CN1159386A - 测定产品层压层的厚度值及形状的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

在概念上将一产品(306,310,330,332)分割成许多构成层,以便通过层压对应于该构成层的片材(324,204,226)而制造产品的方法和装置(10),其中每一构成层的厚度和形状都要确定,从而使得相邻构成层具不同的厚度值。该方法和装置适于用作通过层压和粘合该片材而制造产品的方法和装置(10,50)的一部分。

Description

测定产品层压层的厚度值及形状的方法和装置
本发明一般涉及生产一种形状为制品的产品或者模型,母模或其原型的产品的技术,其中将许多构成层层压为产品。更具体地说,本发明涉及能降低生产层状产品所需时间和费用的技术。
作为生产层压制品的此种技术之一,人们知道的一种技术是将与该产品众多构成层相应的所选材料片(它基本上具有每一构成层的相同厚度)相互叠合或叠加而形成产品。该技术包括将片材切割成具有与各个构成层相同外部轮廓或形状的步骤,以及将该片材相互层压的步骤。通常,把每一片材先放置在另一片材上,然后切成具有合适的外部轮廓。然而,也可以先把片材切成具有合适的外部轮廓,使已成形的片材放置到另一片材上。
通过层压制造产品的这类技术的例子已在Nikkei Mechanical,1995年3月6日,Nikkei Business Publications,Inc.,日本,东京,和JP-A-6-106628中揭示。在这些例子中,使用具有恒定厚度的纸片,并把所希望的产品在概念上分为许多结构层,其每层都具有与纸片相同的厚度。确定相应于产品结构层的单个纸片的外部轮廓。该技术包括切割该纸片(用激光或合适的切刀)成为所确定的外部轮廓的步骤,以及包括层压该纸片以形成产品的步骤。
如上所述的惯用技术具有这样的优点:该技术较容易实施,以制造所希望具有较高的准确度的产品,另一优点是该技术可降低制造该产品的费用。
然而,这些先有技术存在下述的某些缺点。即,该技术需要确定产品结构层的外部轮廓,每层都需具有与所用纸片相同的厚度。因此,在其结构层层压方向的相当长距离上都有相同截面或形状的产品部分,被分为相当大量的构成层,这要求相应的大量纸片被切割成具有相同外部轮廓,并相互层压。这就需要重复的切割和层压操作,而这是相当费时的,这不期望地造成低生产率,并增大了产品的生产费用。
因此本发明的目的是提供一种确定产品每一构成层厚度和形状的方法,从而使得构成层在构成层的层压方向有不同的厚度值,该方法对于减少先有技术中的缺陷是有效的。
本发明的第二目的是提供一种通过层压构成层而制造产品的方法,它包括确定如上所述的每一构成层的厚度和形状的方法。
本发明的第三目的是提供一种装置,它适于实现确定以上所述的每一构成层的厚度和形状的方法。
本发明的第四目的是提供一种装置,它适于实施制造以上所述的产品的方法。
本发明的第五目的是提供一种制备片材的装置,该装置适用于用来制造该产品的以上方法和装置。
以上所指出的第一目的可根据本发明的第一方面来实现,这第一方面提供这样一种方法,即在概念上把产品分成许多通过层压相应于构成层的片材以制造该产品的构成层,其中每个构成层的厚度和形状轮廓已被确定,以便允许构成层的相邻层的厚度和形状具有不同的厚度值。
在根据本发明第一方面的方法中,当该产品在概念上被分为两个或多个构成层时,不存在限制。即,该产品的所有概念上的构成层都不需要有相同的厚度,而如果需要,在层压方向相互叠加的相邻构成层可允许有不同的厚度值,以使构成层的厚度值可根据产品的形状或其它性能而自由确定。
因此,根据本方法,在层压方向延伸且在平行于层压方向的平面内有相同截面形状的产品的一部分,不需被分为许多构成层,而可以由单一的构成层组成。因此,产品在概念上被分成的构成层的所需数目减小了,而通过层压相应于概念上的构成层的片材来生产产品则被简化了,这导致减少生产时间和降低生产费用。
以下将进一步解释本方法以便弄清楚本发明的第一个方面。
(1)术语“产品”被解释为包括以下各点:
1.最后的或最终产品;
2.最终产品的模型或原型;
3.形成最终产品或模型或原型的母模。
该母模可以是用于形成铸塑模具的铸模。该铸模可以是永久模型,即在型腔被熔融材料填充之前从砂模中取出,或者是一种消耗模型,即直至被从熔融材料传出的热消失时它一直保持在砂模中。该消耗模型可称作“全模型”。
(2)术语“片材”被解释为指一种平面形式的固体材料,例如片坯、膜或板,它选自纸材料、木材料、合成树脂和金属。产品是一全模型时,该模型可通过由合成树脂(如发泡的聚苯乙烯树脂)形成的片材的层压而制造。
(3)该片材可由单一材料或两种或更多的材料组成,它可以是纸材料或合成树脂片或片坯的层状结构。
(4)根据本发明第一方面的方法,可以这样实施,即借助于装置操作者的一些帮助,通过一台装置以几乎完全自动方式或由操作者几乎全部手动地完成产品每一构成层的厚度和形状的确定。
在本发明第一方面的一个优选方式中,该方法包括一个确定构成层的厚度值的步骤,相邻的构成层有不同的形状。
在该方法的这种形式中,在层压方向延伸并在平行于层压方向的平面内具有相同截面形状的产品部分,由单一构成层给出或构成,而且不需要分成两个或更多个构成层。
因此,概念上构成该产品的构成层所需的数目被减至最低程度,而该产品的制造被进一步简化,从而导致进一步降低制造所需的时间和费用。
以下进一步解释本发明第一方面的方法的上述优选形式。
(1)在该方法的优选形式中,该产品在概念上被分成构成层,或者构成层的厚度值被确定,这是根据一条规则,即相邻构成层具有不同的形状,由此该产品在概念上被分成构成层“从而允许相邻构成层具有不同的厚度值”。如果在任何条件下都遵守从概念上都将该产品分成构成层这条规则,则该构成层可能包括相当厚的坯片,这可能在随后通过层压构成层而制造产品中发生问题。鉴于此,最好在原则上接受以上规则,但改进该规则,从而允许相邻构成层具有相同形状,在一例外情况下,遵重根据原来的规则(相邻构成层具有不同形状)的在概念上分割该产品,则导致该产品的任何部分的任何缺陷。
(2)已注意到,根据本方法以上优选形式的规则例外情况仍落在根据本发明第一方面原理的方法的范围之内,因为允许相邻构成层有不同的厚度值,除非所有构成层都根据例外规则确定,并具有相同的厚度。
在此方法以上优选方式的一个有利安排中,确定构成层厚度值的步骤包括:(a)确定多个平行的暂定分割平面,它们垂直于片材的层压方向,并在层压方向的预定高度相互隔开,该暂定的分割平面限定了众多暂定构成层;(b)计算各个暂定分割平面内暂定构成层的截面面积;(c)确定暂定分割平面的相邻平面之一作为最终分割平面,这些暂定分割平面相应于某一位置,在该位置,计算出的相邻暂定构成层的截面面积在层压方向变化;以及(d)确定由最终分割平面所限定的每一最终构成层的厚度,这是以在层压方向中相邻最终分割平面的相邻平面之间的距离为基础确定的。
某些产品具有由许多部分组成的主要部件,其每一部分都在给定的基准方向延伸,而且在与此基准方向垂直的平面内有相同的截面形状。此种产品的例子包括阳模或冲头和阴模,它们在压制操作中被用作模座。这些冲头和阴模为了在其相互啮合位置和非相互啮合位置之间的相对线性移动而创立。如果具有以上所述特殊形状的这样一种产品被垂直于以上所指的基准方向(该方向与构成层的层压方向相同)的平行分割平面概念上分割,就可得到两组或多组暂定构成层,它们相应于以上所指的众多部分,这些部分在平行于分割平面的平面上有相同的截面形状。每组的构成层在分割平面内有相同的截面面积。因此,在暂定构成层横截面在基准方向发生变化的位置,标示各组暂定构成层之间的界面,并因此标示该产品的最终构成层。
鉴于以上发现,根据以上有利排列的方法如下进行(a)确定众多平行的分割平面,它们垂直于构成层的层压方向,并在层压方向以预定间距相互隔开,从而限定众多暂定构成层,(b)计算在暂定分割平面内产品的截面面积,(c)计算每一相邻暂定分割平面(作为最终的分割平面),该暂定分割平面对应于这样一个位置,在该位置计算出的截面面积沿着层压方向变化,和(d)根据相邻最终分割平面之间在层压方向上的距离,确定由最终分割平面所限定的每一最终构成层的厚度。
在上述排列中,每一最终构成层的厚度都易于确定,导致进一步简化了该产品的制造,并进一步降低了所需的制造时间和费用。
