CN1088640C - 快速原型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速原型方法。采用三维CAD软件构造所需加工零件的三维实体造型；将激光束经扩束然后聚焦于透明材料内部，启动数控加工程序，数控设备带动坯料运动，使激光束焦点在零件实体的轮廓表面进行扫描与切割，从而使得零件实体与多余部分材料分离，形成三维实体原型。有机玻璃、聚碳酸脂和环氧树脂均可适用于制作本发明使用的坯料。

Description

快速原型方法

本发明属于制造技术领域的零件原型加工成形工艺方法，具体涉及一种快速原型方法。

在制造业中，随着经济的全球化，市场竞争日趋激烈，产品更新换代加快，产品越来越向多品种、小批量、高精度、高性能、低成本的方向发展。制造业为了保持产品的市场竞争力，要求设计者尽量缩短新产品的开发和制造周期，以实现对市场变化、新技术开发的快速反应能力，达到加速产品开发的目的。为此，将设计者所建造的产品几何模型尽快转化成实物模型，以尽早分析、判断设计的合理性，已成为一种迫切的需要。

基于此，于八十年代末，一种快速制造零件原型的新技术——快速原型制造技术(Rapid Prototyping Manufacturing)首先在美国出现了。其要点是采用受控“生长成形的”方法，使计算机中设计的零件实体造型直接转换成零件的实物模型，而无需专门的模具、夹具及其他专门的加工装备。所得到的零件实物模型可用于观察所设计零件的外观、检验其可加工性和可装配性，还可付诸有关的力学试验。这些实物模型也可通过精密铸造等方法转换成真实的金属零件。快速原型技术对于加速新产品的研制开发过程具有重要意义。目前仍然是各国在制造领域的研究热点之一。

快速原型工艺方法种类繁多，按照成形的特点，大体上可以分为两类：第一类，“聚点成形”方法，它是以材料在受控状态下的点滴堆积而成形，包括立体光刻成形(Stereo-Lithograph Apparatus，SLA)、选择性激光烧结成形(SelectiveLaser Sintering，SLS)和熔化沉积成形(Fused-Deposition Modeling，FDM)等等工艺；第二类，“叠层成形”方法，其代表是分层实体造型法(Laminated ObjectManufacturing，LOM)。现以立体光刻成型技术为例，介绍现有的快速成型技术的基本原理。其要点是，首先根据产品的三维CAD模型，经过数据处理变成面化的(由大量微小三角形平面组成的)模型，然后通过计算机“切片”将面化模型切成一系列横截面，数控的激光束按照每一层片的轮廓线和内部路径进行平面扫描，使盛于容器内的液态光敏树脂逐层固化。固化过程从工作平台上的第一层液体开始，该层周化后，工作平台沿z方向下降一段距离，新的一层液态树脂覆盖在已固化层上面，进行第二层固化，此过程重复至最后一层固化完毕，便生成三维实体的塑胶件。这种扫描有两个特点，第一，它总是在介质的表面作用，并不深入材料内部；第二，它必须扫到零件实体中的每一点，即进行体扫描。

现有的快速原型制造技术有以下局限性：(1)加工周期还较长。一个较为复杂且较大尺寸的零件，往往需要几天甚至一个星期。究其原因，在加工过程中，激光束必须进行体扫描，而激光束在焦点处的斑点直径只有0.1mm左右，扫描斑点密集，扫描路径长，使得加工周期长，耗费的能量大。(2)加工精度不是很高。层片的翘曲，特别是大尺寸零件的扫描变形，固化过程中材料的收缩以及分层实体造型(LOM)中箔材(如纸张)的吸潮变形等原因使得零件原型的精度受到很大影响。(3)设备较为复杂。各种快速原型技术的设备无一例外的需要升降台，因而必须采用专门设计的设备，设备投资大。

本发明的目的在于提供一种新颖的快速原型方法。本发明改“体扫描”为“面扫描”，因而可在一定程度上克服现有快速原型方法的某些局限性和不足，更好地满足现代制造业的需求。

