CN1100020A - 变长线扫描快速自动成型方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种变长线扫描快速自动成型方法和装置。这 种制造方法和装置将计算机中储存的任意机械零部 件的三维型体信息通过材料添加法逐层选区粘结或 固化原料直接制造出来，无需特殊工具或人工干涉。 该装置包括变长线扫描系统、计算机型体信息处理和 精密自动控制系统、能量源和粘结剂源、工作室和进 料系统、工作过程监视反馈系统及辅助装置。该装置 可用于直接生产模型、模具及其它功能零部件。解决 了同类装置生产速度慢、所用原料有局限性等问题， 并能大大提高产品质量。

Description

本发明关于一个变长线扫描快速自动成型方法和装置。属于逐层材料添加法制造功能零部件领域。这个方法和装置将计算机辅助设计的三维零部件用可变长度的线扫描法，通过逐层材料添加一步制造出来。光源与起始的光敏或热敏材料相互作用，或是粘结剂作用于粉末，逐层固化并各层连接而制得三维固态零部件。这个方法的本质是一种积分法制造三维实体。这个方法的核心是线扫描束长度可从点到任意长度连续动态可调。而这个方法的特点是原料的多样性。

传统的机械加工方法可以归纳为材料去除法。在这些加工过程中，复杂或简单的零件是由整体原料“减”出来的。去除法的例子包括铣、车、钻、磨、切等。尽管这些方法在加工一些零件时很有用，它们存在很多问题。首先，这些传统的材料去除法会产生大量的废料，并且需要很有经验的工人去操作。所用的工具，如车刀、钻头等，既贵又不耐用。工具的磨损问题，不仅带来换工具的费用问题，还有一个精度问题。工具的磨损引起加工精度下降，是这些加工方法的真正问题，因为这些方法中精度通常是由螺距的精度控制的。其次，这些传统的加工方法很难或不可能用于制造不规则外形并带复杂内部精细结构的零部件。遇上这类零部件，只能将其分成几个部分加工，然后用螺钉、焊接或其它方法将这几个部分组装起来。

一个解决生产复杂不规则形状零件的方法是铸造法。但是铸模的制造仍然是个问题。一般这类铸模的制造是用手工进行的。手工模具的精度差不说，生产周期也很长。一个复杂的木模，通常要花几个月去做。若发现有设计问题返工的话，又要几个月，这使得产品更新换代的周期大大加长，成本也随之增高，很多企业因此难以及时更新产品，从而失去市场竞争力。

近几个发展起来的材料添加法制造零部件，试图从根本上解决上述问题，受到工业界的普遍关注。这些添加法有的正处于开发之中，有的已经商品化。这些方法在一定程度上解决了传统方法中的上述几个问题，但本身也存在一些问题。到目前为止发展起来的十多种快速成型技术中，大多数采用逐层材料添加。而每一层的固化多用点扫描“写”法，点扫描包括点聚焦激光扫描，如美国专利#4，575，330，#4，863，538，#5，169，579。在这三个专利中，原料分别为光敏液体高分子材料、粉末和气体，通过激光诱导固化，激光加热烧结以及激光诱导气相沉积来实现选区固化。扫描的激光光束将每层逐点“写”出来。选区粘结法（美国专利#5，204，055）是不用激光而逐点“写”的方法。这个方法以粉末和粘结剂为原料，在铺平的粉末表面上选择地施加粘结剂从而达到逐层制造出三维实体的目的。对于小零件，这些逐点写法还说得过去，生产大零件时，就会有生产速度的问题。就象用笔写满一页纸不算难，要粉刷一面墙就有问题了。这时人们往往用板刷，甚至用墙纸，而不会用笔去写。

点扫描方法还有一个温度梯度大的问题。已固化部分在扫描点热源的作用下，产生很大的温度梯度，从而导致残余应力，引起零件变形。各种成型技术都有其自身的优点和弱点，如光敏液相法有个材料品种单调，即只能做光敏高分子材料的问题，还有一个遇上制造有悬空结构的零件需先做支架的问题。选区激光烧结法所用材料多样，可以是塑料、陶瓷、金属或它们的复合材料，但未经后处理的零件表面粗糙、密度低是个问题。工程技术人员期望能根据不同的应用需求，选用不同的成型技术。

