CN1140377C - 直接快速制造模具与零件的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
一种直接快速制造模具与零件的方法及其装置。通过快速设计或反求技术，得到制件的三维数据模型，对其进行分层切片处理，再由数控装置控制等离子喷头按截面轮廓逐层熔积成形，直至得到所需制件。还可利用精细光整加工器对各熔积层进行逐层光整。其装置包括工作腔、数控装置、等离子喷焊机、激光切割器和精细光整加工器。本发明装置简单、成本低；所得制件具有满密度、近终形和综合力学性能高等特性。
Description
技术领域
本发明属于先进制造技术领域，具体涉及一种直接快速制造模具与零件的方法，以及实现该方法的装置。
背景技术
快速成形与制造技术(RP&M)是20世纪后期制造业取得的最重大进展之一。该技术诞生十余年来已成功地实现了面向市场的产品造型设计敏捷化，而要从新产品造型设计迅速形成高效、优质、低成本的批量生产以抢占市场，模具尤其是高精度耐久金属模具的快速制造是关键。
目前已出现的直接快速制造金属模具(DRMT)方法主要有：以激光为热源的选择性激光烧结法(SLS：selective laser sintering)，激光生成法(LG：laser gererating)，以及喷射成形的三维打印法(3DP：three-dimensionalprinting)。
SLS是按照由CAD数据得到的层面信息，用激光对薄层粉末有选择地逐层烧结和层间烧结，最终将未被烧结的支撑部分去除，得到与CAD形体相对应的三维实体的过程。SLS直接成形体相对密度只有60％，要得到80％以上的密度必需通过烧结、浸渗等后处理，这就增加了制模时间和成本，因此不能称之为完全的DRMT。同时，由于其中未熔颗粒的粘结，表面质量难以提高(见Lohner A.，Laser sintering ushers in new route to PM parts.，MPR，1997，February：24-30)。
LG中有代表性的激光金属成形(LMF)工艺(见Karapatis N P，J-P S，Glardon R.，Direct rapid tooling：a review of current research，RapidPrototyping Journal，1998，vol4(2)，P77-89)是在激光熔覆基础上开发的直接制模工艺，但由于残余热应力的影响和缺乏支撑材料，精度难以保证，只适用于简单几何形状的模具，而且与SLS过程类似，由于未熔颗粒的粘结，平均粗糙度较高。
Michaels S.等人(见Michaels S，Sachs E M，Cima M J.，Metal partsgeneration by three dimensional printing.Proceeding of the 4th internationalconference on rapid prototyping，1993，Dayton，USA)采用MIT的3DP技术直接制造的模具密度相当于理论密度的60％，强度低于铸件，而且精度和表面粗糙度差。
总之，现有的直接快速制造模具尤其是金属模具的方法都是采用激光为热源，其制得的模具或零件是由未完全熔化的颗粒粘结而成，因而不仅设备成本高，而且所得的制件密度低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新的直接快速制造模具的方法，该方法能克服上述现有技术的缺陷，使用的设备成本低，所得的制件密度高。同时，还提供了实现该方法的装置。
为实现上述发明目的，本发明方法所采取的技术方案是：
①.对模具或零件的三维数据模型进行分层切片处理；
②.数控装置根据上述切片处理得到的截面轮廓数据，驱动等离子喷焊机的喷头按截面轮廓熔积成形，得到一层具有设计厚度和轮廓形状的成形层；
③.等离子喷头升高一个设计厚度；
④.重复步骤②和③，直至最后获得所需的制件。
实现上述发明方法可采用的装置包括：工作腔、等离子喷焊机、数控装置，等离子喷焊机的等离子喷头置于工作腔内，数控装置控制等离子喷头运动。
作为本发明装置的改进，可在工作腔内设置精细光整加工器，数控装置可控制精细光整加工器的运动。
上述装置中的精细光整加工器可为激光切割器和机械精细光整加工器。
本发明由于采用等离子替代激光作为热源，故大大降低了技术成本，有利于技术的推广应用。同时由于该方法能够将作为模具原料的粉末全部熔化，因而所得的制件密度高，综合力学性能高。
本发明改进后的技术方案，由于成形过程复合了精细加工技术，故所得制件的尺寸精度与表面质量可达到与机械加工相当的水平。这是现有的快速成形技术尚无法解决的技术难题。
