CN108145976A - 高熔点聚合物的加工方法及加工系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高熔点聚合物的加工方法及加工系统，其中，所述方法包括：获取具有完整特征的零件数字模型；去除所述零件数字模型中除中空或曲面薄壁之外的指定特征，并添加余量，形成毛坯数字模型；将所述毛坯数字模型导入指定分层软件，以形成所述毛坯数字模型对应的驱动数据；将所述驱动数据导入所述增材制造设备中，以基于所述毛坯数字模型制作三维实体毛坯；对所述三维实体毛坯进行机加工，以在所述三维实体毛坯中添加被去除的所述指定特征，形成包含完整特征的零件。本发明提供的技术方案，能够解决现有方法中加工成本高、生产周期长的制造问题。

Description

高熔点聚合物的加工方法及加工系统

技术领域

本发明涉及材料加工技术领域，特别涉及高熔点聚合物的加工方法及加工系统。

背景技术

对于具有中空结构或曲面薄壁零件的加工，可以采用传统的成形方式，如挤出成形、模压成形等，也可以采用机加工的方式切削成形，或者采用增材制造手段，如熔融沉积成形、选区激光烧结等方式直接成形。

传统成形方式由于开模时间长、模具成本高，比较适合大规模、成熟产品的加工。对于处于原型设计阶段的产品或小批量、定制化类产品，将因此产生巨大的成本投入。

利用数控加工的方式成形具有中空结构或曲面薄壁零件时，通常在一块能够覆盖零件最大外形轮廓的板材或棒材上，通过去除大量材料得到零件，有时，切削掉的材料质量甚至远超过零件本身的质量。对于昂贵材料，如植入级聚醚醚酮等，材料成本是限制产品发展的关键因素。

利用增材制造技术直接成形具有中空结构或曲面薄壁零件，一方面没有模具成本，缩短了生产周期，另一方面避免了大量切削，提高了材料利用率。但针对一些高熔点聚合物，如聚醚醚酮，无论熔融沉积成形，或选择性激光烧结，零件成形精度仍强烈依赖于材料牌号、零件摆放位置、摆放方向、加热温度等参数，零件的整体精度不易控制，尤其难以保证细微结构特征的精度和强度。

发明内容

本发明提供一种高熔点聚合物的加工方法及加工系统，能够解决现有方法中加工成本高、生产周期长的制造问题。

为实现上述目的，本申请提供一种高熔点聚合物的加工方法，所述方法包括：获取具有完整特征的零件数字模型；判断所述零件数字模型中是否存在除中空或曲面薄壁之外的指定特征；若存在，去除所述零件数字模型中除中空或曲面薄壁之外的指定特征，并添加余量，形成毛坯数字模型；将所述毛坯数字模型导入指定分层软件，以形成所述毛坯数字模型对应的驱动数据，所述驱动数据中至少包括扫描截面和打印参数；其中，所述驱动数据的数据格式与欲采用的增材制造设备相适配；将所述驱动数据导入所述增材制造设备中，以基于所述毛坯数字模型制作三维实体毛坯；对所述三维实体毛坯进行机加工，以在所述三维实体毛坯中添加被去除的所述指定特征，形成包含完整特征的零件。

进一步地，所述方法还包括：若所述零件数字模型中不存在除中空或曲面薄壁之外的指定特征，仅在所述零件数字模型中添加余量，以形成所述毛坯数字模型。

进一步地，将所述毛坯数字模型导入指定分层软件包括：

按照以下公式对将要导入的所述毛坯数字模型进行定位及校准：

其中，x(x_t,y_t,z_t)表示t时刻毛坯数字模型导入的位置，x_s表示在当前x坐标下，上一层的y坐标和z坐标，F为判断值，当进行毛坯数字模型导入时，若F值为0则可以导入，若F值不为0，则不能导入。

进一步地，所述余量基于打印误差和机加工的切削余量确定；其中，所述打印误差为特定牌号的PEEK材料在特定增材制造设备下的打印尺寸误差，若尺寸收缩则记为正值，若尺寸膨胀则记为负值；所述机加工的切削余量记为正值，所述打印误差与所述机加工的切削余量之和为需添加到所述零件数字模型的轮廓的总余量。

