CN110271194A - 一种立体成形增材制造的算法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公布一种立体成形增材制造的算法及其成形装置，属于增材制造技术领域。本发明以成形的模型初步设计和布局为依据，利用Hyperworks软件对受力工况下的模型结构的刚度和强度进行分析，并以质量分数为约束条件，对模型进行拓扑优化计算，建立了模型的拓扑优化模型。本发明从内向外的基于裹层叠层累加的增材制造的算法，通过熔融沉积形成树脂材料的空间结构，在激光加热固化后形成模型分布结构，利用区域立体成形制造过程，合成拓扑设计后的实体模型。本发明的另一个目的是提供一种裹层立体成形的增材制造的龙门结构七轴自由度成形装置。

Description

一种立体成形增材制造的算法和装置
技术领域
本发明涉及一种立体成形增材制造的算法及其成形装置，属于增材制造技术领域。
背景技术
增材制造技术是指基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动直接制造模型构件的技术体系。它借助计算机、激光、精密传动和数控等现代化手段，将计算机辅助设计和计算机辅助制造集成一体。作为一项前沿科技增材制造被广泛地应用于工业制造、文化创意、数码娱乐、航空航天、国防以及生物医疗的多个领域。
增材制造的基本流程为：用户先用三维绘图软件绘制所需要模型，定义相应尺寸比例及原料，由软件对模型空间结构进行分析，将分析结果和用户需求发送到3D打印机，由打印机重新进行尺寸、规格的衡量并启用相应的算法进行模型逐层打印成形，打印完成后，对模型进行精加工处理以得到最终的实物。
现有的增材制造成形都是采用逐层打印的方法实现快速制造，目前的增材成形机主要运用一下几种成形算法。
1 立体光固化成形法。通过紫外光线来照射液态光敏树脂，从底部进行扫描，当光照射到材料表面时会对液态树脂固化，当该层材料凝固后控制台会使得材料移动一个固定高度来实现下一层的固化，如此循环往复，层层固化叠加，最终得到一个完整的三维模型。
2 分层实体制造法。该方法采用片材材料，采用分层堆叠加工，先通过计算机软件获得基地层模型的外观轮廓，用激光器将北面涂有热熔胶的纸张切割出工件的内外轮廓，最终得到所需模型。
3 选择性激光烧结技术，这行技术采用激光，先烧制好一个平整的底座，然后将材料粉末均匀低铺在成形模型的上面，并用激光对铺设的材料粉末进行扫描模型截面进行烧制，与下层已经成形的部分粘结，如此层层叠加，得到所打印的成品模型。
4 熔融沉积成形技术，改技术采用塑性材料，在特定的位置高度上，通过电加热模块将塑性材料加热至熔融状态，并经喷头挤压而出，通过控制喷头按照特定的轮廓轨迹运动，使材料沉积在指定位置后固化成形，随后改变喷头高度进行下一次打印。
发明内容
通过以上分析得出，以往快速成形方法都是将模型分成若干片层，通过逐层积累的方式，形成模型结构。随着片层分割的尺寸的减少，分层数量的增多，打印成形效率下降，且精度无法保证。本发明正是针对现有增材成形工艺存在的缺陷提出了一种立体成形增材制造的算法和工艺装置，这种立体成形增材制造的方法是从内向外的基于裹层喷涂的增材制造的算法，先进行增添轮廓的制作，再在其表面进行精加工。
这种算法的主要步骤如下：
（1）、建模过程，对模型进行设计，利用CAD、UG或其他三维设计软件设计所要增材制造的模型形状;
（2）、离散分析过程，在Hyperwork软件的拓扑分析下，规划模型的受力单元和结构状态；
（3）、裹层算法下成形路径的规划，利用Hyperwork的拓扑分析基础上，规划不同受力结构区域的成形路径，依据受力的方向和各向性，设计纤维铺设的方向和密度。将规划数据转换成SLC文件。
（4）、模型分析，在接收到打印指令后，分析计算模型的受力结构单元的模型尺寸，处理模型的轮廓信息。
（5)、堆积过程即打印成型过程。用打印机喷头将纤维塑性材料熔融成溶胶状态，依据受力的方向，均匀铺展至成形面积大小，逐层堆积成形轮廓的“内核”，并逐层粘接轮廓“内核”。在每个受力成形体的外围成形出齿接结构，与相邻不同方向和状态的成形结构相连，构成整体受力的模型结构。