本发明的目的之一就是提供一种方法和装置，用于快而高质量地材料添加法制造三维实体产品。

本发明的目的之一就是提供一种方法和装置，综合多种成型技术于一体，一机多用。

本发明的目的之三就是要扩充光敏材料的范围，使液相法也可以做陶瓷或金属材料;提高选区粉末烧结法中的原料密度，从而提高成品的密度和减轻表面粗糙度。

本发明的目的是通过以下方法实现的：将计算机辅助设计的三维零部件用一切片程序分成片，再将每片以一定的间距用线描述出来。片间距和线间距是可调的加工参数。将这些各片层中线的数据转换成电信号去控制变长线扫描系统工作，变长线扫描光源或粘结剂与起始材料相互作用，逐条线、逐个层地将设计的零件制造出来。

本发明的目的是通过下述装置实现的：在工作室的一个平板上加上一层均匀厚度的原料，光源或粘结剂在计算机的控制下，以一定的速度和线间距扫过之后，三维零件的第一个面就造出来了。将工作室的平板下降一定距离，相当于第二层的厚度，再加上第二层原料，光源或粘结剂按照计算机中第二层的数据，将第二层扫描出来并连结在第一层上，如此逐层添加，就能制造出三维零件。原始材料可以是光敏或热敏的，也可以是光敏材料和热敏材料的混合。这个方法可以用来加工塑料、石蜡、金属、陶瓷及它们的复合材料。若用粉末作原料，原料密度提高是通过一个粉末压实机构来实现的。

与现有技术相比，本发明的技术方案有以下优点：变长线扫描的引入，使生产零部件的速度大大提高，同时降低了温度梯度，从而减小零件变形，提高了精度。压粉装置的引入，使选区烧结的零部件密度提高，从而增大强度，同时，也可改善表面粗糙程度。设计的装置综合了多种快速自动成型技术，实现了一机多用，因而大大扩宽了原料范围，包括气体、液体和固体粉末。该装置可用来加工塑料、石蜡、陶瓷、金属及它们的复合材料零部件。不但可以解决计算机辅助设计中“看得见，摸不着”的问题，还使得复杂零部件的一步成型，特殊零件的高质量、短周期、低费用的制造成为可能。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1.    是变长线扫描快速自动成型系统原理框图。

图2a-2c.    是由CAD三维设计转变成线扫描数据的示意图。

图3a和3b.    为变长线扫描器，其中图3a用粘结剂线扫描，图3b用光源线扫描，图3c和图3d分别为粘结剂管的横截面和挡块与粘结剂管组装横截面。

图4.    球面柱镜线聚焦光源线扫描系统，光源可以是紫外光、红外光或白光。

图5.    变长线扫描法制造三维实体示意图。

图6.    变长线扫描快速自动成型装置实施例。

图7.    带压实装置的快速、均匀供料及变长线扫描系统。

图8a-8c.    变长线扫描选区烧结法和选区粘结法零件制造过程。

图9a-9c.    变长线扫描光敏液相法零件制造过程。

尽管本发明的实现可以有多种形式的仪器设计，下面的例子给出一种实施例。需要指出的是，这种描述并不是打算将本发明限制在这个特殊形式上，相反地，本发明将覆盖所有的变换形式，所有受专利保护的内容。