进一步地，所述零件数字模型为椎间融合器模型，所述椎间融合器采用的材料为植入级聚醚醚酮。

进一步地，去除所述零件数字模型中除中空或曲面薄壁之外的指定特征包括：

利用三维实体造型软件，去除所述椎间融合器模型中的锯齿结构及各安装定位结构；

其中，当采用熔融沉积成形打印PEEK LT1时，所述椎间融合器模型产生预设收缩量范围的收缩，相应地，添加的因材料收缩需增加的加工余量，得到毛坯数字模型的外形尺寸。

进一步地，基于所述毛坯数字模型制作三维实体毛坯包括：

将所述驱动数据输入计算机，以驱动熔融沉积成形设备，并进行打印，得到打印完成的具有中空结构的毛坯；

相应地，在所述三维实体毛坯中添加被去除的所述指定特征包括：

对所述具有中空结构的毛坯进行机加工，以在所述毛坯上添加被去除的锯齿结构及定位结构。

进一步地，所述零件数字模型为颅骨板模型或者颌面修复物模型，所述颅骨板或者颌面修复物采用的材料为植入级聚醚醚酮。

进一步地，所述颅骨板模型中不存在除中空或曲面薄壁之外的指定特征，相应地，仅对所述颅骨板模型添加余量；其中，当采用选择性激光烧结打印PEEK LT1时，所述颅骨板模型产生预设收缩量范围的收缩，同时增加因材料收缩而需增加的加工余量，则所述颅骨板模型的轮廓向外偏置相应尺寸，以形成所述毛坯数字模型。

进一步地，所述方法还包括：

将所述毛坯数字模型导入分层软件，形成包含扫描截面和打印参数的驱动数据；

将所述驱动数据导入计算机，驱动选择性激光烧结设备，进行打印，得到打印完成的颅骨板毛坯；

对所述颅骨板毛坯进行机加工，修复不能精确打印的特征，并去除余量，得到包含完整特征的颅骨板。

未实现上述目的，本申请还提供一种高熔点聚合物的加工系统，所述系统包括：

零件数字模型获取单元，用于获取具有完整特征的零件数字模型；

毛坯数字模型生成单元，用于判断所述零件数字模型中是否存在除中空或曲面薄壁之外的指定特征；若存在，去除所述零件数字模型中除中空或曲面薄壁之外的指定特征，并添加余量，形成毛坯数字模型；

驱动数据生成单元，用于将所述毛坯数字模型导入指定分层软件，以形成所述毛坯数字模型对应的驱动数据，所述驱动数据中至少包括扫描截面和打印参数；其中，所述驱动数据的数据格式与欲采用的增材制造设备相适配；

毛坯制作单元，用于将所述驱动数据导入所述增材制造设备中，以基于所述毛坯数字模型制作三维实体毛坯；

零件制作单元，用于对所述三维实体毛坯进行机加工，以在所述三维实体毛坯中添加被去除的所述指定特征，形成包含完整特征的零件。

本发明为具有中空结构或曲面薄壁零件，尤其针对贵重、高熔点聚合物，提出的利用增材制造技术成形毛坯，在机加工添加特征的加工方式，与传统的、单一加工方法相比，具有以下优点:

(1)可降低生产成本，具体包括材料成本及模具成本，利用增材制造技术成形零件毛坯，无需模具，因此去除了模具成本，在毛坯的基础上进行机加工，仅需去除一定的加工余量，大大减小了切削掉材料的质量，降低了材料成本；

(2)可缩短生产周期，该方法不涉及模具，因此去除了模具加工所占用的时间，无论是增材制造成形毛坯，还是机加工去除余量，都是一种相对快速的加工方式，因此产品生产速度得以提高；

(3)保证了零件细微结构的精度及强度，由于针对高熔点聚合物的增材制造技术相对仍为不成熟的技术，本方法在增材制造成形的基础上增加机加工处理，对零件的精度和强度都是很好的提高。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施方式中高熔点聚合物的加工方法流程图；

图2是椎间融合器的毛坯与完整特征零件示意图；

图3是颅骨板的毛坯与完整特征零件示意图；

图4是本发明实施方式中高熔点聚合物的加工系统的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本申请提供的一种高熔点聚合物的加工方法，包括：

