品精度要求来决定。

比如：对于同一层而言，预留量可以选择0.2mm，不同的粗层预留量可以不同。对于小于50*50*50立方厘米的模型，一般可以选择0.1mm~0.5mm宽的预留量，通常不超过1mm。如果是建造大型模型，则根据模型精度要求和装置加工能力来设定合理的预留量。预留量宽度范围，一般选取切削装置加工精度的1~20倍之间，或者选择产品的精度要求的数值的1~5倍[权3]。

细分层数据是用于对粗层已经建造的实体进行轮廓的精细切削，是计算了刀具直径和刀路的精细加工数据。在此实例中，相对于每一个粗层，有20层的精细加工数据。而在实际产品制造中，每一粗层对应细层数量的多少，根据产品对精度要求来确定。比如：粗层细层的比为1::1.5~1:100。常用数据包括：1:2~10、1:20、1:50、1:100等。细层的层厚应当小于或等于对产品精度的要求。细层层厚越小，相对加工时间越长，最终产品的光滑度越高。应当根据产品的精度要求合理选择细层层厚。

二、开始建造模型：加工工具换成挤出头，用0.2mm层厚的粗分层数据挤出第一层、第二层粗层实体。同时对挤出的层进行冷却，令其固化。此例中保护层厚取值是一个粗层的厚度。

三、粗层实体成型后，加工工具转换为铣刀，用对应第一粗层的20个0.01mm层厚的细层数据，逐层加工实体的内外边缘，把粗层留出的预留量切除，形成精密外形。这样第一层就完成了。

四、循环上面二、三的过程，换成下一层数据继续建造新层，在这个实例中，新层的厚度作为保护层厚，切削新层的前一个粗层。这样交替建造实体的每一层和切削前一层，直到完成最后一层建造，切削最后两层粗层。

五、制造出具有精密外形和尺寸的产品。

在本发明中，放弃了用细分层直接建造外形的方法，而改为用粗分层建造产品的毛坯层，用CNC精加工毛坯层的方法。这样带来的好处是极大提高了模型的制造效率和外形精度。因为细分层建造是建造整个一层实体，包括轮廓和填充，其中细分层的填充占据大量的时间并且对于精度没有丝毫帮助，而CNC精加工仅仅是切除轮廓的余料，不处理实体层的填充部分，这样的设计仅仅使用了CNC关于精度的最关键部分技术，省掉了粗切的过程，因而极大提高了加工效率，减少了精细加工的大部分时间。

同时，对于建造而言，超薄的层厚会造成极大的建造难度，甚至不可行。比如FDM制造方法，以目前的技术，其层厚0.1mm已经达到层厚的极限，根据目前技术产品合格率很低，已经非常难以加工。更不可能实现0.01mm层厚的制造。此类制造装置的实体层厚通常可以选择0.2mm~0.4mm。其中SLS、DLP方法虽然可以把层厚进一步降低，但是代价是成倍地延长加工时间，并且产品边缘的阶梯仍然很明显，远远不能达到CNC加工的精度。

因此，本发明实现了快速加工和高精度的结合，极大提高了加工效率。这也是科技发展的趋势。

工具的种类

在本发明的装置中，所述的工具包括：加工工具、辅助工具。所述的加工工具包括：增材工具、减材工具。

增材工具是用于生产模型实体的工具，可用于3D打印装置的建造工具都可作为本发明的建造工具，增材建造部分使用3D打印技术[权5]。

减材工具是用于精细切削实体轮廓的工具。减材切削部分使用计算机数字控制机床技术。能对固体进行精细切削的工具都可作为本发明的切削工具。包括但不限于：CNC工具、激光切割工具、等离子切割工具、修边刀、雕刻刀(电动\气动\超声波)、切割刀(电动\气动\超声波)等。

辅助工具包括多种不同的工具，如：固化工具、加热工具、冷却工具、吹风工具或吸尘工具等。辅助工具与增材工具、减材工具一起共同实现对产品的制造和加工[权6]。

所述的固化工具包括所有能把粗层实体固化定型的工具，其固化的形式不受限制，包括一切可行的固化形式。常见的例如：光固化、热固化、冷固化、气体固化、化学反应固化等；

光固化的工具包括但不限于可见固化光源和不可见固化光源，包括灯光、激光等；

热固化的工具包括但不限于激光、等离子、电热、火焰加热等。

装置的结构特征

在本发明的装置中，所用的工具至少包括一个增材工具和一个减材工具。还可以包括多个相同或不同的加工工具或辅助工具。各种工具安装在一个可切换的组合结构上，称作工具组。一般情况工具组安装在Z轴上，也可以根据需要安装在其它轴上，或者在不同轴上。