（6）、在使用熔融树脂作为打印介质喷涂在已经固化的大致轮廓外，形成一层树脂层，然后利用紫外光进行固化以进行表面的精细加工。
（7）、将成形的模型经过拼接、修整、打磨等处理最后得到所要打印成形的设计模型。
（8）、形成打印成形的样件。
本发明所用材料包括工程塑料如： ABS材料、PA材料、PC材料、PPFS材料、PEEK材料、EP材料、Endur材料、尼龙材料等。生物塑料类材料如：PLA
材料、PETG材料、PCL材料等，以及热固性塑料、光敏树脂、高分子凝胶、液态树脂等。以及陶瓷粉末材料、石膏材料等，纤维复合增强材料，以及金属粉末材料、合金粉末材料等多种材料。
为了实现本发明所设计的立体增材成形的算法和装置，为此设计了一套专用的7自由度的裹层成形装置。本设备装置分为三个部分。
第一部分设龙门结构的支撑框架，在横向有X轴、Y轴方法，在纵向有Z轴方向。这部分结构就为3个自由度。在X轴、Y轴、Z轴上移动的距离0～10000cm。
第二部分为打印头机构，打印头被打印头连杆连接，在连杆上安装有转动电机，可以0°～360°带动打印头进行转动。在连杆底部的一侧安装与电机，这个电机带动打印头进行大角度的摆动。其摆动角度正负0°～90°。在连杆的另一侧安装上铣刀转台机构。打印头机构有2个自由度。
第三部分为支撑底盘机构，本发明的支撑底部是在大理石承重台上对称安装上两个支撑桩，支撑桩支撑轴向旋转的旋转平台，转动角度正负0°～90°，在支撑桩上的横向旋转平台的转动轴，在转轴的后面安装有电机，带动旋转平台转动。
这个旋转平台的中心有电机支撑带动加热载物台底板做正负0°～360°旋转。加热载物台底板和横向侧向的侧壁组成一体的成形模型的承载支撑平台。支撑双侧壁的成形支撑平台，这种结构满足打印模型的成形区域一直在于打印头垂直，保证成形过程的模型成形部位一直在水平放置，这样可以减少区域裹层立体成形的区域一直处以水平放置，满足成形的精度，减少支撑结构。这个承载支撑平台可以实现任意角度和任意方位的转动，确保打印成形的操作面为水平状态。打印头的垂直安装安置，承载面水平安装，有效控制了打印的成形区域和材料的熔化衔接。在这部分机构有2个自由度。
本发明具有如下效益：（1）本发明的裹层立体成形增材制造方法和装置为增材制造领域提供了一种新的成形方法。（2）这种裹层立体成形增材制造中不仅实现了拓扑结构设计的合理性，还提高了成形模型构件的强度和精度。（3）随拓扑结构的设计需求，改变成形时改变成形材料的微观结构，实现不同微观空间结构的成形控制，制备了不同的微观空间点阵和立体结构单元;（4）这种增材制造方法可以按照点、线、面、体等灵活的规划路径进行材料的空间结构单元定位和固化成形，提高模型成形的效率。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。其中在附图中，参考数字之后的字母标记指示多个相同的部件，当泛指这些部件时，将省略其最后的字母标记。在附图中：
图1为一种立体成形增材制造的算法的工艺流程框图；
图2为七轴立体增材和减材成形系统装置图。
图3为汽车底盘托板拓扑设计分析模型
1为大理石底座、2为丝杠支架座、3为Y轴移动滚珠丝杠、4为Y轴移动滚珠丝杠驱动伺服电机、5为Z轴线性轴承组、6为Z轴移动滚珠丝杠、7为Z轴移动滚珠丝杠驱动伺服电机、8为X轴线性移动平台、9为X轴线性移动驱动伺服电机、10为打印上的旋转伺服电机、11为打印头上的连杆、12为打印头的摆动电机、13为打印头、14为打印头的出料口、15为旋转平台、16为旋转平台的支撑桩、17为旋转平台的转动轴、18为转动电机、19为加热载物台底板、20为加热载物台横侧板、22为加热载物台竖侧板、23为铣刀电机、24为铣刀、25为打印成形的模型、26.为第一受力点、27为第二受力点、28为第三受力点、29为第四受力点。
具体实施方式