S1：获取具有完整特征的零件数字模型；

S2：判断所述零件数字模型中是否存在除中空或曲面薄壁之外的指定特征；若存在，去除所述零件数字模型中除中空或曲面薄壁之外的指定特征，并添加余量，形成毛坯数字模型；

S3：将所述毛坯数字模型导入指定分层软件，以形成所述毛坯数字模型对应的驱动数据，所述驱动数据中至少包括扫描截面和打印参数；其中，所述驱动数据的数据格式与欲采用的增材制造设备相适配；

S4：将所述驱动数据导入所述增材制造设备中，以基于所述毛坯数字模型制作三维实体毛坯；

S5：对所述三维实体毛坯进行机加工，以在所述三维实体毛坯中添加被去除的所述指定特征，形成包含完整特征的零件。

在本实施方式中，所述方法还包括：

若所述零件数字模型中不存在除中空或曲面薄壁之外的指定特征，仅在所述零件数字模型中添加余量，以形成所述毛坯数字模型。

此外，由于在实际导入毛坯数字模型的过程中，各层级之间可能会出现位移偏差，导致整个加工过程不精准，这对于高精度的工件来说是致命的。因此在导入毛坯数字模型的过程中引入如下公式对将要导入的所述毛坯数字模型进行定位及校准：

其中，x(x_t,y_t,z_t)表示t时刻毛坯数字模型导入的位置，x_s表示在当前x坐标下，上一层的y坐标和z坐标，F为判断值，当进行毛坯数字模型导入时，若F值为0则可以导入，若F值不为0，则不能导入，需要进行调整，直到F值为0时，方可导入。

在本实施方式中，所述余量基于打印误差和机加工的切削余量确定；其中，所述打印误差为特定牌号的PEEK材料在特定增材制造设备下的打印尺寸误差，若尺寸收缩则记为正值，若尺寸膨胀则记为负值；所述机加工的切削余量记为正值，所述打印误差与所述机加工的切削余量之和为需添加到所述零件数字模型的轮廓的总余量。

在本实施方式中，贵重或高熔点的聚合物材料，材料成本大于或者等于1000元/公斤或熔点大于或者等于280℃，包括但不限于聚醚醚酮材料及其复合材料。

在本实施方式中，利用增材制造技术成形零件毛坯时，可采用熔融沉积成形、选择性激光烧结等方式。

具体地，下面通过两个实例对本申请的技术方案进行阐述。

实例1：

请参阅图2，以椎间融合器为例，采用熔融沉积成形加工零件毛坯，机加工添加特征，对本发明进行详细说明。椎间融合器是临床上用于治疗脊柱退行性疾病的主要器件，具有中空结构，采用的材料通常为植入级聚醚醚酮。实例1所示为多种椎间融合器的一种，最大外形轮廓为26mm×18mm×14mm。目前，椎间融合器主要通过机加工棒材，通过切削大量材料加工而成。

首先获取具有完整特征的椎间融合器数字模型。然后利用三维实体造型软件，去除模型中的锯齿结构及各安装定位结构。当采用熔融沉积成形打印PEEK LT1时，将产生约5％的收缩，同时增加1mm的加工余量，则成形的毛坯外形尺寸为28.3mm×20mm×15.7mm。接着，将毛坯数字模型导入分层软件，形成包含扫描截面、打印参数等信息的驱动数据。下一步，将该数据导入计算机，驱动熔融沉积成形设备，进行打印。最后，将打印完成的具有中空结构的毛坯进行机加工，添加被去除的锯齿及定位结构，包含完整特征的椎间融合器加工完成。

本实施例的有益效果是：(1)与单一机加工方式相比，减小了材料切削量，以实例1中所示的椎间融合器尺寸为例，切削量从64％下降到27％，材料成本将节约一倍以上；(2)与单一熔融沉积成形相比，保证了零件精度与细微特征强度，以实例1中所示的椎间融合器为例，锯齿结构是保证融合器安装强度的主要特征，运用单一熔融沉积成形方式，该结构多出现类似圆角或倒角的效果，而通过机加工添加特征，则保证了该结构的精度和强度。