以上所指出的第二目的可根据本发明的第二方面来实现,它提供了一种制造产品的方法。该方法包括在概念上把该产品分成许多根据本发明第一方面的构成层的方法,并且还包括(i)制备片材,其厚度值基本上分别等于众多构成层的那些的厚度;(ii)把该片材在一平台上相互叠加形成一叠层结构;(iii)相互粘合相邻的片材,每次将一片相邻片材叠加到另一相邻片材上;(iv)在将每一片材都粘合到相邻片材上之后,切割每一片材,在每一片材上都形成切口,用于从该轮廓之内的每一片材的需要部分除去每一片材的不需要部分,后者在对应构成层的轮廓之外,该轮廓被确定为以上所指出的相应的一构成层的形状;及(v)在层状体结构的最后一片片材经受粘合和切割之后除去每一片材切口上不需要部分。
在根据本发明第二方面的制造方法中,所得到的片材基本上具有与根据本发明第一方面的方法确定的构成层厚度相同的厚度值,而且这些片材随后在一平台上被相互叠加,从而形成一叠层结构。相邻的片材被粘合到一起,切割每一片材,在其中形成一个切口,用于从以上所指出的轮廓内的片材需要部分除去对应于构成层的轮廓外面的每一片材的不需要部分。在该叠层结构的最后一片片材经受粘合和切割操作之后,将每片片材上形成的切口处的片材不需要部分除去。
根据本发明第二方面的本制造方法对于把产品概念上的构成层数目减至最少是有效的。因此而把相互叠加制造产品所需的片材数目减至最少。因此,本方法使得有可能以短的时间并以低的费用,容易地生产产品。
以下进一步解释该产品的制造方法以理解本发明的第二方面:
(1)“制备片材”的步骤可以用以下的方式之一来进行。
1.通过相互叠加具有相同厚度、但比要制备的片材预定厚度要小的片材构件,来制备具有预定厚度值的片材。该片材构件的数目根据要制备片材的预定厚度值来确定。
2.从许多具有不同厚度值的片材构件之中,选择具有预定厚度值的片材,因此所选择的片材构件的厚度基本上等于要制备片材的预定厚度值。
3.通过在一平面内切割毛坯来制备具有预定厚度值的片材。该毛坯的厚度值大于要制备的片材的预定厚度值。
(2)在“相互叠加片材”的步骤中,片材通常是以垂直方向叠加的,但是也可以垂直方向以外的方向叠加,例如以水平方向叠加。
(3)“切割每一片材”的步骤最好这样进行:在每一片材的不需要部分中以及沿着相应构成层的轮廓,形成切口。也可以这样优选进行:沿着许多相互间隔开的平行切割线,例如以点阵的形式(它由第一切割线和第二切割线组成,后者与第一切割线交叉)形成切口。这种排列使得片材的不需要部分能较容易地断裂或倒坍,在随后的“除去每一片材中不需要部分”的步骤中,便于从需要部分除去不需要部分。
(4)在“粘合相邻片材”的步骤中,可以在以上指出的片材切割步骤之前或之后施加粘合剂。
1.在片材切割步骤之后施加粘合剂的情况下,该粘合步骤可以包括在片材切割后在每一片材上涂施粘合剂的步骤,和包括这样一个步骤:将两相邻片材(包括在其上已涂施粘合剂的片材)之一进行预定的操作例如加压或加热,从而当这些相邻片材相互叠加时,用粘合剂将相邻片材粘合。在此情况下,可把粘合剂涂施到两相邻片材之一之上,而该片材已被粘合到前面的片材上。在这种情况下,当另一片材叠加到以上所指出的一片片材上时,它要经受预定的操作。另一方面,可将粘合剂涂施到尚未粘合到前面片材上的两相邻片材之一之上。在这种情况下,当以上所指出的片材叠加到另一已粘合到前面片材上的片材时,它要进行预定的操作。在后一种情况下,将粘合剂涂施到以上所指出的、面向另一已粘合片材的片材的相反表面之一之上。
2.在片材切割步骤之前涂施粘合剂的场合下,该粘合步骤可包括一个在片材被切割之前将粘合剂涂施至每一片材的步骤,和包括使两相邻片材(包括已在其上涂施了粘合剂的片材)之一经受以上所指出的预定操作的步骤,从而当这些相邻片材相互叠加时,将带有粘合剂的相邻片材粘合。也是在这种情况下,可将粘合剂涂施到两相邻片材之一(它已被粘合到先前片材上)之上,或涂施到另一片材之上,如上所述。
用于粘合片材的粘合剂是从已知的粘合剂材料例如含有烯烃的合成树脂中适当选择的。
(5)正如从以上的解释已经清楚的,根据本发明第二方面方法中的粘合步骤不仅仅意味着将粘合剂涂施到片材上的步骤,而且包括使相邻片材通过粘合剂而能粘合到一起的步骤。因此,当粘合剂涂施到上述片材或相邻片材上时,不需把给定的片材粘合到相邻片材上,当相邻片材经受预定操作而把已在其上涂施了粘合剂的相邻片材粘合在一起时,就可能完成粘合。
(6)“切割每一片材”的步骤可通过使用激光束,非旋转切刀或切刀片,旋转切刀,或往复式切刀来进行。
1.当使用激光束时,将激光束在片材表面聚焦,以便照射,从而在该片材表面上的局部点加热,激光照射的该局部点相对于片材表面而移动。
2.当使用非旋转切刀时,该切刀片先在其厚度方向切入片材,然后在平行于片材平面的平面内使切刀片和该片材互相相对移动。在这种情况下,切割通常采取剪切的形式。
3.当使用旋转切刀时,旋转切刀和片材在平行于片材面的平面内彼此相对移动,与此同时旋转切刀刀片机械加工该片材,切掉材料。
4.当使用往复式切刀时,该切刀和片材在平行于片材面的平面内彼此相对移动,同时切刀刀片在片材的厚度方向往复穿越该片材。
(7)为了改进通过层压片材而生产的产品的尺寸和形状准确度,当每片片材叠加到中间叠层结构上时,需要测量在片材层压方向的中间叠层结构的总尺寸,并至少适当调整在所测量的尺寸上的下一片片材的厚度。
根据本发明第二方面的方法的一种优选形式,粘合相邻片材的步骤包括在每片片材的需要部分内在粘合区域中将相邻的片材相互粘合。
在将都具有相同厚度的所有片材通过层压而进行的常规制造产品过程中,相邻的片材用涂施到该片材整个表面区域内的粘合剂而粘合到一起,如图20A中所表示的那样,其中参考号250表示片材,而参考号252表示粘合区域。该粘合区域252不仅包括该层压结构的需要部分258(这结构产生最终产品),而且还包括该叠层结构不需要部分256(该结构要被除去)在图20A的特定例子中,需要的部分252包括一凸肩254,它被不需要的部分256所环绕。由于该凸肩254被粘合到不需要部分256,因此该凸肩254可能在下一步骤“除去每片片材不需要部分”,被工人错误地与不需要部分256一起除去。为了避免这种错误的切除,工人应极度小心地操作,正确地确认凸肩256(需要部分258的一部分)和不需要部分256之间的真正分界。
在常规制造方法中,为了便于切除不需要部分,可考虑把粘合剂仅仅涂施到需要部分258中的相邻片材彼此接触的表面上,如图20B中在252所表示的那样。在此情况下,由于每片片材250的厚度相当小,凸肩254发生问题。即,常规方法要求所有的片材250都具有相同的厚度,因此要求将凸肩254分割成相当薄的层250,甚至提供凸肩254的片材254也要有相同的截面形状。如果将粘合区域限制在需要部分258范围内的相邻片材相互接触的区域,如图20B中所表示的那样,则凸肩254就不粘合到与提供凸肩254的片材相邻的片材上。由于不需要部分和需要部分256,258已被在其之间形成的切口分离,因此未粘合到相邻上、下片材上的凸肩254就被允许相对于该相邻片材而被移位。在此条件下,伸进不需要部分256中的凸肩254由于其自身的刚性或强度应保持其姿态和位置,而且当叠加到有凸肩254的片材上的片材经历切割操作时,由于作用在凸肩254上的力,致使该凸肩相当容易偏离。因此,凸肩254的定位准确度趋于变劣,这导致产品低的尺寸和形状准确度。
在以上所指出的本发明制造方法的优选形式中,相邻片材的局部粘合不会导致如上所述的问题,因为凸肩256是由具有相当大厚度的单张片材250所提供的,如图20C所表示的那样。即,根据本发明第二方面的方法的原理,允许使用单张片材用作产品的部分,这一部分在层压方向延伸,并具有相同的截面形状。这样,凸肩256就具有了比较高的刚度。
根据本产品制造方法的优选形式,相邻片材(概念上的构成层)的可变厚度以及该片材的局部粘合,它们合起来不仅阻止了片材(构成层)数目的增加(为了降低制造所需的时间和费用),而且也便于除去层状结构的不需要部分,而同时保证产品凸肩部分高的尺寸和形状准确性。
根据本发明第二方面另一优选形式,该产品制造方法适于制造通过铸塑形成制品的模型。
正如上面根据本发明第一方面的方法所描述的,该模型可以是一永久模型(在模具型腔用熔融材料填充以前将其从砂模中迁移),或者是一消耗的或“全模”模型(它们保持在砂模中直至被由熔融材料传出的热而消失)。
本模型制造方法可允许有效,经济地制造铸塑模型,这归因于大量减少了模型构成层或片材的数量,这种减少是可实现的,因为模型在概念上被分割为构成层,从而允许相邻层如上所述的具有不同厚度值。
以上的模型制造方法可以作为通过铸塑形成制品的方法的一部分来有利地实施,它包括:根据以上所述的模型制造方法制造一模型,然后用所制造的模型通过铸塑来形成该制品。