本发明提供了许多可应用的创造性概念，该创造性概念可大量的体现于具体的上下文中。在下述本发明的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本发明的具体实现方式的示例性说明，而不构成对本发明范围的限制。
以下结合附图和实施例对本发明的内容作进一步说明，但发明的具体立体增材成形的算法和增减材成形装置和和实际制作结构并不限于以下的实例。
实施例1
本发明的实施如图1所示，以立体成形增材制造的算法制造的不同空间架构模型为例，拓扑设计分析的结构如3所示汽车底盘托板，所用材料为碳纤维与聚醚醚酮的增强复合树脂材料。利用如图2所示的本发明的七轴立体增材和减材成形系统装置。
1. 首先设计轻体结构的汽车底盘托板的模型，利用UG三维设计软件设计轻体结构的汽车底盘托板的模型。
2. 轻体结构的汽车底盘托板的模型进行分析，利用三维分析软件hyperwork对托板不锈钢304材料的过程进行仿真，得到不同运动条件下的应力应变情况，根据hyperwork仿真软件规划网络，得到网格点的应变情况。
3.对轻体结构的汽车底盘托板的成型路径进行规划，采用裹层算法成型方式，针对hyperwork分析的结果，对第一受力点26、第二受力点27、第三受力点28以及第四受力点29的不同受力区域的受力情况进行划分，受力大小的划分为第一受力点26＞第二受力点27＞第三受力点28＞第四受力点29。这样规划的成形密度为第一受力点26为最大，第四受力点29为最小，第二受力点27为第二密度，第三受力点28为第三密度。受力方向沿着网格化密度的变化趋势。
4．汽车底盘托板分析，分析计算模型的受力结构单元的大致尺寸和轮廓；对于第一受力区对应的轮廓为区域Ⅰ，其大小为20cm×30cm×10cm。对于第二受力区对应的轮廓为区域Ⅱ，其大小为30cm×40cm×10cm。对于第三受力区对应的轮廓区域Ⅲ，其大小为30cm×30cm×10cm，对于第四受力区对应的轮廓Ⅶ最大，其大小为40cm×50cm×10cm。
5. 用打印机喷头将纤维塑性材料熔融成溶胶状态，依据受力的方向第一受力点26＞第二受力点27＞第三受力点28＞第四受力点29的变化趋势，均匀铺展至成形面积大小对于第一受力区对应的轮廓为区域Ⅰ，其大小为20cm×30cm×10cm。对于第二受力区对应的轮廓为区域Ⅱ，其大小为30cm×40cm×10cm。对于第三受力区对应的轮廓区域Ⅲ，其大小为30cm×30cm×10cm，对于第四受力区对应的轮廓Ⅶ最大，其大小为40cm×50cm×10cm。在每个受力成形体的外围成形出齿接结构，与相邻不同方向和状态的成形结构相连，构成整体受力的模型结构。
6．在使用熔融树脂作为打印介质喷涂在已经固化的大致轮廓外第一受力区对应的轮廓为区域Ⅰ、第二受力区对应的轮廓为区域Ⅱ、第三受力区对应的轮廓区域Ⅲ、第四受力区对应的轮廓Ⅶ，形成一层树脂层，然后利用紫外光进行固化以进行表面的精细加工，利用铣刀电机23和铣刀24组成的减材铣刀机构对模型的表面等特殊结构进行处理，最后得到所要打印成形的汽车底盘托板设计模型。
在打印成形过程中，所利用的成形设备为如图2所设计的七轴成形机构，这套成形设备利用龙门结构的支撑框架，在横向有X轴、Y轴方向，在纵向有Z轴方向。由Y轴移动滚珠丝杠驱动伺服电机4、Z轴线性轴承组5、Z轴移动滚珠丝杠6、7为Z轴移动滚珠丝杠驱动伺服电机、X轴线性移动平台8、X轴线性移动驱动伺服电机9带动X、Y、 Z方向的龙门移动100cm。
利用打印头机构打印成形，打印头13被打印头连杆连接11，在连杆上安装有转动电机10，可以正向360°带动打印头进行转动。在连杆底部的一侧安装有旋转伺服电机12，这个电机带动打印头进行大角度的摆动。在连杆的另一侧安装上铣刀转台机构，包括铣刀电机23和铣刀24。对汽车底盘托板的表面等特殊结构进行处理。
在打印成形过程中，利用支撑底盘机构能够灵活的调整所打印成形的汽车底盘托板成形面于打印头13的的垂直角度，利用支撑底部在大理石承重平台1上对称的两个支撑桩16上安装旋转平台15，在旋转电机18驱动下，旋转到从0°逐渐到90°。
