CN1072104C - 无模成型方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及不用模具从流态化成型材料生产三维制品的无模成型技术。本发明的成型方法包括将流态化成型材料P加到工作台11上以便形成成型材料的料团，该科团的体积大体等于整个制品的外形和类似于制品外形的形状，固化工作台11上的成型材料，然后将已固化的成型材料雕刻为所希望的制品。根据本发明，通过使用数控机加工工具或类似物雕刻除去已固化成型材料的非需要部分，可以在短时间内生产高精确性制品。根据本发明的无模成型装置可以有选择地使用现有的数控机加工工具、加料设备、成型材料一体化设备等等以低成本容易地制造。这样，本发明不仅适于不使用模具从流态化成型材料形成三维成型制品(产品、样品等等)，而且也适于从各种成型材料生产模具。

Description

无模成型方法及其装置

技术领域

本发明涉及不使用任何模具从流态化成型材料生产具有三维结构的模制品的无模成型方法。

背景技术

总的来说，为了从流态成型材料生产具有三维结构的模制品，已经实现了一种流态化成型方法，该方法包括将流态成型材料加到用于物理成型制品的物理模具内，然后，将模具内的流态成型材料固化为所希望的形状。然而，作为常规成型方法中所使用的物理模具的设计和制造需要很多时间并必然伴有极大的费用。物理模具仅仅适合于大批量成型制品的生产。因此，人们试图不使用任何模具而从流态成型材料生产具有三维结构的成型制品。

作为不使用模具生产成型制品的一个例子，有平常已知的无模成型方法，其在彩绘工艺中使用火焰喷涂。常规的无模成型方法包括提供一控制器控制火焰喷涂枪将流态(熔融)成型材料按所规定的材料加料数据喷涂到所划分的部分，在该部分，所想象的要被成型的制品模型被切开，依次将成型材料喷射到每一平切的部分，从而得到所希望的制品。

然而，作为上述的常规无模成型方法受限于极薄地切开所想象的制品模型并且要精确控制喷射角度、用于喷射成型材料的喷射枪的喷射量和喷射时间。结果，成型制品的精确性不能令人满意。此外，常规的无模成型方法的缺点是要花费相当长的时间来完成制品的成型，因为流态成型材料是一点一点(以非常小量)被堆积的。

在日本专利申请公开号SHO 56-144478(A)中公开了另一种使用光束的成型方法。此先有技术光线成型方法使用在紫外线固化树脂内可垂直移动的工作台，和激光束，用激光束的照射来进行平切形式的紫外线固化树脂的固化。随后得到平切固化树脂的成型制品拼合层。

上述常规的光成型方法尚不能广泛应用，因为原料仅限于紫外光固化树脂和光敏树脂。而且，由于成型制品拼合层是由激光束直接形成的平切层构成，成型制品的固化表面不能精确地平滑形成。

本发明要消除常规无模成型装置的缺点，目的是提供无模成型方法，它包括铺叠和雕刻成型材料的简单过程并且能在短时间内生产高精确度成型制品，本发明还提供能够适于实施该无模成型方法的无模成型装置。对本发明的描述

为了实现上述目的，本发明提供一种无模成型方法，它包括加入流态化成型材料以便形成成型材料的料团，该料团具有要成型的整个制品的形状和类似于制品外形的形状，固化该成型材料，然后将已固化的成型材料雕刻为所希望的制品(第一实施方案)。

根据此方法，可以通过切削除去已固化成型材料的料团(其体积大体等于制品的外形)的不需要部分得到所希望的制品。作为成型材料，可以使用易于流态化的合成树脂、例如橡胶的增塑材料、低可熔金属材料例如钎料、陶瓷材料等等。

本发明的第二实施方案提供一种无模成型方法，该方法包括加料和固化流态化成型材料的料团，该料团的形状包括要成型制品的一部分形状和类似于制品的一部分形状的外形，然后雕刻放在工作台上的已固化的成型材料的料团来制备中间产品，在该中间产品上铺叠并固化流态化成型材料形成成型材料料团，其体积大体等于制品的外形，以便覆盖要成型的制品的一部分和类似于制品的一部分的外形，雕刻铺叠到中间产品上的已固化成型的材料，重复此工艺一或多次。