本铸塑方法允许通过铸塑而有效、经济地制造所希望的制品,这归因于大量减少了铸塑模型的构成层或片材的数量,这种减少是可能的,因为该模型在概念上被分为构成层,从而允许相邻层具有如上所述的不同厚度值。
以上的铸塑方法可作为使用模头制造产品的方法的一部分而有利地实施,它包括:根据以上所述的铸塑方法形成一制品;用该制品作为模具的一部分而形成产品。
“通过使用制品作为模具的一部分形成产品”的步骤,可以是用制品作为模具或模头的一部分,通过铸塑、锻塑、注射成型或压制而形成产品的一个步骤。
本产品制造方法允许有效、经济地生产所需要的产品,这是由于大量减少了用于形成制品的铸塑模型的构成层或片的数量。该制品本身反过来又用作形成最终产品的模具的一部分。铸塑模型的片材数量可被减少,因为模型在概念上被分割为构成层,因而允许相邻层有不同的厚度值,如上所述。
根据本发明的第三个方面可以实现第三个目的。它提供了一种装置,用于在概念上将产品分割为许多构成层,通过层压与构成层相对应的片材来制造产品,其中,每一构成层的厚度和形状都已被确定,因而允许相邻构成层具有不同的厚度值。
在以上所述根据本发明第三方面的装置中,当产品在概念上被分割成两个或多个构成层时,不存在限制。即,所有概念上的产品构成层不需具有相同的厚度,而且如果需要,在叠加方向相互叠加的相邻构成层允许有不同的厚度值。因此构成层的厚度值可根据产品的形状或其它性质而自由确定。
因此,根据本发明的装置,在层压方向延伸并且在平行于层压方向的平面内有相同截面形状的产品部分,不需被分割为许多构成层,而可以由单个的构成层来组成。因此该产品在概念上被分割的构成层的需要数量被减少了,从而使通过层压对应于概念上的构成层的片材而制造产品的方法被简化,这导致减少制造的时间和费用。
由于根据本发明第三方面的装置的概念基本上与根据本发明第一方面的方法相同,因此把本发明第一方面的详细叙述应用于根据本发明第三方面的装置。
根据本发明第三方面的一种优选形式,该装置包括确定构成层厚度值的厚度确定装置,使相邻的构成层具有不同的形状。
在此装置的优选形式中,在层压方向延伸并且在与层压方向平行的平面内具有相同截面形状的产品部分,由单个的构成层得出或构成,并且不需要被分割为两个或多个构成层。
因此,在概念上构成产品的构成层的所需数目被减少,产品的制造被进一步简化,这导致进一步减少了制造所需的时间和费用。
对以上的装置优选形式将进一步加以解释。
该装置的厚度测定手段包括形状测定仪以及厚度测定仪。该形状测定仪适合于以下面的方式之一来测定每个构成层的形状。
1.该产品每一构成层的上表面和下表面截面形状的一个被确定如结构层的形状。此测定是基于一种假设,即由垂直于层压方向的最终分割平面所限定的每一构成层的上表面和下表面,都有相同的截面形状。
2.由最终分割平面所限定的每一构成层的形状被确定为该构成层上表面和下表面横截面形状或轮廓的总和。换句话说,通过叠加该构成层上表面和下表面上的截面形状或轮廓而得到构成层的形状。此测定是基于一种假设,即构成层在对应于该构成层上下表面的平面上,可以具有不同的截面形状或轮廓。
在第二种情况下,所制造的产品的外形可比原来的外形大,这归因于该构成层上下表面上的外轮廓总和。然而,所制造的产品可随后被切削为原来的外形。
在以上优选形式的装置的一个有利配置中,厚度测定仪包括:(a)暂时分割平面的测定手段,它用于测定众多平行的暂时分割平面,这些平面垂直于片材的层压方向,并且它们在层压方向的预定距离彼此间隔,该暂定分割平面限定众多暂定构成层;(b)用于计算暂定分割平面内产品截面面积的计算手段;(c)用于确定暂定分割平面的每一相邻层作为最终分割平面的最终分割平面的测定手段,每一暂定分割平面的相邻层都对应于这样一个位置,在该位置,计算出的截面面积在层压方向变化;以及(d)用于测定由最终分割平面所限定的每一最终构成层厚度的厚度测定手段,这以在层压方向中最终分割平面相邻层之间的距离为基础。
鉴于找到与上述关于本发明第一方面的有利配置相同的发现,构成了本装置的上述有利配置,结果是(a)确定了许多平行分割平面,它们垂直于构成层的层压方向,并且它们在层压方向的预定距离相互隔开,以致限定了许多暂定的构成层,(b)计算暂定分割平面内产品的截面面积,(c)计算作为最终分割平面的每个相邻暂定分割平面,它们对应于这样一个位置,在该位置,相邻暂定构成层的计算出的截面面积在层压方向变化,和(d)测定由最终分割平面限定的每一最终构成层的厚度,这以层压方向中相邻最终分割平面之间的距离为基础。
在以上配置中,每个最终构成层的厚度都可容易地测定,这导致进一步简化该产品的制造,并进一步减少了制造所需的时间和费用。
本装置有利配置的概念基本上与根据本发明第一方面的方法的有利配置概念相同,它的上述说明用于本装置。然而通过以下的补充解释可以更好地理解本装置。
在上述配置中,最终分割平面可被正确地确定,如在图10C中1至6处所指出的那样,其中该产品由两或多部分组成,它们在层压方向延伸而且其中之一在平行于层压方向的平面内(在垂直于暂定分割平面的平面内)具有相同的截面面积,如图10B中所指出的那样。如果产品有一部分,其在以上指出的平面内的截面面积在层压方向连续变化,如图11所指出的那样,则对该产品的那部分就不能正确地或合适地确定最终分割平面。为了处理此缺陷,本装置的最终分割平面测定手段可以包括以下手段之一
1.用于通知该装置操作者的手段,通知该最终分割平面对于产品的一部分不能被正确地加以测定(该部分的截面面积在层压方向连续变化)。
2.用于敦促操作者进行判断的手段,判断用最终分割平面测定手段来测定最终分割平面是否合适;以及如果用测定工具测定不合适,则允许操作者使用手标示最终分割平面的用具。
允许操作者用手标示最终分割平面的手段,可用于(i)用手标示该最终分割平面而不需装置的任何帮助,或(ii)提供一些暂定分割平面的辅助标记作为侯选的最终分割平面,并敦促操作者选择合适的候选最终分割平面,作为最终分割平面。
以上所指出的第四个目的可根据本发明的第四方面来实现,它提供了一种用于制造产品的装置。包括本发明第三方面的用于在概念上将产品分割成许多构成层的装置,还进一步包括:(i)一台片材提供设备,用于制备片材,这些片材的厚度值分别基本上和众多构成层的厚度值相等;(ii)用于在平台上相互叠加片材,形成一层状结构的层压设备;(iii)用于粘合相互相邻片材的粘合设备,每次将一相邻片材叠加到另一相邻片材上;和(iv)在粘合每一片材至相邻片材后,用于切割每一片材的切割设备。在每一片材上形成切口,用于从外轮廓内的每片必要部分除去每一片材的不需要部分,后者位于相应构成层的外轮廓之外,外轮廓按以上所指出的对应的构成层形状而被确定。
根据本发明第四方面,该产品制造装置适于实施该产品的制造方法,允许有效和经济地制造产品,这是由于大量减少了产品构成层或片材数量,这种减少是可能的,因为该模型在概念上被分割为构成层,从而允许相邻层有不同的厚度值,如上所述。
以上所指出的第五目的可根据本发明的第五方面来实现,它提供了一种制备有预定厚度的片材的装置。该装置包括:(a)夹持坯料的夹具;(b)切割由夹具夹持的坯料的切割工具;(c)用于在第一平面内相互移动夹具和切割工具的第一运动装置,用该切割工具在平行于第一平面的平面内贯穿该坯料实行切割,用于移去该坯料的一部分作为片材;及(d)用来使夹具和切割工具在贯穿第一平面的第二平面内相互运动)的第二运动装置,为调整片材的厚度而改变切割平面的位置。
为了实施根据本发明第二方面的产品制造方法,或为了操作根据本发明第四方面的产品制造装置,用于制备具有所希望厚度片材的装置是必不可少的。该片材制造装置对于常规的用层压片材的方法而制造产品也是有用的。因此,根据本发明第五方面的片材制造装置,对于常规的产品制造方法和装置,以及对于根据本发明的产品制造方法和装置,都是合适的。
在本发明的片材制造装置中,坯料在一平面内被切割,而贯穿该坯料的切割平面可在垂直切割平面的方向变化。
根据本发明第五方面的本片材制造装置,可通过切割坯料而调整所得到的片材厚度值。这取决于产品的概念上的构成层已确定的厚度值。换句话说,该装置能够制造适于实施本发明第二和第四方面的具有不同厚度值的片材。
以下进一步解释本片材制备装置。
(1)该坯料可采取机械、热、电化学、电学或光学的方法进行切割。机械切割可以是切削、锯、剪切或超声波切削。电化学切割可以是电-化学切削。电切割可以是放电切削、电子束切削或等离子体切削。光切割可以是激光切削。
(2)该切割工具可以是一个热切割导线,例如镍铬合金导线,切割刀片,或激光发生器。当热切割导线或激光发生器用作切割工具时,毛坯被切削工具所产生的热所熔融或融化而被热切割。在使用切割刀片的场合,随着刀片的线性或旋转运动,毛坯因被切削或剪切而被机械切割。