旋转平台利用中心的旋转电机带动加热载物台19底板做正向从0°逐渐到90°旋转。这样使加热载物台的侧向的侧壁22旋转到底部，平行大理石承重台1平面。汽车底盘托板的侧向旋转从0°逐渐到90°，使汽车底盘托板的成型面始终保持与打印头13垂直。直到打印成型汽车底盘托板，在利用铣刀24对汽车底盘托板进行打孔，磨边。
实施例2
本发明的实施如图1所示，以立体成形增材制造的算法制造的不同空间架构模型为例，拓扑设计的结构如3所示，所用材料为碳纤维与聚醚醚酮的增强复合树脂材料。利用如图2所示的本发明的七轴立体增材和减材成形系统装置。
1. 首先设计轻体结构的汽车底盘托板的模型，利用UG三维设计软件设计轻体结构的汽车底盘托板的模型。
2. 轻体结构的汽车底盘托板的模型进行分析，利用三维分析软件hyperwork对托板不锈钢304材料的过程进行仿真，得到不同运动条件下的应力应变情况，根据hyperwork仿真软件规划网络，得到网格点的应变情况。
3.对轻体结构的汽车底盘托板的成型路径进行规划，采用裹层算法成型方式，针对hyperwork分析的结果，对第一受力点26、第二受力点27、第三受力点28以及第四受力点29的不同受力区域的受力情况进行划分，受力大小的划分为第一受力点27＞第二受力点26＞第三受力点28＞第四受力点29。这样规划的成形密度为第一受力点27为最大，第四受力点29为最小，第二受力点26为第二密度，第三受力点28为第三密度。受力方向沿着网格化密度的变化趋势。
4．汽车底盘托板分析，分析计算模型的受力结构单元的大致尺寸和轮廓；对于第一受力区对应的轮廓为区域Ⅰ，其大小为30cm×30cm×10cm。对于第二受力区对应的轮廓为区域Ⅱ，其大小为30cm×30cm×10cm。对于第三受力区对应的轮廓区域Ⅲ，其大小为30cm×40cm×10cm，对于第四受力区对应的轮廓Ⅶ最大，其大小为50cm×50cm×10cm。
5. 用打印机喷头将纤维塑性材料熔融成溶胶状态，依据受力的方向第一受力点27＞第二受力点26＞第三受力点28＞第四受力点29的变化趋势，均匀铺展至成形面积大小对于第一受力区对应的轮廓为区域Ⅰ，其大小为30cm×30cm×10cm。对于第二受力区对应的轮廓为区域Ⅱ，其大小为30cm×30cm×10cm。对于第三受力区对应的轮廓区域Ⅲ，其大小为30cm×40cm×10cm，对于第四受力区对应的轮廓Ⅶ最大，其大小为50cm×50cm×10cm。在每个受力成形体的外围成形出齿接结构，与相邻不同方向和状态的成形结构相连，构成整体受力的模型结构。
6．在使用熔融树脂作为打印介质喷涂在已经固化的大致轮廓外第一受力区对应的轮廓为区域Ⅰ、第二受力区对应的轮廓为区域Ⅱ、第三受力区对应的轮廓区域Ⅲ、第四受力区对应的轮廓Ⅶ，形成一层树脂层，然后利用紫外光进行固化以进行表面的精细加工，利用铣刀电机23和铣刀24组成的减材铣刀机构对模型的表面等特殊结构进行处理，最后得到所要打印成形的汽车底盘托板设计模型。
在打印成形过程中，所利用的成形设备为如图2所设计的七轴成形机构，这套成形设备利用龙门结构的支撑框架，在横向有X轴、Y轴方向，在纵向有Z轴方向。由Y轴移动滚珠丝杠驱动伺服电机4、Z轴线性轴承组5、Z轴移动滚珠丝杠6、7为Z轴移动滚珠丝杠驱动伺服电机、X轴线性移动平台8、X轴线性移动驱动伺服电机9带动X、Y、 Z方向的龙门移动200cm。
利用打印头机构打印成形，打印头13被打印头连杆连接11，在连杆上安装有转动电机10，可以反向180°带动打印头进行转动。在连杆底部的一侧安装有旋转伺服电机12，这个电机带动打印头进行大角度的摆动。在连杆的另一侧安装上铣刀转台机构，包括铣刀电机23和铣刀24。对汽车底盘托板的表面等特殊结构进行处理。
在打印成形过程中，利用支撑底盘机构能够灵活的调整所打印成形的汽车底盘托板成形面于打印头13的的垂直角度，利用支撑底部在大理石承重平台1上对称的两个支撑桩16上安装旋转平台15，在旋转电机18驱动下，旋转到从0°逐渐到45°。
旋转平台利用中心的旋转电机带动加热载物台19底板做正向从0°逐渐到45°旋转。这样使加热载物台的侧向的侧壁22旋转到底部，平行大理石承重台1平面。汽车底盘托板的侧向旋转从0°逐渐到45°，使汽车底盘托板的成型面始终保持与打印头13垂直。直到打印成型汽车底盘托板，在利用铣刀24对汽车底盘托板进行打孔，磨边。