根据第二实施方案的方法，可以通过从已固化成型材料的料团形成中间产品来得到所希望的产品，其体积大体等于产品的外形，切削除去铺叠到中间产品上的已固化成型材料料团的不需要部分。将流态化成型材料反复铺叠到中间产品上并最终雕刻为所希望的产品。作为成型材料，可以使用易于流态化的合成树脂、例如橡胶的增塑材料、低可熔金属材料例如钎料，陶瓷材料等等。

使中间产品和铺叠到其上的成型材料一体化的工艺可被加到固化成型材料的工艺中(第三实施方案)。根据此第三实施方案，固化之后随后与中间产品一体化的成型材料被雕刻为所希望的产品。作为成型材料，可以使用易于流态化的合成树脂、例如橡胶的增塑材料、低可熔金属材料例如钎料，陶瓷材料等等。陶瓷材料可以通过加压形成以便通过煅烧与中间产品很好地一体化。

本发明的第四实施方案提供一种无模成型方法，它包括把呈棒形或盘形的成型材料加到工作台上，材料的形状包括要成型的整个制品的形状，将成型材料熔融或塑化至类似于制品外形的料团，然后雕刻该成型材料形成所希望的产品。

在此实施方案中，可以通过使用通常的加料机构和方法将棒形或盘形的成型材料加到工作台上或塑化为类似于要成型的制品外形的料团。作为成型材料甚至可以使用不易通过使用简单设备而流态化的金属材料。当然，可以使用合成树脂、例如橡胶或类似物的增塑材料作为成型材料。在本实施方案中除了棒形或盘形的成型材料还可以使用条形或带状的细长成型材料。盘形成型材料的形状不限于扁盘。即，该成型材料可以被形成为平片，例如薄膜、不考虑其厚度的隔板。在此第四实施方案中，成型材料的熔融用于使金属成型材料的分子相互连接。在此实施方案中成型材料的塑化包括已被塑化的材料例如合成树脂与橡胶的塑化，并可通过焊接或超声振荡来完成。

铺叠成型材料至中间产品上的方法可以应用在第四实施方案(第五实施方案)中。这样，中间产品被重复用熔融的或塑化的棒形或盘形的成型材料覆盖和雕刻，随后生产出所希望的制品。

另外，为了实现根据本发明的上述目的，本发明进一步提供一种无模成型装置，该装置包括数控机加工工具，该工具用于将已固化的成型材料雕刻为成型制品，和加料设备，该设备用于将流态化成型材料加到数控机加工工具的工作台上所确定的材料接收位置或将流态化成型材料铺叠到放在工作台上的中间产品上(第六实施方案)。这样，本发明的无模成型装置就可通过将加料设备附着到数控机加工工具上而构成。作为加料设备，可以使用易于使成型材料流态化的塑化型或流态化型加料机构。

本发明的第七实施方案提供一种无模成型装置，该装置包括数控机加工工具，该工具用于将已固化的成型材料雕刻为成型制品；和连接到数控机加工工具控制器上的加料设备，该设备将流态化成型材料加到数控机加工工具的工作台上或将流态化成型材料铺叠到放在工作台上的中间产品上。这样，此实施方案的加料设备就可通过数控机加工工具的控制器来控制以便与整体连接的数控机加工工具一起操作。通过实现另一种加料和数控加工，将成型材料反复铺叠到中间产品上并雕刻，随后形成所希望的成型制品。

本发明的第八实施方案提供一种无模成型装置，该装置包括数控机加工工具，该工具用于将已固化的成型材料雕刻为成型制品；和配置到加工系统的加料设备，以便有选择地操作数控机加工工具内的部件从而将流态化成型材料加到数控机加工工具的工作台上或将流态化成型材料铺叠到放在工作台上的中间产品上。通过使用整体结合的数控机加工工具使加料设备通过加工系统受到数控控制。通过实现另一种加料和数控加工，将成型材料反复铺叠到中间产品上并雕刻，随后形成所希望的成型制品。