根据本发明的另一方面,提供一种在概念上把产品分割成许多构成层,通过将与该构成层相对应的片材进行层压来制造产品的方法,其中该产品是由部件结合体组成的,当该产品在概念上被分割成许多构成层时,这些部件结合体以预定的相互位置关系彼此相对配置,而且其中每个构成层的厚度和形状都被确定,从而允许相邻的构成层有不同的厚度值。
产品的部件可包括用于铸塑模头的模型,这些模型用于形成所希望的制品。
根据本发明的再一方面,提供了一种制造产品的方法,它包括上述的在概念上把产品分割为许多构成层的方法,还包括相互叠加片材,形成叠层结构的步骤,该结构生成模型,且其中模型与砂堆相配合,生成用于形成模头的模具。
例如,构成模型的片材可以由这样的材料形成,它暴露于由引入模具的熔融金属所传导的热时会消失,因此由该材料所占据的容积就被熔融的金属所填充,而在砂堆中形成模型。
结合考虑附图,通过阅读以下的本发明优选实施例的详细说明,将可以更好地理解本发明以上的和还可有的目的、特性、优点、技术的和工业的重要性,其中:
图1是用压制法制造最终产品的方法的说明图,该方法包括制造用于模头的模型制造过程,因此模头根据本发明的一个实施例通过层压来制造最终产品;包括使用所制的模型浇铸模头的浇铸过程;包括按照需要切削模头的切削过程;还包括使用该模头压制制造最终产品的压制过程;
图2是图1中压制过程所用模头的剖面图;
图3是图1中浇铸过程的步骤说明;
图4是一下模头的透视图,该下模头用于取代图2中的下模头,它是用根据本发明方法的一个优选实施例所制造的模型,使用本发明模型制造装置的一个优选实施例而制造的;
图5是用于制造图1制造过程中下头模型的模的处理数据步骤显示图;
图6是制造图1制造过程中的模型的步骤显示图;
图7是一方框图,说明图1制过程中所用数据处理装置的一个优选实施例;
图8是一流程图,说明自动测定图5数据处理步骤中的模型构成层厚度值的程序;
图9A、9B和9C是显示具有倾斜表面的产品例子的视图;
图10A、10B和10C是在图8厚度测定程序中,指示图4下模头模型的构成层的厚度测定的视图;
图11是如图8程序中所计算的构成层截面积逐渐变化的例子显示图;
图12是一流程图,说明在图5数据加工步骤中自动测定切割线的程序;
图13是一流程图,说明在图5数据加工步骤中自动测定粘合面积的程序;
图14是显示供制造在图6层压步骤中下模头的模型的装置优选形式的视图;
图15是根据本发明方法,数据加工装置和模型制造装置优选实施例所制造的片材层状结构剖面图,该层状结构提供一组合产品。此产品由用于上部和下部模头的模型和用于上部和下部模头的增强元件组成;
图16是图15层状结构从最底层数起第4层或片的平面图;
图17是一片材提供机构的改进形式视图,该机械用于提供层状结构的构成片材,该机构是用于图14装置中的计数机构的替代物;
图18是片材提供机构的另一改进形式的视图;
图19A和19B是本发明优点的解释图;
图20A,20B和20C是层状结构截面图,用于解释本发明的优点;及
图21A和21B是用于解释本发明另一实施例的视图。
首先参见图1,它说明了通过压制而制造最终产品的一系列操作,包括制造过程、铸塑过程、切削过程和压制过程。制造过程根据本发明的一个实施例进行,该实施例用于制造原模型或母模(即用于在压制过程中制造最终产品的上模头和下模头),与在使用模型的铸塑过程中制造上模头和下模头时用于增强这些模型的增强元件的组合体。切削过程中按需要切削铸塑模头,从而完成该模头,使该模头在压制过程中可用于制造最终产品。
在压制过程中使用的上模头和下模头在图2截面图中分别表示为300和302。这些上模头和下模头300和302构成相互啮合,并共同在工件上完成压制操作,使得该工件通过压制和/或切割形成所希望的形状。在图2的特例中,上模头300是一阴模头,而下模头302是一阳模头或冲头。
在铸塑过程中,上模头和下模头的模型或模具是在一个所谓的“全模”过程中通过铸塑形成的。在全模过程中,铸塑下模头的铸塑过程的例子在图3中举例说明。在图3的这个例子中,要铸塑的下模头在结构上不同于图2的下模头302。即,如图4中所示的下模头309是用“全模”模型或模具306铸塑的。为了易于理解本发明的概念,以下的说明涉及此下模头309,而不是涉及结构简单的图2下模头302。
如图4所示,使用模型306来生产的下模头309有一平面部分313,在其上面形成两个凸台314a,314b。此外,形成一凸肩316以便从平面部分313延伸,致使该凸肩316的上表面与平面部分313的上表面齐平。
现参看图3解说铸塑过程,在全模过程中用于形成下模头309的模型306,先被放在一型箱304内,然后被埋入型砂堆308中,与此同时该模型306用合适的增强元件310增强,此元件保护模型306不被型砂308使之变形。使用增强元件310是因为模型306是由发泡聚苯乙烯形成的,缺乏足够的刚度。当生产图2中以300表示的上模头时,也使用相类似的增强元件。
当型箱304中在模型306的另一侧上的空间的一部分用型砂填充时,增强元件310与模型306的另一侧面保持接合。在型箱304中,在模型306另一侧的空间的一部分随后用型砂308填充之前,取出增强元件310。
当模型306被埋入型砂308之后,穿过型砂308形成浇口和冒口,致使这些浇口和冒口与模型306连通。即,模型306保留在型砂308中。在此状态,将高温的熔融金属通过浇口倒入并流入模型306。结果是,由于从熔融金属312传出的热使模型306消失,因此对应于模型306的空间被熔融金属312填充。金属312冷却并硬化后,从已变硬的金属体取走型砂308,由此在全模过程中,通过浇铸形成了具有与模型相同轮廓的下模头309或模型306。
在以上所述的浇铸和压制过程之间进行切削过程,例如,在数控机床上用旋转切割工具把浇铸的上模头和下模头的表面抛光。
该制造过程是这样一个过程,其中用来浇铸上模头和下模头的模型,和用于模型的增强元件,都是通过层压而制造的。在此例子中,模型包括用于下模头309的模型306,增强元件包括用于模型306的增强元件310。
如上所述,用于生产所希望产品的上模头和下模头,例如用数控机按常规制造。更具体地说,尺寸大于要制造的模头的坯料用旋转切割工具切削该坯料,此在数控下三维运动。然而,此加工过程不能完全省去人工操作(而人工操作可能造成模型的错误的或低效率的生产),如以下就图4中所示的下模头309所作的详细叙述。
凸台314a,314b可通过数控机床切削坯料,而在下模头309的平面部分313上形成。然而,在这种情况下,相当大的平面部分313的上表面也应被机械加工,而这一机械加工要花相当长时间。此耗费时间的机加工可通过把凸台314a,314b粘合到平面部分313上面省去。在这种情况下,先用数控机加工生产下模头309(没有凸台314a,314b),同时也用数控机加工分开生产出这些凸台,然后把凸台粘合到下模头309的平面部分313上。因此,该生产需要手工操作粘合凸台314a,314b。
图4中所示的下模头309很难被机加工,因为用切割工具不容易接近凸肩316的底面。像凸台314a,314b那样,可以把用数控机加工生产的凸肩316粘合到由数控机加工生产的下模头309的平面部分313(没有凸肩316)上。在这种情况下也需要手工操作来粘合该凸肩316。
可以通过层压构成层(它们具有合适的外部轮廓或形状)来制造所希望的构件例如模头。此层压过程可以生产带有凸台314a,314b和凸肩316的底模头309,而只需最低限度的人工操作,结果是由于人工操作导致的模头309生产差错风险最小。
以上所说的层压过程是模型、母模或原型高速三维形成的有效形式,即所谓的“快速原型成型”。
根据本发明实施例的制造过程(它只是以上所述层压过程的一个例子)具有以下胜过常规层压过程的优点:
[1]构成层的可变化厚度
在常规层压过程中,通过层压制造的产品在概念上被分割成许多构成层,它们在层压方向具有相同的厚度。在产品的生产中,首先确定构成层的截面形状,然后把所选材料的片材相互叠加,它们作为构成层具有相同的厚度和相同的截面形状。在根据本发明的制造方法中,要确定产品(例如用于下模头309的模型306)的构成层,从而使该构成层在层压方向有不同的厚度值,而且使相邻层有不同的外部轮廓或截面形状或面积。换句话说,构成层的截面形状按以上所述方式进行确定,将具有相同截面形状(作为各个构成层)和有不同厚度值的合适片材相互叠加,形成产品。