图1.是变长线扫描快速自动成型系统原理框图，该系统包括能量或粘结剂源（56），变长线扫描器（57）、工型室（82）、原始材料供给（91）、成型气氛控制（87）、Z方向位移控制（99），工作过程监视反馈系统（107）以及一台用于型体信息处理和控制成型系统的计算机（77）。计算机产生的型体信息用来控制变长线扫描系统的开关。变长线扫描系统包括变长线扫描器（57）和能量源或粘结剂源（56）。原料的供给（91），工作气氛（87）和Z方向位移（99）也都是由计算机（77）来控制的。工作过程监视（107）包括各种参数（如温度，压力，气体成份等）的测量以及各层形貌的图象与设计层的图象的比较等。这种监视系统用以实现闭路控制。计算机采集的数据可以用来修正对能量源或粘结剂源（56），变长线扫描器（57），原料供给（91），Z方向位移（99）以及工作气氛（87）的控制，从而实现智能化加工零件。

某种程度上说，快速自动成型机是一个计算机输出设备，即“三维打印机”。输入的型体信息至少可以有三种形式：（一）计算机辅助设计（CAD）的三维实体文件;（二）由三维数字化仪扫描所得的仿真零件文件;或（三）由数学运算而得的数学模型。无论以何种方式得到的三维型体信息，都需要经过预处理，才能用于成型机。如图2所示，三维实体（1）先经过切片（Slicing）处理，切成一系列的一定厚度的片层（2），然后将这些片层逐层以一定间距的线（3）表示出来。这些线的坐标数据就是线扫描系统的控制信号。

变长线扫描器（57）可以有多种设计。即可使用能量源或粘结剂源（56）。图3给出了两个例子。图3a是变长线粘结剂束扫描器。线粘结剂束是由一个带一定宽度和长度狭缝（12）的供粘结剂管（4）来实现的，这个管与一粘结剂源（5）相连，由泵来实现匀速供给粘结剂。狭缝的宽度与成型加工时的分辨率有关，其长度可根据设计的最大加工零件的尺寸来定。粘结剂的变长是由两块可沿粘结剂管长度方向往复运动的挡块（6，7）来实现的。图3c和图3d分别为粘结剂管（4）的横截面和挡块（7）与粘结剂管（4）组装横截面。挡块所到之处，粘结剂被挡住。两个挡块在管中心相遇时，无粘结剂输出，相应于变长线扫描器关闭的状态。这两个挡块分别由两个马达（8，9）驱动并由计算机（77）根据上述的座标数据来控制。粘结剂管和挡块及其驱动马达都装在一个支撑架（10）上，这个支撑架由另一个马达（11）驱动，可沿粘结剂管的径向往复运动。同样，这个运动也是由计算机（77）根据上述座标数据来实现的。另一种线扫描器如图3b所示，是一种变长线光源扫描器，由一块有狭缝（19）的板（13）和两块挡光板（14，15）组成。板上带有电机（16），驱动板沿平面上的一个轴向往复运动。两个挡光板上也分别装有电机（17，18），驱动挡光板沿垂直于板运动方向的轴方向移动。板和挡板的移动都是由计算机（77）控制的，控制信号就是所要制造零件的型体信号。光源在狭缝（10）上方一定距离，板将其与原料分隔。光源可以是红外线、紫外线或白光。

上述变长线扫描器的支撑架或板靠近原料的一面可以装加热器来预热原料。

为增加光源强度，提高效率，光源可以是线聚焦的，如图4所示。一个直光管在凹球面柱镜（22）的聚焦下成为线聚焦光源（23）。光源置于变长线扫描器（57）之上，线聚焦光（23）穿过变长线扫描器的狭缝（19），其线长度受变长线扫描器调节。

如果线光源以及变长线扫描器的最大扫描范围大于要制做零件的最大尺寸，一步扫描就可以制得零件的一层，如图5所示。变长扫描器（57）沿着图中箭头所指的方向移动，并连续改变线扫描长度（58），就将原料（59）固化成设计的形状（1）。

激光源也可以聚焦成线光源，但对大零件来说，要将激光聚成很长的一定强度的线光源是不容易做到且需要很大功率的激光器。在这种情况下，可以采用多束激光并用的方法，也可以采取分段扫描来实现大零件的制造。