本发明的第九实施方案提供一种无模成型装置，该装置包括数控机加工工具，以便将已固化的成型材料雕刻为成型制品，和附着到不受数控机加工工具控制的机器人臂上的加料设备，以便将流态化成型材料加到数控机加工工具的工作台上或将流态化成型材料铺叠到放在工作台上的中间产品上。加料设备独立于数控机加工工具从而不受进行数控控制的数控机加工工具的控制，以便反复雕刻铺叠到中间产品上的成型材料，随后形成所希望的成型制品。

本发明的第十实施方案提供一种无模成型装置，该装置包括数控机加工工具，该工具用于将已固化的成型材料雕刻为成型制品；和用于将流态化成型材料加到在数控机加工工具上限定的材料接收位置或将流态化成型材料铺叠到放在工作台上的中间产品上的加料设备；和连接到数控机加工工具控制器上的材料一体化机构，以便当在数控机加工工具控制器的控制下将成型材料加到中间产品上时，将中间产品与铺叠到中间产品上的成型材料一体化。这样，加料设备和材料一体化机构就由数控机加工工具的控制器控制，致使加料设备、材料一体化机构与数控机加工工具相互联合操作。当把成型材料加到中间产品上时，其与中间产品一体化然后通过重复的数控工艺雕刻形成所希望的制品。

本发明的第十一实施方案提供一种无模成型装置，该装置包括数控机加工工具，以便将已固化的成型材料雕刻为成型制品，和用于将棒形或盘形的成型材料加到在数控机加工工具的工作台上所限定的材料接收位置上或将流态化成型材料铺叠到放在工作台上的中间产品上的加料设备，和连接到数控机加工工具控制器的材料一体化机构，该机构用于将中间产品和被熔融或塑化的棒形或盘形的成型材料一体化以使其形成类似于制品外形的料团。该用于加入棒形或盘形成型材料的加料设备和材料一体化机构由数控机加工工具的控制器控制，致使加料设备、材料一体化机构和数控机加工工具相互联合操作。当成型材料被加到中间产品上时，其与中间产品一体化然后通过重复的数控工艺雕刻形成所希望的制品。

附图的简要说明

图1是一透视图，显示根据本发明第一至第三实施方案和第六至第八实施方案的无模成型方法中操作(工艺)和装置的起始状态。

图2是一透视图，显示在图1的工艺之后的操作(工艺)。

图3是一透视图，显示在图2的工艺之后的操作(工艺)。

图4是一透视图，显示在图3的工艺之后的操作(工艺)。

图5是一透视图，显示根据本发明第四和第五实施方案以及第九实施方案的无模成型方法中操作(工艺)和装置的起始状态。

图6是一透视图，显示在图5的工艺之后的操作(工艺)。

图7是一透视图，显示在图6的工艺之后的操作(工艺)。

图8是一透视图，显示在图7的工艺之后的操作(工艺)。

图9是一透视图，显示根据本发明第八实施方案的无模成型装置。

图10是一透视图，显示根据本发明第九实施方案的无模成型装置。

图11是一正面图，显示图1的主要部分。

图12是显示图11装置的操作的示意图。

实施本发明的最佳模式

以下将参考附图叙述根据本发明的无模成型方法和装置。

首先，说明第六、第七和第十实施方案的无模成型装置。

这些实施方案每一个都包括一个目前的NC(数控)机械工具1，加料设备2，和连用的材料一体化机构3。该无模成型装置易于制造且费用低廉。

数控机加工工具1包括工作台11，在它上面放置要加工的成型材料P，用于移动工作台11的工作台驱动单元12，具有用于雕刻成型材料P的雕刻工具等等的工具单元13，用于移动工具单元13的工具单元驱动单元(未示)，和电连接到工作台驱动单元12、工具单元13和工具单元驱动单元上的控制器14，以使这些单元接受数控控制。

加料设备2包括用于使成型材料P流态化的主体21，安装在主体21末端以便从其中排放流态化成型材料P的注嘴22。主体21根据成型材料(合成树脂、橡胶、金属材料、陶瓷材料，等等)的特性具有塑化、剪切或流态化成型材料P的功能。注嘴22根据成型材料的特性和流态化状态具有挤出或强制排放流态化成型材料P的功能。作为加料机构的一个例子可以使用以本发明申请人的名字申请的日本专利申请HEI 7-225587(公开号08156070)中所揭示的微型加料机构。