实例2：

请参阅图3，以颅骨板为例，采用选择性激光烧结加工零件毛坯，机加工添加特征，对本发明进行详细说明。颅骨板主要用于修复颅骨缺损，是一种薄壁零件。聚醚醚酮是一种生物相容性非常优异的聚合物。具有X光可透过性，在CT及MRI影像学检查中不存在伪影问题。除此之外，聚醚醚酮材料的内植物还能够避免因金属离子释放引发的过敏及炎症反应。综上，相比与钛合金，聚醚醚酮材料的颅骨板是更优异的骨替代物。图3所示为厚度3mm的颅骨修复板，最大外形轮廓为87mm×87mm×28mm。目前，聚醚醚酮颅骨板主要通过机加工板材，通过切削大量材料加工而成。

首先获取具有完整特征的颅骨板数字模型。因实例2中颅骨板不存在需要特别注意的细小特征，因此仅计算余量。当采用选择性激光烧结打印PEEK LT1时，将产生约3％的收缩，同时增加1mm的加工余量，则颅骨板外形轮廓向外偏置约2mm形成毛坯数字模型。接着，将毛坯数字模型导入分层软件，形成包含扫描截面、打印参数等信息的驱动数据。下一步，将该数据导入计算机，驱动选择性激光烧结设备，进行打印。最后，将打印完成的颅骨板毛坯进行机加工，修复不能精确打印的特征，去除余量，包含完整特征的颅骨板加工完成。

需要说明的是，上述例举的最大外形轮廓的尺寸，并非代表每种椎间融合器或者每种颅骨板均采用相同的尺寸，在实际应用中，根据椎间融合器或者颅骨板的不同，可以采用其它的相适配的尺寸。此外，上述例举的收缩量，在实际应用中，也可以在预设收缩量范围内变化，并非限定于上述例举的具体收缩量。例如，所述预设收缩量范围可以是1％至15％。

本实施例的有益效果是：与单一机加工方式相比，切削量大大减小，材料成本显著减小，以实例2中所示的颅骨板为例，切削量不足原来的十分之一；(2)与单一选择性激光烧结相比，保证了零件精度与细微特征强度，以实例2中所示的颅骨板为例，打印完成后，各孔的大小与设计大小存在一定偏差，可通过机加工进行修正。

请参阅图4，本申请还提供一种高熔点聚合物的加工系统，所述系统包括：

零件数字模型获取单元100，用于获取具有完整特征的零件数字模型；

毛坯数字模型生成单元200，用于判断所述零件数字模型中是否存在除中空或曲面薄壁之外的指定特征；若存在，去除所述零件数字模型中除中空或曲面薄壁之外的指定特征，并添加余量，形成毛坯数字模型；

驱动数据生成单元300，用于将所述毛坯数字模型导入指定分层软件，以形成所述毛坯数字模型对应的驱动数据，所述驱动数据中至少包括扫描截面和打印参数；其中，所述驱动数据的数据格式与欲采用的增材制造设备相适配；

毛坯制作单元400，用于将所述驱动数据导入所述增材制造设备中，以基于所述毛坯数字模型制作三维实体毛坯；

零件制作单元500，用于对所述三维实体毛坯进行机加工，以在所述三维实体毛坯中添加被去除的所述指定特征，形成包含完整特征的零件。

本发明为具有中空结构或曲面薄壁零件，尤其针对贵重、高熔点聚合物，提出的利用增材制造技术成形毛坯，在机加工添加特征的加工方式，与传统的、单一加工方法相比，具有以下优点:

(1)可降低生产成本，具体包括材料成本及模具成本，利用增材制造技术成形零件毛坯，无需模具，因此去除了模具成本，在毛坯的基础上进行机加工，仅需去除一定的加工余量，大大减小了切削掉材料的质量，降低了材料成本；

(2)可缩短生产周期，该方法不涉及模具，因此去除了模具加工所占用的时间，无论是增材制造成形毛坯，还是机加工去除余量，都是一种相对快速的加工方式，因此产品生产速度得以提高；

(3)保证了零件细微结构的精度及强度，由于针对高熔点聚合物的增材制造技术相对仍为不成熟的技术，本方法在增材制造成形的基础上增加机加工处理，对零件的精度和强度都是很好的提高。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种高熔点聚合物的加工方法，其特征在于，所述方法包括：

获取具有完整特征的零件数字模型；

判断所述零件数字模型中是否存在除中空或曲面薄壁之外的指定特征；若存在，去除所述零件数字模型中除中空或曲面薄壁之外的指定特征，并添加余量，形成毛坯数字模型；

将所述毛坯数字模型导入指定分层软件，以形成所述毛坯数字模型对应的驱动数据，所述驱动数据中至少包括扫描截面和打印参数；其中，所述驱动数据的数据格式与欲采用的增材制造设备相适配；