图6是变长线扫描快速自动成型装置实施例设计结构示意图。为描述方便起见，控制柜（478）和成型柜（477）中的许多细节均未画出。控制柜中包括计算机，变长线扫描器控制部分，原料供给控制系统，Z方向位移控制系统，工作气氛控制系统，还有成型机工作状态指示等。成型柜中包括工作室（82），变长线扫描系统，粘结剂供给泵等。工作室有一个观察窗（500）。工作室内有三个“活塞”筒（101，102，103），中间的是零件加工筒（102），两边的是原料供给筒（101，103）。活塞筒无上盖，原料表面与线扫描能量束或粘结剂束垂直。三个马达（121，122，123）分别驱动三个活塞上下移动，位移的控制是由计算机（77）来完成的。其中零件加工筒（102）中的活塞位移精度直接影响加工零件精度。

工作室中至少还应包括变长线扫描器导轨、原料上表面环境温度测量装置、用于气氛控制的气体进口和出口，这种进口和出口由计算机通过一附属的真空系统来实现工作室的真空及保护气体或反应气体的控制。

变长线扫描系统（56，57）和三个“活塞”筒的相对位置如图7所示。原料铺平是由反向旋转的滚子（133，134）来实现的。若是粉末原料，还需压实板（131，132）来增加粉末的密度。铺平滚（133，134）、压实板（131，132）与变长线扫描系统（56，57）成一组，可使进料，选择固化同时进行，从而提高成型速度。

如果是粉末原料，成型机的工作过程如图8a-8c所示。在图8a中，变长线扫描系统（56，57）处于起始位置，两个原料筒（101，103）填满粉末（137），中间的零件加工筒（102）也被铺上一层均匀的粉末，这些都是在预铺粉时完成的。加工开始，变长线扫描系统（56，57）、滚子（133，134）和压板（131，132）一起右移，同时左原料筒（101）中的活塞上移一定距离，使一定厚度的粉末被推出参照平面（777），这个厚度一般在100-500微米左右。零件加工筒（102）中的活塞下移一定距离，使其中的粉末表面处于加工平面（778）上，加工平面是指线扫描的设定光聚焦或喷射粘结剂面，加工平面与参照面之间的距离，应等于图2b中的切片层距，一般为100微米左右。

如图8b所示，滚子（133）在向右移的同时，反向旋转，将粉末（137）均匀地沿途铺平。当变长线扫描器（57）的狭缝达到所定义的零件层（779）的最左边沿时，变长线扫描即开始，或是用光子加热使粉末选区烧结或是以粘结剂选区粘结。这样铺粉在后，扫描在前，一层固化后，下一层的粉也铺好了。变长线扫描系统（56，57）达到了右端起始位置，如图8c所示。这时工作室（102）的活塞或者下移一步，使粉末表面回到加工表面，或者先上移一步使粉末表面顶上压板（132），以使压实，然后再回到加工表面。上升的距离由压实的程度来定。而右边的原料筒（103）中的活塞则上移一定距离，使一定厚度的粉末（100-500μm）左右被推出参考表面。变长线扫描系统（56，57）左移，右边的滚子（134）反转将粉末沿途铺平。变长线扫描器的狭缝达到所定义的新的一层零件层的最右边沿时变长扫描开始工作，选区烧结或粘结使当前层固化并连结到已固化的前一层上。当变长线扫描系统移动到左端起始位置时，又可以开始下一层的铺粉扫描。如此反复，直到零件的最后一层。将所有未被烧结或粘结的粉末去掉就可以得到一个三维的实体零件。视零件的用途可以进行不同的后期处理。包括打磨、抛光、渗透、和涂层等。粘结的实体通常要先进行常规烧结，以提高强度。

左右两个原料筒中的粉末可以是同种的，也可以是不同种的，这样加工出的零件可以是均匀材料，也可以是层状复合材料组成的。由于即使两筒都采用同一种粉末，该粉末也可以是复合粉末，即有多种材料组成，这是实现复合材料零件的方法之一。方法之二可以是通过后处理来实现复合材料零件。即通过材料渗透，来实现这一点。