加料机构2被固定在数控加工工具1确定的用于接收成型材料P的材料接收位置，从而在材料接收位置把成型材料P加到工作台11上。加料机构2被电气连接到数控机加工工具1的控制器14，从而使该机构接受数控控制以便控制成型材料P的加料时间和所加的成型材料的量。

材料一体化机构3紧挨着加料机构2的注嘴22设置并随着施加到工作台上的成型材料的位置移动。材料一体化机构3电连接到数控机加工工具1的控制器14上，以使该机构接受数控控制以便控制成型材料P的加料时间和施加到工作台的成型材料的量。作为材料一体化机构3，例如，可以使用超声焊接机构30。该超声焊接机构30在注嘴22之下有一垂直排列的分支31，从而被设置在中间产品与铺叠到中间产品上的成型材料之间。

在前面描述的的第六、第七和第十实施方案的无模成型装置操作和加工的基础上，以下将说明第一至第三实施方案的无模成型装置。

在使用这些实施方案的无模成型装置之前，首先将要成型的制品D的结构和加工条件的信息数据输入到数控机加工工具1的控制器14。

然后，将工作台11移动到材料接收位置A以便通过操作数控机加工工具1的工作台驱动单元12接收成型材料P。

在材料接收位置A，流态化成型材料P从加料设备2的注嘴22以带状形式被排出，并在工作台11上排列得像一螺线管，如图1所示。工作台上的成型材料P的料团具有包括要成型的整个制品的形状和类似于制品外形的形状。如果需要具有圆筒形的中间产品Da，带形成型材料就呈螺旋地放置在工作台上形成成型材料的圆筒料团。流态化成型材料P可以从加料设备2的注嘴22根据例如该成型材料P的粘度以适中的加料速度和预定的温度排放到工作台11上。

下一步，工作台11被移动到工作位置B，在该位置工作台上的成型材料P被雕刻。

当工作台11从材料接收位置A朝着工作位置B移动时，流态成型材料在工作台11上固化。在使用，例如，带形ABS树脂作为成型材料P的情况下，该成型材料在常温时将在大约5秒后固化。

如图2所示，在工作台上固化的成型材料P通过附着到工具单元13上的研磨工具15被加工，该工具围绕成型材料P移动，该材料P已被工具单元13驱动装置(图中未示)形成为料团。在此工艺中，为了降低成型材料的体积，将已固化的大块成型材料P雕刻成中间产品Da(圆筒形)。此雕刻过程通过控制器14非常精确地进行数控控制，并且在短时间内完成。

接着，通过操作工作台驱动单元12将工作台11返回到材料接收位置A。

在工作台11返回的材料接收位置A，流态化成型材料P被进一步从加料设备2的注嘴22加到中间产品Da，其已从成型材料P形成为料团，因此就将成型材料铺叠到中间产品上，如图3所示。大块成型材料P体积上足以包封中间产品Db，其形成要成型的最终制品D的一部分，并具有类似中间产品Db外形的外形。

在材料接收位置A，通过使用超声焊接机构30产生超声焊接效果将中间产品Da和新近加到其上的成型材料P的铺叠层一体化。由超声焊接机构30所产生的超声焊接在工作台11相对于超声焊接机构30移动的同时进行。超声焊接是在铺叠到中间产品上的成型材料P的固化过程中，在中间产品Da和成型材料P之间进行。当然，中间产品Da和成型材料P的铺叠可以在成型材料固化之前被一体化。

接着，通过操作工作台驱动单元12再次将工作台11移动到工作位置B以便在那里雕刻成型材料P。

当工作台11从材料接收位置A朝着工作位置B移动时，铺叠到中间产品Da上的大块成型材料P固化。

在工作位置B，如图4所示，已固化的大块成型材料P被工具单元13加工，其通过图中未示的加工单元驱动装置围绕成型材料P移动。此工艺可以通过用工具16更换加工单元13来进行。用于降低成型材料体积的雕刻工艺以与上述相同的方式进行，随后形成另一中间产品Db(锥形)。此雕刻工艺通过控制器14非常精确地进行数控控制，并在短时间内完成。