工具组的结构和转换方式有多种，以下略举三种形式：

1、可以使用具有与数控机床的换刀装置或刀库相同功能的机构[权7]；

2、其一种结构是转盘式工具组：把多个工具次序安装在可旋转的安装架上，比如多边形或圆盘形安装架，通过电动或气动驱动安装架旋转一定角度来实现不同工具的选择和加工。[权8]

如图2所示：在一个六边形旋转支架上，在每边的位置安装所需的加工工具或辅助工具。通过步进电机驱动六边形安装架旋转一定角度，令所需的工具处于加工位，加工位是指当前使用的工具应在的位置，这样就实现了多种工具的随时切换；

3、其一种结构是并列式工具组：如图3所示，在一个平板安装架上，水平安装多个加工工具或辅助工具，有两种方法切换工具：

a) 把多个工具并列安装在一个可移动平板安装架上，通过电动或气动驱动安装架按刀具排列方向运动，令所需的工具处于加工位，实现不同工具的选择和加工[权9]；

b) 把多个工具并列安装在一个平板安装架上，通过软件的偏移计算实现不同工具的选择和加工[权10]。

这种安装方式，工具底端比加工位略高，选择某个工具时，此工具下移到加工位，这样可以避免加工时别的工具造成的误碰。这个略高的距离，根据工具特征来选择，一般可以选择1mm~10mm。

前面的内容是对本发明原理的介绍。由于本领域的技术人员可以很容易地基于此原理做出许多修改和改进，因此不应认为以上所述的内容是将本发明限定于所示的以及描述的严格结构和工序，上述优选实施例并不对本发明构成任何限制。因此，利用本发明揭示的原理采用其他各种有效元件和类似方法做出的适当修改和等效替换都将落入本发明范围内。

虽然参考本发明的优选实施例描述了本发明，但应当理解的是本发明并不局限于所揭示的实施例或结构。相反，本发明意在包含各种不同的改变和等同装置。此外，虽然以各种不同组合及结构显示出了所揭示的发明的各个不同元件，但这仅是示意性质，包括更多、更少或单个元件的其它组合及结构也落入本发明的范围内。

有益效果

具有快速成型的制造效率，同时所制造的产品具有高精密外形。极大提高了模型制造业的生产效率和精度。

附图说明

图1是本发明的方法的实施流程图；

图2是一种多边形可旋转的多工具组结构；

图3是一种水平安装的多工具组结构；

在图2中：a) 是工具组的整体结构示意图，其中：1、定位轴；2、可旋转六边形安装架；

b) 是六边形旋转组件；c) 挤出头；d) 铣刀(带电机) ；

在图3中：3:、平板安装架；4、挤出头；5、铣刀(带电机) 。

Claims (1)

1.一种高精度快速成型的制造方法，其实现步骤如下：

①把将要制造的模型处理成两种分层数据：

粗分层数据，用于增材建造毛坯层，其数据的特征是：以此数据生成的产品层的实体轮廓略大于此粗分层对应的原始模型部分的最大轮廓；或者以此数据生成的产品层的实体轮廓略大于此粗分层对应的原始细单层数据的各层的最大轮廓；这个略大的尺寸称作预留量；对于小于50×50×50立方厘米的模型，预留量为0.1mm～0.5mm宽；对于大型模型，预留量为切削装置加工精度的1～20倍或者为产品的精度的1～5倍；

细分层数据，用于减材的精密切削，其数据的特征是：细分层数据是CNC精加工的数据，用于对粗分层数据建造的毛坯进行轮廓的精细切削；细分层的厚度比粗分层小；每一粗层对应细层数量的比例为1:2～20；

②利用增材的快速成型技术，使用粗分层数据建造产品的一层或多层实体毛坯；

③利用减材技术，使用细分层数据来精细切削已建造的粗分层实体毛坯的轮廓，细分层切割加工所至的高度，等于新建毛坯减去保护层厚的差值，保护层厚不超过10层细分层高度；

④粗分层建造和细分层切削流程完成后，循环②、③步骤，进行下一次的建造和切削；如上循环继续完成整个模型的增材和减材，直到完成模型最后一层的增材和减材；

⑤制造出具有精密外形和尺寸的产品。

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