将所述驱动数据导入所述增材制造设备中，以基于所述毛坯数字模型制作三维实体毛坯；

对所述三维实体毛坯进行机加工，以在所述三维实体毛坯中添加被去除的所述指定特征，形成包含完整特征的零件。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

若所述零件数字模型中不存在除中空或曲面薄壁之外的指定特征，仅在所述零件数字模型中添加余量，以形成所述毛坯数字模型。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，

将所述毛坯数字模型导入指定分层软件包括：

按照以下公式对将要导入的所述毛坯数字模型进行定位及校准：

其中，x(x_t,y_t,z_t)表示t时刻毛坯数字模型导入的位置，x_s表示在当前x坐标下，上一层的y坐标和z坐标，F为判断值，当进行毛坯数字模型导入时，若F值为0则可以导入，若F值不为0，则不能导入。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述余量基于打印误差和机加工的切削余量确定；其中，所述打印误差为特定牌号的PEEK材料在特定增材制造设备下的打印尺寸误差，若尺寸收缩则记为正值，若尺寸膨胀则记为负值；所述机加工的切削余量记为正值，所述打印误差与所述机加工的切削余量之和为需添加到所述零件数字模型的轮廓的总余量；

和/或

所述零件数字模型为椎间融合器模型，所述椎间融合器采用的材料为植入级聚醚醚酮。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，去除所述零件数字模型中除中空或曲面薄壁之外的指定特征包括：

利用三维实体造型软件，去除所述椎间融合器模型中的锯齿结构及各安装定位结构；

其中，当采用熔融沉积成形打印PEEK LT1时，所述椎间融合器模型产生预设收缩量范围的收缩，相应地，添加因材料收缩而增加的加工余量，得到毛坯数字模型的外形尺寸。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，基于所述毛坯数字模型制作三维实体毛坯包括：

将所述驱动数据输入计算机，以驱动熔融沉积成形设备，并进行打印，得到打印完成的具有中空结构的毛坯；

相应地，在所述三维实体毛坯中添加被去除的所述指定特征包括：

对所述具有中空结构的毛坯进行机加工，以在所述毛坯上添加被去除的锯齿结构及定位结构。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述零件数字模型为颅骨板模型或者颌面修复物模型，所述颅骨板或者颌面修复物采用的材料为植入级聚醚醚酮。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述颅骨板模型中不存在除中空或曲面薄壁之外的指定特征，相应地，仅对所述颅骨板模型添加余量；其中，当采用选择性激光烧结打印PEEK LT1时，所述颅骨板模型产生预设收缩量范围的收缩，同时增加因材料收缩而产生的加工余量，则所述颅骨板模型的轮廓向外偏置对应尺寸，以形成所述毛坯数字模型。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

将所述毛坯数字模型导入分层软件，形成包含扫描截面和打印参数的驱动数据；

将所述驱动数据导入计算机，驱动选择性激光烧结设备，进行打印，得到打印完成的颅骨板毛坯；

对所述颅骨板毛坯进行机加工，修复不能精确打印的特征，并去除余量，得到包含完整特征的颅骨板。

10.一种高熔点聚合物的加工系统，其特征在于，所述系统包括：

零件数字模型获取单元，用于获取具有完整特征的零件数字模型；

毛坯数字模型生成单元，用于判断所述零件数字模型中是否存在除中空或曲面薄壁之外的指定特征；若存在，去除所述零件数字模型中除中空或曲面薄壁之外的指定特征，并添加余量，形成毛坯数字模型；

驱动数据生成单元，用于将所述毛坯数字模型导入指定分层软件，以形成所述毛坯数字模型对应的驱动数据，所述驱动数据中至少包括扫描截面和打印参数；其中，所述驱动数据的数据格式与欲采用的增材制造设备相适配；

毛坯制作单元，用于将所述驱动数据导入所述增材制造设备中，以基于所述毛坯数字模型制作三维实体毛坯；

零件制作单元，用于对所述三维实体毛坯进行机加工，以在所述三维实体毛坯中添加被去除的所述指定特征，形成包含完整特征的零件。