这样形成的中间产品Da和Db被一体化成为成型制品D。该成型制品D作为最终制品从工作台11移走。

包括加料、固化和雕刻成型材料P的以上连续工艺可被重复三或多次。

下一步，将要叙述根据本发明第十一实施方案的无模成型装置。此实施方案的相同部件用相同的数字符号标注。为避免重复，以下省略这些部件的叙述。

如图5至图8所示，此实施方案通过将不同的加料设备4与数控机加工工具1以及在上述第一至第三实施方案和第六至第八实施方案中所见到的材料一体化机构3结合而构成。

加料设备4包括用于连续加入棒形或盘形成型材料F的机构41。当使用带形成型材料时，可以使用加料辊或类似物作为如图示的连续加料机构41。

作为材料一体化机构3，例如，可以使用焊接机32。该焊接机32有一在连续加料机构41之下垂直设置的注嘴33并靠近成型材料放置。作为焊接机32，可以使用电焊机、氩弧焊机、氧弧焊机或类似物。

下一步，在以上说明第十一实施方案无模成型装置的加工和操作的基础上，将叙述第十四和第十五实施方案的无模成型装置。

如图5所示，在材料接收位置A，当从加料设备4的连续加料机构41加入金属线时，金属线用焊接设备32的注嘴33熔化并被螺旋放置到工作台上。接着在工作台11上形成大块成型材料。优选在成型材料被弄弯并缠绕的部分设置许多未示的像焊接设备32那样的焊接设备。在工作台上形成的大块成型材料F具有足够的体积包封中间产品Da(其形成要成型的最终制品D的一部分)，并且在形状上类似于中间产品Da的外形。在中间产品Da是圆筒形时，通过控制工作台11和注嘴33的相对移动将成型材料形成为圆筒形。

接着，工作台11返回到材料接收位置A，如图5和图6所示。

在工作台11返回的材料接收位置A，如图7所示，从连续加料设备41新加入金属线，同时通过使用焊接设备32的注嘴33使金属线熔融或熔化以铺叠到中间产品Da的成型材料F上。大块成型材料F在体积上足以包封中间产品Db(其形成要成型的最终制品D的一部分)，并且在形状上类似于中间产品Da的外形。如图8所示，成型材料被反复雕刻为最终的成型制品。另外，在第四实施方案中，最终的成型制品在一个加料和雕刻成型材料的工艺中形成。

在图9所示的第八实施方案中，加料设备5带有加工系统17以便有选择地操作数控机加工工具1的加工单元13。此实施方案中的加料设备5直接由数控机加工工具1的控制器14控制。

在此第八实施方案中，数控机加工工具1的加工单元13和加料设备5有选择地相互转接。根据此实施方案，数控机加工工具1和加料设备5可被紧密地一体化。

图10所示的第九实施方案有机器人臂7，其带有加料设备6，该加料设备不受数控机加工工具1的控制器14的控制。

在此第九实施方案中，数控机加工工具1和加料设备6可被同步操作。即，成型材料P可从加料设备6加到中间产品Da上，以便干扰数控机加工工具1的操作。根据此第九实施方案，可以使用现有的车床、铣床、钻床等等形成数控机加工工具1。不需将数控机加工工具1的控制器14连接到机器人臂7的控制器上(未示)，因为通过使用机器人臂7上的传感器，数控机加工工具1可与机器人臂7一起操作。

在第九实施方案中使用合成树脂作为成型材料P的情况下，条形或带形原料P＇可围绕材料夹具61缠绕并在主体62中被流态化。用此机构，材料P可从主体62精确地排出而不分散，甚至当加料设备6由机器人臂7不规则运动时也如此，以避免发生粒状原料P＇从加料设备的泄漏。

尽管由上述实施方案最终形成的产品(成型的物体)D可被认为已完成的制品，然而可以将其当作中间产品Da或Db以便被进一步加工，或样品产品(成型的物体)其在形成所希望的制品之后被除去。

加料设备2可进一步带有驱动单元以便移动加料设备，其被电连接到数控机加工工具1的控制器14上，以使加料设备2的移动受到控制器的数控控制。根据具有驱动单元以便移动加料设备的此结构，移动加料设备2或4以便能在工作位置B将成型材料P加料。