为实现上述发明目的，本发明所采用的方法包括以下步骤：

①采用三维CAD软件构造所需零件的三维实体造型；

②采用数控加工编程方法，生成加工零件表面的数控加工程序；

③将坯料安装于数控设备上，将激光束先行扩束，然后聚焦于坯料内部；

④启动所述模型的数控加工程序，所述数控设备带动所述坯料运动，使激光焦点在零件的轮廓表面进行扫描和切割，扫描过程从离工作平台最近的横截面的轮廓线开始，逐层扫描以使零件实体与多余部分材料分离，最后形成一个三维实体的原型；

作为辅助的加工步骤，还需要等外表的余量材料剖开，以取出工件；将内腔的材料切碎，以便取出。

采用本发明进行零件加工成形时，制作坯料的材料需要满足以下要求：①对于该波长的激光具有透明性：当未聚焦部分的光线通过材料时，由于能量密度低，材料对于激光的吸收率也低，穿过的光线对于材料的性质无影响，激光本身的衰减也比较小。②在焦点处的吸收特性：在焦点处由于能量密度高，材料对于激光的吸收率上升，引起材料发热、变性，透明度下降，吸收率上升，发热增加，以致被烧融。材料对激光的透射性和吸收性是一对矛盾，对激光透射性过好的材料可以穿人材料很深距离，但由于吸收性很差，因而不能引起材料的破坏，达不到加工的目的；对激光吸收性过好的材料，当激光照射到这种材料时，其表面基本上已吸收了大部分激光能量，从而不能使激光进入到材料的内部，同样也不适用于内割加工。③熔融以后的碳化或气化：所采用的有机材料在熔融以后应发生碳化或气化，使该处的联结强度大为下降或生成孔隙。发明者经过大量的实验，发现有机玻璃、聚碳酸脂和环氧树脂均可适用于制作本发明使用的坯料。

实现上述发明的装置包括：

①脉冲激光器：采用Nd-YAG(掺钕钇铝石榴石)激光器，其所发出的激光波长为1.06μm，功率需10～50W。对激光先行扩束，然后聚焦。

②三维数控设备和CAD接口部分：该部分主要由三轴联动数控设备和“切片”计算机及CAD接口软件和控制软件组成。“切片”计算机可为586个人用计算机，带有网络接口卡，它主要对CAD模型进行面化处理使之变成适合于内割加工的文件格式(零件横截面轮廓格式)；三轴联动数控设备主要用于使加工件在x-y平面内沿零件横截面轮廓线运动，在z方向使加工件上下运动；CAD接口软件包括对CAD模型的网络通讯，接受从CAD来的PHIGST的压缩二进制曲面表示，设定过程参数等，控制软件主要控制数控设备的运动。从而实现激光焦点在材料中沿零件外表面进行扫描，实行内部切割。

采用本发明进行零件加工成形，具有高效率、低成本和较高精度成形的特点。具体论述如下：①可加工出形状十分复杂的样件：与现有的表面激光切割加工方法相比，本发明方法可以一次成形，加工出形状十分复杂的样件，甚至可以加工出层层嵌套的多层封闭壳体。②可以降低成形能耗，减小环境污染：本发明方法只是将坯料上的余量作为一个整体，可以切割分离，与普通的金属切削加工方法不同，它并不将余量部分的材料切成切屑，而是将能量集中消于成形新的表面。③可以提高成形速度：与“聚点成形”一类的快速原型方法相比较，本发明方法只需进行“面扫描”，而无需进行零件实体扫描，因此，它的生产效率较高。④可以提高所制造零件模型的精度及其稳定性：与“层叠成形”类的快速原型方法相比较，本发明方法生产的零件模型是由整快的原始坯料制成，其性能均匀、稳定、精度保持性高。⑤可以在普通数控机床上加工：实现本发明所需设备即可以是研制的专用设备，也可以在一般机床上配备激光系统进行“无刀具切削加工”；可以采用常规切削加工的数控程序来驱动机床(只需要一次进刀)；也可以借用现有快速原型方法中典型的“面化”与“切片”程序，生成零件薄片，使激光焦点只要沿切片的边界扫描，而不必“填充”薄片的内部。因为本发明与现有的快速原型方法不同，它并不需要升降台等辅助机构与设备。并且由于无宏观力的作用，与切削加工相比，更有利于提高加工精度。⑥成本低廉：所采用的激光器和工件材料均为普及品，系统建造和运行的费用比较低。