在根据本发明原理的制造过程中,在层压片材方向长距离都具有相同截面积或形状的产品部分,不需要用两个或更多个片材(它们每个都有相同的厚度)来形成,而可以用有相当大厚度的单个片材来形成。这种制造过程可以减少制造产品所需要的时间和费用。
[2]使用具有不同厚度值的片材
为了容许用不同厚度值的片材来形成产品,需要提供具有所选厚度值的片材。根据本实施例,制造过程的层压步骤包括这样一个步骤,即在一平行于顶表面的平面内,通过切割一矩形坯料而制备具有所要求的厚度值的片材,使用的是线性延伸热切割导线,它沿着以上所指出的平面相对于坯料而移动。该热切割导线适于产生热以便热熔融或熔化坯料的材料,由此切开该坯料,以提供具有所选厚度的片材。
[3]同时制造两种或多种产品
在传统的层压过程中,只能以叠层结构的形式制造一个单一产品,该结构由相互叠加的许多片材组成。然而,本发明都可以同时制造两个种或多种单一层压结构形式的产品,而通过借助于在层状结构中形成的切口而从层状结构切掉不需要部分,把该结构分割成分离的产品。如以下详细所述的局部粘合相邻片材,从而使得除去不需要部分,将层状结构分割为分离产品变得容易实现。片材的局部粘合可导致产品的几何准确度或形状准确度降低,因为准确度极大地依赖于每一片材(构成层)的刚度或强度。然而,根据本制造方法,该片材可产生足够大的刚度,因为该层状结构不需要由例如纸片材这样的薄片材(所有这些片材都具有相同厚度)来组成。
例如,因为用于浇铸图2的上模头和下模头300,302的模型被设计成相互啮合,因此这些模型可以作为一件单层状结构同时形成,该结构由对应于两个模型的两部分组成。在传统方法中,两件产品由相应的两个层状结构形成,因而要从每一层状结构切除相当大的部分。在本制造方法中,为制造这两个模型而要从该层状结构中切去的部分的数量被大大减小了,材料费用因此可被降低。此外,根据本实施例,同时制造两件或多件产品导致显著降低所需制造的时间。
[4]片材的局部粘合
在传统的层压方法中,相互叠加的相邻片材,以在起始的接触表面的整个面积都涂施的粘合剂而粘合在一起。即,相邻的片材也在其在最后步骤中由工人用手工接着切除的部分中进行粘合。片材的这些部分(被称作“层状结构的不需要部分)的粘合趋向于使工人难于辨别层状结构的不需要部分与生成所希望产品的其他部分或需要部分。因此工人可能错误地切去该层状结构的需要部分。另一方面,在根据本发明的原理的本制造方法中,相邻片材仅在其在必要部分内的接触表面局部地粘合到一起,而这些必要部分最终制成产品。根据层状结构相邻片材的这种局部粘合,片材在该层状结构的不需要部分不粘合到一起,当该不需要部分从该结构切除以得到该产品时,该不需要部分可以容易地与其它部分相区别。
如上所述,本制造方法方便了所希望的一件产品或多件产品的生产,而在最后的材料切除步骤,不造成损坏,甚至在产品具有复杂结构,或从一单个层状结构同时生产多件产品的情况下,都如此。
如图1所示,在本实施例中该制造过程由数据处理步骤和层压步骤所组成。数据处理步骤包括指示根据本实施例的产品(例如模型306)构成层厚度值和外轮廓或形状的数据的产生。层压步骤是基于在数据处理步骤所产生的数据而制造模型的步骤。
在图5中说明了数据处理步骤的细节。该数据处理步骤包括:子步骤SS1,制造限定每件产品(由设计师设计的)的产品数据;子步骤SS2,自动测定产品构成层的厚度值;子步骤SS3,自动确定切割线318,在层压步骤所形成的层状结构中沿此线提供切口;和子步骤SS4,自动确定相应于产品相邻构成层的相邻片材的粘合面积320。以上所指出的子步骤从SS1至SS4按说明的顺序执行。在子步骤SS3中的自动确定和子步骤SS4中的切割线,SS4的自动确定,对该产品的所有构成层重复执行,层的号码用“N”表示。
制造过程的层压步骤细节在图6中说明。该层压步骤包括:子步骤SS11,由一切割工具以热切割导线72的形式切割或切开坯料322,以提供预加工的片材324;子步骤SS12在中间层状结构上叠加片材324;子步骤SS13,在压力下将片材324粘合到中间层状结构上;子步骤SS14沿着图5中数据加工步骤的子步骤SS3中所确定的切割线318,在片材324中形成切口;子步骤SS15,涂施粘合剂至片材324的某区域,该区域对应于图5数据加工步骤中子步骤SS4所确定的粘合面积320;及子步骤SS16,从层状结构切除不需要部分,该结构是通过对所有对应于模型306构成层的片材324,重复执行子步骤从SS11至SS15,而最后形成的,而结构层的厚度值是在图5数据加工步骤中,在子步骤SS2中测定的。在本实施例中,子步骤SS15和SS13一起提供粘合相邻片材的步骤,而涂施粘合剂的子步骤SS15在切割子步骤SS14之后执行。如上所述,对于对应于模型306(在图5数据处理步骤中被确定)所有构成层的片材324的每一个的都执行从SS11至SS15的子步骤。
以下详细叙述制造过程的数据处理步骤。尽管本实施例适于同时制造用于下模头309的模型306,用于上模头的模型,及用于模型306的增强元件310和用于上模头的增强元件,如上所述,然而为了简化解释,以下的说明仅涉及用于下模头309的模型306的制造。
数据处理步骤由图7所示的数据处理装置10来实施,它是根据本发明的一个实施例而构成的,以便产生制造层压步骤中的模型306时所需的数据。
该数据处理装置10包括计算机12(它包括中央处理器(CPU)14,只读存储器(ROM)16和随机存取存储器(RAM)18))。ROM16储存着各种控制程序,包括在图8流程图中所解释的执行层厚确定子程序的程序。需要时CPU14适于执行为实现数据处理操作所需的那些程序,而同时使用RAM 18的临时数据存储功能。
往计算机12上连接输入器件20,外存储器器件22,显示器24和打印机26。提供输入器件20以使操作者能进入限定如已设计模型306的数据,而且外存储器器件22存储着各种数据,例如,固体模型数据,它们代表着模型306的详细情况,并且它们是基于进入输入器件20的数据而产生的。显示器24有一荧光屏,它适于显示进入输入器件20的数据,和由计算机12产生的数据。打印机26适于在合适的记录介质例如纸片上执行打印操作。
数据处理装置10有CAD功能和CAM功能,即,借助于计算机设计和制造所希望的零件和产品的功能。例如,CAM功能包括将零件的设计数据转换为数控数据,以便数控机床制造零件。
数据处理装置10以下述方式执行上述子步骤SS1-SS4:
(1)产品数据准备子步骤SS1
在此子步骤SS1中,操作装置10产生表示模型306的三维固体模型数据,同时在设计者或用户通过输入器件20送入的数据的基础上,使用CAD功能。将所产生的固体模型数据存储在外存储器22中,并在需要时取回。
为了降低制造模型306所需的时间,重要的是使模型306的构成层数N,即,对应于片材324的数目N减至最小。在这方面,通过层压制造的某些产品有一斜面部分,如图9A中在326所表示的,即该部分不垂直于而是倾斜于构成层的层压方向。如果这样的产品根据由计算机12所产生的产品数据在概念上被分割为构成层,则对应于该斜面部分326的构成层,在该构成层的层压方向构成层都具有对应于预定厚度间距的最小厚度,这使该层的数目N趋于相当大,因而通过层压片材而制造该产品所需的时间增多了。
为将制造时间降至最少,装置10的用户重新设计该产品,用如图9B中所示的阶梯部分代替该斜面部分326,在该图中斜面的表面用例如4个阶台来近似。在此情况下,表示重新设计的产品的数据,存储外存储器22中。此重新设计当在下一子步骤SS2中确定构成层时有助于减少相应于斜面部分326的构成层数目。
然而,在上述情况下,例如由层压对应于构成层的片材而形成的模型306这种产品,产生台阶部分而不是原设计的斜面部分。此台阶部分在图1所述的机加工过程中通过机加工削去台阶328,如图9C中所示,可被修正成原设计的斜面部分。此修正工作根据原产品数据和重新设计产品数据,用数控机床可合适地完成。此机加工过程可以扩大根据本发明原理进行的层压的优点,其中仅有一个构成层对应于台阶328的每一个。如果不进行机加工过程,则用模型306浇铸而产生的下模头309就不希望地产生台阶部分。
(2)自动层厚度测定于步骤SS2
在自动层厚测定子步骤SS2中,执行流程图8中图解说明的以上指出的层厚测定例行程序,以产生层厚数据。此数据表示要制造的模型306的许多构成层的预定厚度值。执行此例行程序的程序存储在数据处理装置10的ROM16中。所测定的构成层厚度值相应于对应片材324的厚度值,这些片材相互叠加,以形成在图6层压步骤中的模型306。
图8的层厚测定例行程序将参照图10A,10B和10C进行叙述。