作为另一方法，可以将加料设备2或4电连接至数控机加工工具1的控制器14上，以便独立控制成型材料P的加料。根据用于独立控制成型材料加料的此结构，控制程序可被简化。

还有，加料设备2和加工单元13的机组可在工作台11的加料方向排列成行，从而可以在推进工作台11的同时完成制品的生产。沿着成行排列的部件的方向移动的工作台11可以是环形装置或补充利用环形装置，也可以是旋转型。

虽然以上叙述了具有由工作台驱动单元12驱动的工作台11的实施方案，应当理解工作台的位移不限于此。当然可以将工作台11设置在数控机加工工具1和加料设备2或4或材料一体化机构3之间致使工作台能够相对于数控机加工工具或其它部件垂直或水平移动或转动。

以上已经讨论了使用超声焊接机构30或焊接设备32作为材料一体化机构3的实施方案。然而，除了这些焊接装置，还可以使用加热装置例如加热器来一体化成型材料。尽管以上叙述的实施方案具有与加料设备2结合的超声焊接机30或与加料设备4结合的焊接设备3，但是该结合可被改变。

从上述说明可见，根据本发明的无模成型方法可以通过使用数控机加工工具从所加入的成型材料料团中除去不需要部分而形成成型制品。这样，本发明产生显著的效果，可在短时间内生产具有高精确性的成型制品。此外，根据本发明，可以最有效地使用成型材料而没有浪费并高精确地快速雕刻，因为将成型材料加料形成类似于要被成型的所希望的制品外形的形状。特别是，根据本发明，可以使用各种成型材料不仅生产成型制品或样品产品，还可以生产压模或模具。

此外，根据本发明的无模成型装置可实施本发明的无模成型方法而不破坏由本发明无模成型方法所产生的极好效果。由于本发明的无模成型装置可由如上述的现有的数控机加工工具、加料设备和/或材料一体化机构构成，因此本发明的装置可以以低成本简单地制造。

工业化应用

根据本发明的无模成型方法和无模成型装置使之有可能通过使用数控机加工工具从所加入的成型材料料团除去不需要部分而生产成型制品。这样，可以在短时间内不使用模具精确地生产出具有三维结构的适宜成型制品。本发明的无模成型方法可以使用各种成型材料不仅生产成型制品或样品产品，还可以生产压模或模具。

Claims (8)

1．一种无模成型方法，包括加入流态化成型材料形成成型材料的料团，该料团具有要成型的整个制品的形状和类似于该制品形状的外形，固化该成型材料，然后将已固化的成型材料雕刻为所希望的制品。

2．一种无模成型方法，包括加入和固化流态化成型材料的料团，该料团具有要成型的制品的部分形状和类似于该制品部分形状的外形，然后雕刻放在工作台上的己固化的上述成型材料的料团而制备中间产品，在该中间产品上铺叠并固化流态化成型材料再形成成型材料的料团，其体积大体形成制品的外部轮廓，雕刻铺叠到中间产品上的已固化的成型材料，重复此工艺一或多次。

3．如权利要求2所述的无模成型方法，还包括将所述的中间产品和铺叠到其上的成型材料一体化的步骤，然后雕刻铺叠到中间产品上的己固化的成型材料，重复此工艺一或多次。

4．一种无模成型方法，包括把呈棒形或盘形的成型材料加到工作台上，材料的形状包括要成型制品的一部分形状，熔融或塑化成型材料使其形成类似于制品外形的料团，并使其一体化，然后雕刻该成型材料形成最终制品。

5．一种用于实现权利要求1-4所述方法的无模成型装置，该装置包括数控机加工工具，该工具用于将成型材料雕刻为成型制品；和加料设备，该设备用于将流态化成型材料加到数控机加工工具的工作台上所确定的材料接收位置，或将流态化成型材料铺叠到放在工作台上的中间产品上。

6．如权利要求5所述的无模成型装置，其中所述的加料设备连接在所述的数控机加工工具的控制器上。

7．如权利要求5所述的无模成型装置，其中所述的加料设备附着在不受数控机加工工具控制的机器人臂上。

8．如权利要求5所述的无模成型装置，该装置还包括连接到数控机加工工具控制器上的材料一体化机构，当在数控机加工工具控制器的控制下把成型材料加到中间产品上时，该机构用于将中间产品和铺叠到中间产品上的成型材料一体化。

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