Claims (8)

1.权利要求1，一种立体成形增材制造的算法及其成形装置，其特种在于，以成形的模型初步设计和布局为依据，利用Hyperworks软件对受力工况下的模型结构的刚度和强度进行分析，并以质量分数为约束条件，对模型进行拓扑优化计算，建立了模型的拓扑优化模型。
2.根据权利要求1，一种立体成形增材制造的算法及其成形装置，其特种在于，本发明从内向外的基于裹层喷涂的增材制造的算法，通过熔融沉积形成树脂材料的空间结构，在激光加热固化后形成模型分布结构，利用区域立体成形制造过程，合成拓扑设计后的实体模型。
3.根据权利要求1，一种立体成形增材制造的算法及其成形装置，其特种在于，这种算法的主要步骤如下：
（1）建模过程，对模型进行设计，利用CAD、UG或其他三维设计软件设计所要增材制造的模型形状；
（2）离散分析过程，在Hyperwork软件的拓扑分析下，规划模型的受力单元和结构状态；
（3）裹层算法下成形路径的规划，利用Hyperwork的拓扑分析基础上，规划不同受力结构区域的成形路径，依据受力的方向和各向性，设计纤维铺设的方向和密度，将规划数据转换成SLC文件；
（4）模型分析，在接收到打印指令后，分析计算模型的受力结构单元的模型尺寸，处理模型的轮廓信息；
（5）堆积过程即打印成型过程，用打印机喷头将纤维塑性材料熔融成溶胶状态，依据受力的方向，均匀铺展至成形面积大小，逐层堆积成形轮廓的“内核”，并逐层粘接轮廓“内核”，在每个受力成形体的外围成形出齿接结构，与相邻不同方向和状态的成形结构相连，构成整体受力的模型结构；
（6）在使用熔融树脂作为打印介质喷涂在已经固化的大致轮廓外，形成一层树脂层，然后利用紫外光进行固化以进行表面的精细加工；
（7）将成形的模型经过拼接、修整、打磨等处理最后得到所要打印成形的设计模型；
（8）形成打印成形的样件。
4.根据权利要求1，一种立体成形增材制造的算法及其成形装置，其特种在于，所用材料为ABS材料、PA材料、PC材料、PPFS材料、PEEK材料、EP材料、Endur材料、尼龙材料等；生物塑料类材料如：PLA材料、PETG材料、PCL材料等，以及热固性塑料、光敏树脂、高分子凝胶、液态树脂等；陶瓷粉末材料、石膏材料等，纤维复合增强材料，以及金属粉末材料、合金粉末材料等多种材料。
5.权利要求2，一种立体成形增材制造的算法及其成形装置，其特种在于，设计了一套专用的立体成形增材制造的算法的七自由度的裹层成形装置，这套增材制造的装置分为三个部分，第一部分设龙门结构的支撑框架，第二部分为打印头机构，第三部分为支撑底盘机构。
6.根据权利要求2所述的一种立体成形增材制造的算法及其成形装置，其特种在于，第一部分设龙门结构的支撑框架，在横向有X轴、Y轴方法，在纵向有Z轴方向，这部分结构就为3个自由度，在X轴、Y轴、Z轴上移动的距离0～10000cm。
7.根据权利要求2所述的一种立体成形增材制造的算法及其成形装置，其特种在于，第二部分为打印头机构，打印头被打印头连杆连接，在连杆上安装有转动电机，可以0°～360°带动打印头进行转动，在连杆底部的一侧安装与电机，这个电机带动打印头进行大角度的摆动，其摆动角度正负0°～90°，在连杆的另一侧安装上铣刀转台机构，打印头机构有2个自由度。
8.根据权利要求2所述的一种立体成形增材制造的算法及其成形装置，其特种在于，第三部分为支撑底盘机构，本发明的支撑底部是在大理石承重台上对称安装上两个支撑桩，支撑桩支撑轴向旋转的旋转平台，转动角度正负0°～90°，在支撑桩上的横向旋转平台的转动轴，在转轴的后面安装有电机，带动旋转平台转动，这个旋转平台的中心有电机支撑带动加热载物台底板做正负0°～360°旋转，加热载物台底板和横向侧向的侧壁组成一体的成形模型的承载支撑平台，这部分结构具有2个自由度。
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