图8的例行程序用步骤S1启动,在该步骤,要制造的模型306在显示器24的荧光屏上显示。显示是根据在产品数据准备子步骤SS1所产生的,并已储存在RAM 18中的产品数据而进行的。在此条件下,该装置10的操作者操作输入器件20,以设计模型306构成层的层压方向,即这样一个方向,在其中相应于构成层的片材324,在图6层压步骤中相互叠加。
步骤S1后跟着步骤S2,其中模型306的尺寸在所设计的层压方向被预定的厚度间隔在概念上分割,以确定如图10A中平行虚线所示的许多平行的临时分割面。该临时分割平面垂直于该临时构成层的层压方向,并在该层压方向按预定的厚度间隔相互隔开。表示临时分割平面的平行线在显示器24所提供的模型306的剖面图上叠加,如在图10A中也表示的那样。厚度间隔是片材324厚度的较低极限,低于此值,用图6层压步骤中的热切割导线72切割或切开坯料322不能准确地得到片材324。
然后,控制前进到步骤S3以确定如在已确定的临时分割面中所见到的模型306的截面形状。然后,步骤S4是进行计算临时分割平面中模型306的截面表面积。因此可以测定相邻临时构成层是否具有相同的截面表面积。计算出的临时构成层的截面表面积在图10B中表示。在要制造的产品由两个或多个零件组成(在此特例中其中之一是模型306)时,所要计算的截面表面面积是在每一临时分割平面内全部零件的总截面表面积。步骤S5紧跟着步骤S4,其中显示器24显示的是被确定的多个组临时构成层这一组,因此每组由一或多个临时构成层(它们在临时分割平面有相同的截面表面积)组成。已确定的组在图10C中以1,2,3,4,5和6表示。
然后,控制前进到步骤S6,提示操作者确定,在显示器24上显示的相邻临时构成层的组是否被确定为模型306的最终构成层。如果该操作者已操作输入器件20确定所显示的组作为最终构成层,即如在步骤S6得到一个肯定的回答(是),则控制就前进到步骤S7以确定在显示器24上显示的相邻临时构成层的组作为最终构成层。限定每一最终构成层的临时分割平面将被称为“最终分割平面”。步骤S7后跟着步骤S8,在S8中限定每一最终构成层的最终分割平面之间的距离,被计算为每一最终构成层的厚度。因此已测定的模型306的最终构成层的厚度值就被确定了。
如果操作者认为,在显示器24上显示的临时构成层组不应被确定作为最终构成层,则该操作者操作该输入器件20至那种效果。在此情况下,在步骤S6就得到一否定决定(不)。控制前进到步骤S9,在S9中,操作者设计所希望的最终分割平面(最终构成层)。在此情况下,在步骤S7最终分割平面或构成层,像操作者所设计的那样而被确定。由操作者进行的所希望最终分割平面的设计可通过设计临时分割平面(如图10A中用平行的虚线所表示的)来实现,此平面应不是最终分割平面,即,此平面应不限定最终构成层。
例如,在某些情况下操作者设计最终分割平面,这些情况中,由某些临时分割平面限定的临时构成层的截面表面积,跨越临时分割线逐渐地或连续地变化,如图11中的例子所示。如果操作者在步骤S9不设计所希望的最终分割平面,则在步骤S7确定的最终构成层将包括最终构成层,后者的截面表面积逐渐变化,且其厚度值等于预定的厚度间距。如果这种确定最终分割平面的方式不是操作者所希望的,则操作者设计合适的临时分割平面,此时最终构成层应忽略不计。在图11的例子中,由箭头所表示的两个临时分割平面被忽略不计,因此只有两个最终构成层对应于其截面表面积逐渐变化的模型306的厚度部分。因此步骤S9允许操作者修正由数据处理装置10自动确定的最终分割平面或构成层。
步骤S9紧接步骤S7和S8之后,因此由操作者设计的最终构成层的厚度值被确定了。
(3)确定自动切割线的子步骤SS3
在此确定自动切割线的子步骤SS3中,执行第12流程图中用图解说明的确定切割线例行程序,以确定切割线,沿此切割线,在每一片材324(对应于图8例行程序中所确定的每一最终构成层)中提供切口。执行此例行程序的程序也存储在ROM16中。
对图12的确定例行程序切割线将参考图5加以说明,在图5中,从上边数的第三和第四视图是模型306的第四最终构成层的透视图,该层在从上边数第二视图中在截面中以4表示。这些透视图显示在最终要被切除的最终构成层不需要的部分形成切口(在子步骤SS16中)的切割线318,而这些切口限定了在所制造的模型306中保留部分的外轮廓。
图12的子程序从步骤S21开始,以决定在已确定的最终分割平面中模型306的截面形状或面积。这些截面积由每个最终构成层的上表面和下表面的外轮廓所限定。在图5的例子中,第四最终构成层(它对应于图4下模头309的平面部分313)的上表面和下表面轮廓被确定。在此例中,上表面和下表面轮廓彼此等同。
然后,控制前进到步骤S22,在其中计算出每一最终构成层上表面和下表面截面形状的样式总和(作为最终构成层的“总体轮廓”)。在上表面和下表面轮廓相等的情况下(如图5例子中那样),总体轮廓与上表面和下表面轮廓相等。在上表面和下表面轮廓相互不同的情况下,总体轮廓就是在正在谈论的最终构成层层压方向通过叠加上述最终构成层上表面和下表面的截面积或形状而得到的轮廓。后一种情况应用于两个最终构成层的每一个,该构成层是就图11的例子而论、忽略以上所述两个临时分割平面而确定的。这样,各个最终构成层的轮廓(总体轮廓)都在步骤S22中确定了。
步骤S22后面跟着步骤S23,以便沿着所确定的每一最终构成层轮廓确定切割线,如图5第三个视图所示,并产生代表所确定的切割线位置的切割线数据。在模型306制造过程中该切割线数据用于在图6所指出的子步骤SS14中,在对应于每个最终构成层的片材324上,形成切口。
然后,执行步骤S24以确定点阵形式的切割线,用于在最终构成层的不需要部分(它在子步骤SS16中最后被切除)形成切口。提供这些切割线(也在图5第三视图中表示出)以便于工人对不需要部分的切除。也产生表示这些切割线位置的切割线数据。
然后控制进入步骤S25,以便在步骤S23和S24中图所产生的切割线数据的基础上,产生切刀轨迹数据。该切刀轨迹数据表示在图6子步骤SS14中切除片材324所用切刀104的轨迹。
(4)确定自动粘合面积的子步骤SS4
在确定自动粘合面积子步骤SS4中,执行第13流程图中解说明的确定粘合面积例行程序以便确定在对应于相邻最终构成层的相邻片材324之间的粘合面积。执行此例行程序的程序也存储在ROM16中。
图13的例行程序从步骤S41开始,以便确定最后加工的最后构成层上表面轮廓和现在加工的最终构成的下表面轮廓。然而,这些相邻构成层的上表面和下表面轮廓可由这些构成层的总体轮廓代替。然后,计算在相邻构成层上表面和下表面的截面形状或面积的产品形状,作为当前已加工的构成层的粘合面积320,如图5第四视图中所示。在图5的例中,以上所示的产品形状与在第五最终构成层下表面处的模型306横截面形状或面积相同。因此,这样确定的粘合面积324相应于相应片材324上的粘合面积,这使得粘合剂仅涂施到对应于保持在所制造产品306中的片材324的一部分的粘合面积320上。
步骤S41后跟着步骤S42以产生涂布器轨迹数据,该数据表示涂布器110为涂施粘合剂至相应片材324的粘合面积(该面积对应于在步骤S41中所确定的粘合面积320)所走的轨迹。
尽管已经叙述了用于执行图5的数据处理步骤的数据处理装置10,还要参照图14叙述用于执行图6层压步骤的层压装置50。数据处理装置10和模型制造装置50合作,构成用于制造形状如模型306的产品的制造装置的一个实施例。
如图14所示,层压装置50包括坯料切片机构52,层压机构54,压力粘合机构56,切割机构58,粘合剂涂布机构60和数控机构62。图14还显示了一中间层压机构,它由用于下模头309的模型306的制造过程中的四个片材324组成。
坯料切片机构52包括一用于夹持被切坯料322的夹具70,,上述热切割导线72形式的切刀(它沿着与图14的平面相垂直的直线延伸),和用于使热切割导线72通电的电源74。夹具70由升降装置76垂直移动,致使坯料322的顶表面被夹持在预定的高度位置。
块状切片装置52进一步包括一水平移动机构78,它用于相对于在水平平面的坯料322,移动热切割导线72,和包括一垂直移动机构80,它用于相对于面的坯料322,移动热节割导线72。为了将坯料322切开以得到具有预定厚度(该厚度对应于相应最终构成层的厚度值,它是在步骤S8中确定的)的片材324。热切割导线72用垂直移动机构80根据片材324的厚度相对于坯料322而垂直设置,导线72用水平移动机构78相对于坯料322水平移动,以便在平行于顶表面的平面内切割坯料322。