粉末烧结也可以是在反应气氛下进行，如Si粉在氮气中烧结可以生成Si₃N₄陶瓷材料。又如Al粉在空气中烧结可以生成Al₂O₃。这种烧结通常叫反应烧结。

若要用气体作原料，变长线扫描系统（56，57）仅在零件加工筒（102）上方工作，加工筒中的活塞上装有一块平整的板，气相在受热或受光化学诱导时易于在其上表面形核生长。这块平板的表面起初处于加工表面上，然后活塞在加工过程中下移，下移的距离与零件片层间距有关。一次下移与另一次下移的时间间隔与气相沉积的速度和每层的厚度相关。

如果使用液体作原料，其工作过程如图9a-9c所示。图9a表示起始状态，变长线扫描系统在一边，比如说左边，三个筒中的液面都在参考面（777）上。这种情况下，参考面和加工面一致。加工开始时扫描系统（56，57）右移，当变长线扫描器的狭缝遇到所定义的零件层的最左边沿时，变长线扫描器就开始工作，选区光敏固化使当前层固化（图9b）。当扫描系统达到右边起始位置时，加工筒（102）中的活塞下降一定距离。而左右两个原料筒（101，103）中的活塞各上升一定距离，使两个筒中被上顶的原料（333）足以填平加工筒中下降的部分。这时扫描系统开始向左移，滚子（133，134）可帮助把粘滞系数较大的液体铺平。当变长线扫描器的狭缝遇到所定义的零件层的最右边时，变长扫描又开始。固化当前层并将其连结到前一层上。这样如此反复，三维零件就造出来了。液体原料可以是光敏高分子材料，用来制造塑料零件。也可以是热敏聚合物来制造金属或陶瓷零件。例如：用Polycarbosilane（聚碳硅烷）就可以制得Sic零件。

以上描述可以看到，同一台机器可以用气体、固体粉末、液体或它们的混合物作原料，实现一机多用。

上述各成型过程控制可以是开路的，即计算机（77）只发执行指令无反馈信息。也可以是闭路的，即计算机根据监控系统（107）反回的信息对下一步的指令实行修正。比如：可以将每层的表面形貌用摄像机摄入计算机，与设计形貌作比较，若在误差范围内两者相同，就继续执行下层原始指令，若有超出误差范围的差别，就修正指令。例如：动态调节光强度或粘结剂流量，调节温度，压力，气体以及进料量等来较正误差。以此来实现成型的智能化。

Claims (21)

1、一种变长线扫描快速自动成型方法，其特征在于将机械零部件的三维型体信息在计算机中分成片，再将每一片以一定间距用线描述出来并转换成电信号去控制变长线扫描系统工作，变长线扫描光源或粘结剂源与原料相互作用，逐条线、逐个层地将零件制造出来。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于电信号控制成型过程可以是闭路的或开路的。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于变长线扫描系统的扫描线长从点到任意长度连续动态可调。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于变长线扫描系统的线束可以是聚焦光源、散光源或粘结剂线束，光源可以是紫外光、红外光或白光。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于原料多样性，包括气体、液体、固体粉末或它们的混合物。

6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于液体原料可以是光敏高分子材料，也可以是热敏材料，如Polycarbosilane（聚碳硅烷）。