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。

图1为本发明的零件加工系统示意图；

图2为采用本发明加工封闭形状零件的加工示意图；

图3为采用本发明在车床上加工回转体模型的示意图：

图4为实施例的加工结果示意图；

图5为实施例中的垂直于高度方向的横截面切片示意图；

图6为实施例中的行切法走刀路线示意图。

在图1所示的零件加工系统示意图中，激光器1为脉冲激光器，采用Nd-YAG(掺钕钇铝石榴石)激光器，其所发出的激光波长为1.06μm，功率为10～50W。激光器1所发出的光束经过扩束系统2扩束后再经过聚焦镜3进行聚焦，聚焦后的光束照射在位于工作平台11上的坯料12中，数控加工系统8和x方向5，y方向6，z方向7的驱动装置组成数控设备4，调整数控设备4，使光束进入坯料12，并使聚焦后的焦点9位于所需加工成形实体的表面10上。

图2为对封闭形状零件进行加工的示意图，先用三维CAD软件设计该零件的并转化成面化模型，然后通过计算机切片将面化模型切成一系列横截面切片14，将激光束13的焦点9置于离工作平台最近的面化模型的横截面的轮廓线上，启动所述模型的加工程序，逐层扫描每个横截面的轮廓线，使零件与多余部分分离，从而得到一个完整的封闭形状零件的三维实体原型。

如图3所示，将激光器1、扩束系统2和聚焦镜3安装在数控车床刀架15上，数控车床刀架15可在数控系统的控制下根据所需加工成形的零件的横截面的轮廓线的形状在xy平面上移动。坯料12装夹于数控车床主轴16上，随数控车床主轴16旋转，从而加工出一个完整的回转体原型。

实施例：

1、设备；①华中I型数控铣床一台；②Nd-YAG脉冲激光器，功率10-50W；③586计算机一台；

2、坯料：市面购买的普通有机玻璃一块，尺寸为：60mm×60mm×40mm；

3、加工目的：在坯料内部切割出一块20mm×20mm×20mm的立方体；

4、实施步骤：

①采用Auto CAD 12.0设计一个20mm×20mm×20mm的立方体图形并转化为面化模型；

②对上述面化模型从垂直于高度方向进行切片处理，切片厚度为：0.1mm，处理结果如图5所示，图5-1为下底层，图5-2为第二层，图5-3为第200层，图5-4为上底层；

③按数控加工中的行切法设计走刀路线，走刀路线如图6所示，图6-1为下底层，图6-2为第二层，图6-3为第200层，图6-4为上底层；并以相对坐标系编制G代码程序，将激光束焦点定位于所加工立方体的下底面的右上角顶点处；

④调整激光的参数及选择数控铣床的运动速度，在激光器的控制面板上将电流调整至13.3A，脉冲重复频率调整至3,000Hz，在数控铣床的控制面板上将速率调整至10％，则铣床的进给速度为0.6/min；

⑤将坯料固定于数控铣床的加工平台上，启动数控铣床，输入G代码。加工结果如图4所示。

Claims (5)

1、一种快速原型方法，其步骤包括：

①采用三维CAD软件构造所需零件的三维实体造型；

②采用数控加工编程方法，生成加工零件表面的数控加工程序；

③将坯料安装于数控设备上，将激光束先行扩束，然后聚焦于坯料内部；

④启动所述模型的数控加工程序，所述数控设备带动所述坯料运动，使激光焦点在零件的轮廓表面进行扫描和切割，扫描过程从离工作平台最近的横截面的轮廓线开始，逐层扫描以使零件实体与多余部分材料分离，最后形成一个三维实体的原型。

2、根据权利要求1所述的快速原型方法，其特征在于：在完成上述步骤后，作为辅助的加工步骤，还需要将外表的余量材料剖开，以取出工件：将内腔的材料切碎，以便取出。

3、根据权利要求1或2所述的快速原型方法，其特征在于：所述的坯料由有机玻璃材料作成。

4、根据权利要求1或2所述的快速原型方法，其特征在于：所述的坯料由聚碳酸脂材料作成。

5、根据权利要求1或2所述的快速原型方法，其特征在于：所述的坯料由环氧树脂材料作成。

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