坯料322是由发泡聚苯乙烯形成的,因此坯料322沿着导线72所定的轨迹被热切割导线72产生的热局部熔融或熔化。块状切片机构52从数据处理装置10接收通过执行图8的例行程序而得到的层厚数据,使得基于正被提到的最终构成层的厚度而控制垂直移动机构80,而该厚度表示通过将坯料322切开而生产的相应片材324的厚度。
在本实施例中,坯料切片机构52用作片材供应机构以提供片材324,这些片材用层压机构54相互叠加,以形成层状结构(例如模型306)。
层压机构54包括一个平台90(在其上放置层状结构),一台升降机(用于垂直移动平台90),以及传送机构94(用于传送片材324)。操纵升降机92以改变平台90的垂直位置,以使中间层压结构的顶表面固定在预定高度位置。传送机构94包括呈吸管96形状的夹持器,用于夹持由坯料切片机构52生产的片材324,以及包括用于将吸管96从坯料322的位置移动到平台90之上预定位置的适宜工具。在预定位置,吸管96释放片材324,从而把它放在位于平台90上的中间层压结构的顶片材324上。
压力粘合机构56有一呈承压滚筒100形式的加压器元件,它适于将最后放置的片材324对着中间层压结构的顶片材324施压,致使这些片材324牢固地被粘合剂粘合在一起,而这些粘合剂是已涂施到上述顶片材324的上表面的粘合区域上的。承压滚筒100在最后放置的片材324上表面之上进行滚压,同时以向下的方向施加压力,致使最后放置的片材324平坦地压盖在其整个表面区域上。
切割机构58包括上述切刀104,切刀供料机构106,和切割深度调节机构108。
切刀104适于在与上表面成直角而切割最后放置的片材324。在本实施例中,切刀104是一个适于产生激光例如CO2激光的激光发生器。用激光切割在切割过程中不产生作用于片材324上的力,因而防止片材324由于切割作用而产生的变形,这导致改进了切割准确度。
切刀送料机构106,适于根据从数据处理装置10接收的切刀轨迹数据,彼此在水平方向送入切刀104和最后放置的片材324,因此沿着由切刀轨迹数据表示的切割线,在片材324中形成切口。在本实施例中,切刀供料机构106仅适于相对于平台90上静止的层压结构,进给切刀104。然而,仅有平台90可以相对于静止的切刀104移动,或切刀104和平台90可彼此相对移动。
切割深度调节机构108适于根据数据处理装置10接收的层厚数据,调节在最后放置的片材324中由切刀104形成的切口深度。通常,可将由切刀104形成的切口深度调节至等于最后放置的片材324的厚度值,因此,在这个最后放置的片材324中形成的切口,没有到达支承着最后放置片材324的片材324。切割深度调节机构108可被安排,以控制激光的输出,切刀104(相对于片材324)的进刀速率,或切刀104与最后放置的片材324的上表面之间的垂直距离。
粘合剂涂布机构60包括涂布器110和涂布器进给机构112。该涂布器进给机构112适于根据从数据处理装置10接收的涂布器轨迹数据,在水平方向彼此相对地进给涂布器110和最后放置的片材324,因而将粘合剂涂施到最后放置的片材324的粘合区域。在本实施例中,涂布器进给机构112适于相对于静止的层压结构仅进给涂布器110。
仅为了说明的目的,数据处理装置10和层压装置50已连同模型306形状的产品加以叙述,该模型用于浇铸图4的下模头309。在顺流制造用于上模头和下模头的模型及用于这些模型的增强元件的情况下,通过层压片材而形成的层压结构包括产生这四个零件的部分,和要随后切除的部分,如图15中所示其中参考号330和332分别表示用于上模头的模型和用于此模型的增强元件,而参考号334和336表示从该层压结构的底部数起的第二片材和第四片材。参考号338表示要被切除的不需要部分。图16是第四片材336当朝其上表面看时的平面图。不需要部分338由切割线限定,该切割线也限定了产生模型306,330的部分的轮廓。
在以上的实施例中,块状切片机构52作为提供片材324的片材供应机构,通过垂直移动机构80,改变切刀104和坯料332的垂直相对位置,适于在水平平面切割坯料332。然而,片材324的厚度可以由其它安排来调整。
例如,坯料切片机构52可由图17所示的片材供应机构190,或如图18所示的片材供应机构192代替。在图17的片材供应机构190中,可以制备许多具有不同厚度值的料片,并根据数据处理装置10接收的层厚数据来选择这些料片中合适的一张。更具体地说,片材提供机构190使用三个具有不同厚度值的料片的辊子,并且包括一选择机构200(该机构适于根据层厚数据选择三个辊中的一个),和一切割机构202,该机构用于切割所选辊的料片,以制备具有合适厚度的切割片材204。
图18的片材供应机构192适于通过层压许多具有相同厚度的片材而得到具有适宜厚度的层压片材226。被相互层压从而生产层压片材226的这些片材的数目是根据从数据处理装置10接收的层厚数据而确定的。更具体地说,片材供应机构192使用四个具有相同厚度的料片辊,并且,包括适于选择辊数目的选择机构220,辊的料片用于生产叠层片材226。选择机构220根据从装置10接收的层厚数据操作。片材供应机构192还包括用于切割所选择的辊的料片,从而制备至少一层切片的切割机构222,以及包括一台层压机构,它在收到来自切割机构222的两片或多片切片时进行操作。该层压机构224被安排用来层压切片,以便生产具有适宜厚度的叠层片材226。在从切割机构222仅供应一片切片的情况下,则这一切片仅通过层压机构224,并作为用于形成层状结构的片材226供应。
在已说明的实施例中,由于各个数据处理和层压装置10,50被自动控制,使数据处理和片材的层压最大限度地自动化了,对操作者操作的要求最少,因而操作者的工作量被大大降低了,这导致操作者错误操作的风险降低了。
如果制造产品例如模型306的制造方法的数据处理和层压步骤不是全自动化的,而且当不是产品的设计者的操作者要通过阅读产品的图纸而涉及产品数据时,为了避免操作者对产品图纸的错误阅读或错误理解,应对设计者在设计产品时强加某些限制。
在产品中空部分配置加强肋的场合,在设计产品时可能提出这种限制,其中空部分有一恒定的截面形状。图19A显示了具有长方形截面形状中空部分的产品,如在XYZ坐标系的X-Y平面所见。在这种情况下,希望用两条延伸穿过中空部分的平行肋240来加强该产品,此肋240平行于长方形截面形状的短边。该产品不总是放置成长方形的长边和短边平行于X和Y轴。该产品可以放置成该长方形相对于X和Y轴以一定的角度倾斜,如图19A的上部视图所示。对于挤压所用的模头来说可能出现这种情况。如果对上述放置的产品在X-Z平面来看,该产品图的读者在X-Z面就可能错误地认两个肋240为四根肋,因为两条肋240的每条的两个端头都出现在图纸上,如在图19A中下部视图的闭合面积内所表示的那样。如果产品设计成按预定放置的产品的两条肋240平行于X或Y轴,如在图19B的上部视图所示,使得该图的读者可在X-Z平面正确地认别两条肋240,这就可避免以上的错误认识。在此情况下,肋240相对于该产品中空部分截面的长方形短边和长边倾斜。此肋240的倾斜是对设计者强加的限制,以便避免产品图被错误阅读。这种限制降低了肋240用于提高产品强度的刚度的追求效果。换句话说,牺牲产品的强度和刚度来防止读者对产品图的误读。
在本发明的说明实施例中,由片材的层压来制造产品的数据处理,基本上是完全自动化的,并且减少了在产品数据处理中操作者的操作机会。即,所说明的实施例对于降低对操作者阅读产品图纸的要求是有效的,并且对于减少强加给产品设计者的限制是有效的,这些限制将牺牲产品的预定质量,例如由如上述肋提供的预定强度和刚度。因此,所说明的实施例保证了产品的最佳设计。
在所说明的实施例中,切割片材324因而限定层压结构(模型306)外轮廓的切刀104应这样定向,即,切口的方向总是垂直于每片片材324的表面。在所给出的最终构成层上表面和下表面的截面积或形状彼此不同的情况下,上表面和下表面截面面积的总和被确定为该构成层的全部轮廓,沿着此轮廓用切刀104切割相应的片材324。如果切刀104的切口方向相对于片材324的表面是变化的,则基本上不必沿着全部轮廓进行切割,在上表面和下表面截面面积不同的情况下,可在上表面和下表面的不同位置切割片材。在这种情况下,改进了层压结构的尺寸或外形准确度,并且因此而降低了对后来进行机械加工操作以修正层状结构至所想要的产品的要求。
应该理解,被相互叠加而形成层状结构的片材可以具有不同的厚度值,并且只在生成最终产品的片材部分内的粘合区域粘合在一起。后者的局部粘合特征使得能较容易地切除未粘合在一起的不需要部分。该局部粘合特征是可用的,而没有片材(构成层)的可变化厚度特性,因此可被应用于传统的层压方法中(在该方法中,所有的片材或构成层都有相同的厚度)。