7、一种变长线扫描快速自动成型装置，其特征在于包括：

三维型体信息处理系统和控制系统

用于选择固化原料的能量源或粘结剂源

变长线扫描系统

工作室

原料表面相对工作室平面上升和下降控制系统

进料系统

工作过程监视系统

辅助装置

8、根据权利要求7所述的装置，其特征在于有一个密封的工作室，工作室内的温度和气体成分是可以控制的，工作室包括观察窗。

9、根据权利要求7所述的装置，其特征在于一变长线扫描系统置于工作室内。

10、根据权利要求9所述的装置，其特征在于上述变长线扫描系统有一光源，并有两块挡光板和狭缝，能作平面变长线光束扫描。

11、根据权利要求9所述的装置，其特征在于上述变长线扫描系统有一粘结剂源，并有两个挡块和带狭缝的管，能作平面变长粘结剂束扫描。

12、根据权利要求8所述的装置，其特征在于工作室中有两个可以反向旋转、转速可调的滚子，用于辅平原料。

13、根据权利要求12所述的装置，其特征在于在工作室内与上述滚子相连有两块压板，用于粉末压实，增加密度。

14、根据权利要求13所述的装置，其特征在于上述压板靠原料的一面装有加热器，可以将原料表面预加热。

15、根据权利要求8所述的装置，其特征在于上述变长线扫描系统、滚子和压板成为一组，架于工作室中一导轨上，进料和扫描可同时进行。

16、根据权利要求8所述的装置，其特征在于工作室的底部三个活塞筒，活塞的上下移动由计算机控制;中间活塞筒为加工筒，边上两个为原料供给筒。

17、根据权利要求7所述的装置来生产气相沉积零件的步骤，其特征在于在加工筒中的活塞上放上一平板，气相在受热或受光化学诱导在板上表面形核并生长，选区沉积开始时，这块板的上表面处于加工表面，加工过程中活塞下移，下移的距离与零件的片层间距相同，下移的频率与气相沉积速度和每层厚度相关。

18、根据权利要求7所述的装置来生产光敏液体固化零件的步骤：其特征在于：起始状态，变长线扫描系统在一边，如左边，三个筒中的液面都在加工面上;加工开始，变长线扫描系统的狭缝右移到所定义的零件层的最左边沿时，变长线扫描开始，选区光敏固化使当前层固化;当扫描器到达右边起始位置时，加工筒中的活塞下降一片层间距，而左右两个原料筒中的活塞各上升一定距离，使两个筒中被上顶的原料足以填平加工筒中下降的部分，这时变长线扫描系统开始向左移，滚子可帮助把粘滞系数较大的液体铺平，当变长线扫描系统的狭缝遇到所定义的零件层的最右边时，变长扫描又开始，固化当前层并将其连结到前一层上;这样如此反复，三维零件就制造出来了。

19、根据权利要求7所述的装置来生产粉末固化零件的步骤，其特征在于先预铺粉，变长线扫描系统处于起始位置，如左边，两个原料筒填满粉末，中间的零件加工筒中也铺上一层均匀的粉末;加工开始，变长线扫描系统、滚子、和压板一起向右移，同时左原料筒中的活塞上移一定距离，使一定厚度的粉末被推出参照平面，这个厚度一般在100-500微米左右，零件加工筒中的活塞下移一片层距;滚子在向右移的同时，反向旋转，将粉末均匀的沿途铺平;当变长线扫描系统的狭缝达到所定义的零件层实体的最左边沿时，变长扫描即开始，或是用光子加热使粉末选区烧结或是以粘结剂选区粘结;这样铺粉在后，扫描在前，一层固化后，下一层的粉也铺好了;变长线扫描系统达到了右端起始位置时，工作室的活塞或者下移一步，使粉末表面回到加工表面，或者先上移一步使粉末表面顶上压板，以使压实，然后再回到加工表面，上升的距离由压实的程度来定;而右边的原料筒中的活塞则上移一定距离，使一定厚度的粉末（100-500μm左右）被推出参考表面;变长线扫描系统左移，右边的滚子反转将粉末沿途铺平;变长线扫描系统的狭缝达到所定义的新的一层零件层的最右边沿时变长扫描开始，选区烧结或粘结使当前层固化并连结到已固化的前一层上;当变长线扫描系统移动到左端起始位置时，又可以开始下一层的铺粉扫描;如此反复，直到零件的最后一层;将所有末被烧结或粘结的粉末去掉就可以得到一个三维的实体零件，视零件的用途可以进行后期处理;粘结的实体通常要先进行常规烧结，以提高强度。

20、根据权利要求19所述的步骤，其特征在于两个原料筒分装不同的原料，来造层状复合材料零件。

21、根据权利要求19所述的步骤，其特征在于粉末在反应气氛中烧结，生成不同于原料的反应物零件。

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