附图说明
附图1为本发明装置的一种实施方式。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：
如图1所示，等离子喷焊机的等离子喷头1置于工作腔2内，等离子喷头1安装在数控装置3的驱动轴4上，精细光整加工器5也位于数控装置3的驱动轴4上，精细光整加工器5还可以设置在数控装置3的其它驱动轴上，只要数控装置能控制精细光整加工器5对各熔积层进行光整加工即可。总之，数控装置3可控制等离子喷头1和精细光整加工器5运动。精细光整加工器5可以是激光切割器和机械精细光整加工器，如制件的形状复杂而无法使用机械精细光整加工器时，可使用激光切割器进行光整加工，如成形材质硬度不高且制件形状简单时，可使用机械精细光整加工器进行光整加工，以减少成本。根据成形材质和制件形状的情况，精细光整加工器5可以是激光切割器和机械精细光整加工器。机械精细光整加工器可以是铣刀等加工器具。
实施例1---制造金属齿轮
(1).采用计算机三维设计软件，得到金属齿轮的三维数据模型；
(2).对上述三维数据模型进行STL文件格式转换及纠错处理，并进行切片分层处理；
(3).采用粒度为180目左右的铜合金粉末为等离子熔积成形材料，选用国
产LWP-100PC型等离子喷焊机，根据切片处理得到的截面轮廓数据，数控装置驱动等离子喷头在X-Y平面内运动，按截面轮廓熔积成形，得到一层具有设计厚度(0.3mm)和轮廓形状的成形层；
(4).数控装置驱动等离子喷头在Z方向升高一预定高度(0.3mm)，重复第3步过程，逐层堆积，最终得到所需形状的零件。
实施例2
(1).与实施例1的步骤(1)、(2)、(3)相同，得到0.4mm厚的熔积层轮廓形状的成形层；
(2).数控装置驱动铣刀(可选用市售的)对所得到的具有0.4mm厚的熔积层轮廓进行表面光整加工；
(3).等离子喷头在Z方向升高一预定高度(0.4mm)；
(4)逐层堆积、逐层光整加工，最终得到所需形状的零件或模具。
实施例3—制作电话机外壳金属注塑模具
(1).采用计算机三维设计软件，得到电话机外壳金属注塑模的三维数据模型；
(2).对三维数据模型进行STL文件格式转换及纠错处理，确定成形方向，进行切片处理；
(3).选用粒度为200目左右、具有较好综合性能的不锈钢金属粉末为等离子熔积成形材料，根据切片处理得到的截面轮廓数据，由数控装置驱动等离子喷头(可选用国产LWP-100PC型等离子喷焊机)在X-Y平面内运动，按截面轮廓熔积成形，得到一层具有设计厚度(0.2mm)和轮廓形状的成形层；
(4).数控装置驱动激光切割器(激光切割器可选用市售的YAG固体激光切割器)对所得到的具有设计厚度(0.2mm)的一层熔积层轮廓表面进行光整加工。激光器功率可在50W-500W之间，切割速度在5-300mm/s之间可调；
(5).数控装置驱动等离子喷头在Z方向升高一预定高度(0.2mm)；
(6).重复第(3)、(4)、(5)步过程，逐层堆积、逐层光整加工，最终得到所需形状的电话机外壳金属注塑模具。
Claims (7)
1.一种直接快速制造模具与零件的方法，该方法按照下列步骤进行：
①.对模具或零件的三维数据模型进行分层切片处理；
②.数控装置根据上述切片处理得到的截面轮廓数据，驱动等离子喷焊机的喷头按截面轮廓熔积成形，得到一层具有设计厚度和轮廓形状的成形层；
③.等离子喷头升高一个设计厚度；
④.重复步骤②和③，直至最后获得所需的制件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在上述步骤③之前，对步骤②所得的成形层进行如下处理：数控装置驱动精细光整加工器，对上述成形层进行光整加工。
3.一种实现权利要求1所述方法的装置，包括工作腔和数控装置，其特征在于：等离子喷焊机的等离子喷头置于工作腔内，数控装置控制等离子喷头运动。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：在工作腔内还设置有精细光整加工器，所述数控装置控制该光整加工器运动。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述精细光整加工器为激光切割器。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述精细光整加工器为机械精细光整加工器。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述机械精细光整加工器为铣刀。
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