在已说明的实施例中,如上所述,操作者参与最终分割平面或步骤S6和S9中构成层的确定,因为在构成层层压方向,具有相同截面面积的产品部分不必被确定为最终构成层(片材324)。尽管模型306在图10C中2所指示的部分应被看作构成层或片材,但图21A中所示产品的中间倾斜的厚度不变部分,即使如图21B中所示的该具有相同截面面积的部分,也不应被当作或被确定为最终构成层。即,产品的最终分割平面或构成层只简单地根据每个具有预定厚度间距的临时构成层具有或不具有相同截面面积,是不能正确地确定的。
在这方面,数据处理装置10可以以合适的控制显示器24的方式来提供,以指出相对于层压方向倾斜的产品恒定厚度部分,此倾斜的恒定厚度部分在显示器24上的显示,帮助操作者正确地确定最终分割平面或构成层。在所说明的实施例和这一改进的实施例中,产品被分割为最终构成层不是完全自动进行的,而是以操作者的帮助而实现的。
然而,产品的分割或最终分割平面的确定可以完全自动化进行。例如,对于具有相同截面面积的产品部分可以完全自动化地确定最终分割平面。在此情况下,计算出由对应于上述部分的临时分割平面所限定的临时构成层截面面积的中心位置,如果该对应截面面积的中心未落在与构成层层压方向平行的直线上,则该临时分割平面被确定为最终分割平面。该临时构成层截面面积的中心位置可由该截面面积的轮廓代替。在这种情况下,如果该轮廓未与上述的直线成一线,则该临时分割平面就被确定为最终分割平面。然而,在上述情况下,希望显示器24显示出所有被确定为最终分割平面的临时分割平面,并提示操作者接受或拒绝这些最终分割平面。
尽管参照附图以上已详细叙述了本发明的优选实施例和其某些改进,然而,应该理解,本发明可以以各种其它变化、变更和改进来实施,对于本领域的熟练人员来说,在不背离以下的权利要求所限定的本发明的精神和范围情况下,这些都可出现。

Claims (18)

1.一种在概念上分割产品(306,310,330,332)为许多构成层,通过层压对应于该构成层的片材(324,204,226)而制造该产品的方法,其中确定该构成层的每片的厚度和形状,从而使得相邻的该构成层有不同的厚度值。
2.根据权利要求1的方法,它包括确定该构成层的不同厚度值的步骤,使相邻构成层具有不同形状。
3.根据权利要求2的方法,其中该测定该构成层的该厚度值的步骤包括:
(a)确定许多平行的临时分割平面,它们都垂直于该片材的层压方向,并在该层压方向以预定的间距相互隔开,该临时分割平面限定许多临时构成层;
(b)计算在该临时分割平面内该产品的截面积;
(c)确定相邻的该临时分割平面之一为最终分割平面,该平面对应于某一位置,在该位置已计算的截面积在该层压方向变化;以及
(d)根据该相邻最终分割平面之间在该层压方向的距离,确定由最终分割平面所限定的每一最终构成层的厚度。
4.一种制造产品(306,310,330,332)的方法,它包括根据权利要求1-3中的任一项的将产品在概念上分割为许多构成层的方法,并且还包括:
制备该片材(324,204,226),其厚度值基本上分别等于该许多构成层的厚度值;
在平台(90)上相互叠加该片材形成一层状结构;
将该相邻片材互相粘合,每次将该相邻片材之一叠加到该相邻片材的另一片上;
在粘合该每一片材至相邻片材之后,切割该每一片材,在该每一片材上形成切口(318)以便从在该外部轮廓之内的该每一片材的需要部分(306,310,330)切除该每一片材的不需要部分(338),该部分位于该构成层相应之一的轮廓外面,该外部轮廓被确定为该相应之一构成层的该形状;以及
在该切口处切除该每一片材的该不需要部分。
5.根据权利要求4的方法,其中在该切口处的该每一片材的该不需要部分,在该层压结构的该片材的最后一片进行该粘合和该切割之后,才被切除。
6.根据权利要求4或5的方法,其中粘合该相邻片材的步骤包括在该每一片材的该需要部分之内的粘合区域,将相邻的片材相互粘合。
7.根据权利要求4-6任一项的方法,其中该产品是用于通过浇铸而形成物品(300,302,309)的模型(306,330)。
8.根据权利要求7的方法,其中构成所说模型的该片材是这样一种材料形成的,该材料暴露于由引入模具的熔融金属(312)所传出的热时会消失,这使得由该材料所占据的体积被该熔融金属填充,由此该模型在该模具内形成。
9.通过浇铸形成一物品(300,302,309)的方法,它包括:
根据权利要求8的方法制造一模型(306,330);以及
用所制造的模型通过浇铸形成该物品。
10.一种制造产品的方法,它包括:
用根据权利要求9的方法形成一物品(300,302,309);和
用该物品作为模具的一部分(300,302,309),形成该制品。
11.一种在概念上将一产品(306,310,330,332)分割为许多构成层,以便通过层压对应于该构成层的片材(324,204,226)而制造该产品的装置,其中,确定每一个该构成层的厚度和形状,从而使得该构成层的相邻层具不同的厚度值。
12.根据权利要求11的装置,它包括用于测定该构成层的该厚度值的厚度测定机构(12,SS2,S1-S9),相邻构成层有不同的形状。
13.根据权利要求12的装置,其中该厚度测量机构包括:
(a)临时分割平面的测定工具(S2),用于测定许多平行的临时分割平面,这些平面垂直于该片材的层压方向,并且在该层压方向以预定的间距相互隔开,该临时分割平面限定许多临时构成层;
(b)计算工具(S3,S4),用于计算该产品在该临时分割平面内的截面面积;
(c)最终分割平面的确定工具(S5,S6,S7,S9),用于确定该临时分割平面相邻层作为最终分割平面,该平面对应于这样一个位置,在该位置该相邻临时构成层的已计算的截面面积在该该层压方向变化;及
(d)厚度测定工具(S8),用于测定由最终分割平面限定的每一最终构成层的厚度,这是基于以该最终分割面相邻层在该层压方向之间的距离的。
14.用于制造产品(306,310,330,332)的装置(10,50),它包括根据权利要求11-13任一项用于在概念上将该产品分割为许多构成层的装置(10),并且还包括:
片材供应机构(52,94),它用于制备该片材(324,204,226),片材厚度值分别基本上等于该许多构成层的那些厚度值;
层压机构(54),它用于在平台(90)上相互叠加该片材形成一叠层结构;
粘合机构(56,60),它用于相互粘合该片材的相邻层,每次将该相邻片材之一叠加到另一相邻片材之上;以及
切割机构(58),它用于在粘合该每一片材至相邻片材之后,切割每一该片材,在该每一片材中形成切口(318),以便从位于该轮廓之内的该每片材的需要部分(306,310,330)切除该每一片材的不需要部分(338),该不需要部分在对应的该构成层轮廓之外,该轮廓被确定为该对应一层构成层的该形状。
15.一种用于制备具有预定厚度的片材(324)的装置,它包括:
夹持坯料(322)的夹具(70);
用于切割被该夹具夹持的该坯料的切割工具(72);
用于在第一平面相对移动该夹具和该切割工具的第一移动机构(78),以便用该切割工具在平行于该第一平面的平面提供贯穿该坯料的切口,用于除去该坯料的一部分而作为该片材;以及
在与该第一平面相交的第二平面内,相对移动该夹具和该切割工具,以便改变切口的平面的位置,调整该片材的厚度的第二移动机构(80)。
16.在概念上将一产品(306,310,330,332)分割为许多构成层,以便通过层压对应于该构成层的片材(324,204,226)来制造该产品的方法,当该产品在概念上被分割或该许多构成层时,其中,该产品是由各部件(306,310,330,332)的结合而构成的,这些部分在预定的相互位置关系中彼此相对配置,而且其中每一构成层的厚度和形状都被确定,从而使得该构成层的相邻层具有不同的厚度值。
17.根据权利要求16的方法,其中该产品的该部件包括由浇铸来形成的模头(300,302,309)用的模塑(306,330),该模头用于形成物品。
18.一种制造产品(306,310,330,332)的方法,它包括根据权利要求17将该产品在概念上分割成许多构成层的方法,还包括相互叠加该片材324,204,226)以形成一层状结构的步骤,该结构产生该模型,而且其中该模型与大量型砂(3.08)一起形成用来制成该模头的模具。
CN96122744A 1995-09-13 1996-09-13 测定产品层压层的厚度值及形状的方法和装置 Pending CN1159386A (zh)

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