CN1275944A - 模型制造的设备和方法 - Google Patents

Abstract

多孔结构片状材料如聚苯乙烯泡沫叠层,可快速和低廉地生产出一个模型,如一个一次性铸造模型或芯模。聚苯乙烯片材(23)可用滚筒(20)送到可垂直调节的平台(11)上,按照预定的控制程序,用于被激光器(18)切割,至少产生一个符合外形要求的切出部分。还依靠热熔胶喷胶器(19),在切出部分上涂上胶粘剂,并降低平台(11)来使另外的片材(23)送到在其下面的切出部分上。然后升高平台(11),把切出部分胶接到另外片材(23)的下面,并支承另外片材作切割。重复该操作直到模型被完成为止。已切割过的废片材最好从平台送到牵引滚筒(21)上。由龙门架(13)上的滑座装置(15,17)带着激光器(18)和涂胶装置(19),沿两个方向(14,16)作正交运动,按照预定程序向它们的坐标位置运动。

Description

模型制造的设备和方法

本发明涉及了一种可称为快速模型制造的模型制造设备和方法。尤其是涉及了这样的模型制造，它把多层薄片材料叠层积累成一个三维形状的成品。

一般已熟知采用叠层薄片材料的模型制造技术，并称为LOM(叠层物体模型制造)。一般信息可参考Feygin的EP-B-272 305。

在用于LOM的已知设备中，把一卷预浸树脂的纸送到且水平地放置在一个支承平台上，并采用一个加热滚子熨平定位。采用一个激光器跟踪着要成形的薄截面物体的轮廓。激光器也跟踪着对成品不需要的纸片部分中的断裂线网格。然后从纸卷中把另一片纸送到支承平台上，熨平定位和用激光器切割，根据计算机产生的指令，按需要改变被截部分的形状。最后，由许多层纸积累成一个立体物，有效地合成出一个由纸叠成的立体形状。利用被激光器切割的断裂线，切除或断开碎切的废纸，使物体显现。

虽然该技术具有许多可能的应用，但它打算用于制造出有耐久性质的物体，例如样品、新设计的看得见模型、或者短期模制用的模子。

现在需要快速制造出这样的物体：对它没有必要打算作成与至今生产的叠层纸模型一样耐久。例如，金属铸造往往需要采用一次性的铸模的模型或模芯，它目前由机加的聚苯乙烯泡沫材料(或其它合成泡沫材料)制成，以产生所需的三维形状。当熔化的金属要铸造时，模型用于形成一个砂模，熔化的金属使泡沫材料气化掉。一次性模型的机加工，特别是大尺寸一次性模型的机加工是很花钱的，并且需要对每个模型安排不同的机床。因为在使用后模型不能恢复，因此希望对一次性模型有一种更便宜和更灵活的制造工艺。

至今，一般说还没有找到适于LOM技术的满意方法来使用泡沫或多孔材料。应该理解的是，合成泡沫材料的构造不是均匀的，因为通常不能精确控制泡沫材料中的单个气泡或微孔的大小和形状，也不能精确控制气泡或微孔合并或聚结的方式。

本发明的一个目的是提供一种采用多孔结构片材的模型制造设备，以及模型制造的方法。

按照本发明，所提供的模型制造设备包括：

(a)支承平台或工作台，适于逐渐升高和降低来响应预定程序；

(b)片材送进机构，用于把多孔结构的片材送到支承平台上；

(c)上层结构，安装在上述支承平台之上；

(d)切割装置，可移动地装在上述上层结构上，用于切割上述片材到预定的深度，和相对于片材，按上述预定程序的规定向指定位置移动，使得从片材最终切出的部分保持在支承平台上；

(e)涂胶装置，可在上述支承平台上工作，用于对上述片材的上述切出部分涂胶，涂胶过程由上述预定程序所规定；

(f)控制装置，包括输入装置，用于输入与制造模型所需尺寸和形状有关的信息，以及输出控制装置，用于按照上述预定程序，控制片材送进机构和上述支承平台、切割装置和涂胶装置的运动。

最好是，片材送进机构包括一对滚筒，即一个送料滚筒，上面有一卷多孔结构片材，以及一个牵引滚筒，适于接受和卷起切割后开孔的废多孔结构片材。一对滚筒可具有张力控制装置，适于在多孔结构片材中保持足够的张力，以保持片材在平台上处于平面状态。

切割装置可装在滑座装置上，滑座可沿着两个正交方向在上层结构上移动，使切割装置作坐标定位的运动。涂胶装置的安装可相似于切割装置。

一个可移动的抹平装置可装在上层结构上，例如一个刷子、橡皮刮板或滚子，用于对着已涂胶的下面切割区，抹平另外送进的多孔结构片材。

切割装置可包括一个激光器。或者是，它可包括一个等离子切割器、一个溶剂切割器或加热丝切割器。切割装置最好垂直安装，与支承平台成直角，并且设置成给出的预定切割深度等于多孔结构片材的厚度。

涂胶装置可以是热熔胶的喷胶器。

可设置一个装置把首次从片材上切出的切出部分定位在支承平台上，以防止片材从所需位置在平台上移动。

从另一方面看，本发明提供了模型制造的方法，包括以下步骤：

(i)提供一个适于逐渐升高和降低的支承平台或工作台，以响应预定的程序；

(ii)把多孔结构片材送到支承平台上；

(iii)以全深度和在由上述程序规定的位置上切割上述片材，使得从片材上切出的部分保持在支承平台上；

(iv)在上述预定程序规定的位置上，对从上述片材切出的部分涂胶；

(v)逐渐降低支承平台，使得在平台上面的多孔结构片材切出部分从多孔结构片材的其余部分上降低；

(vi)送进另外的多孔结构片材盖住支承平台和在平台上的先前切出部分；

(vii)逐渐升高支承平台，使得上述切出部分靠在上述另外多孔结构片材的下面；

(viii)用胶粘剂把另外的多孔结构片材固定到在其下面的切出部分上；

(ix)基本上以其整个深度切割上述另外的多孔结构片材，但不切到下面的已切出部分；

重复步骤(iv)到(ix)，直到所需的模型完成为止。

步骤(viii)可包括对着下面已涂胶的切出部分，用可移动的抹平装置来抹平另外的多孔结构片材，以保证对切出部分的胶接。

作为最后的步骤，把模型中未涂胶的某些内部部分从模型上断开或去除。

多孔结构片材可包括聚苯乙烯泡沫材料，并具有3mm到10mm厚度之间的片材形式，最好是厚约3mm到5mm。片材具有足够的柔性以便可装在滚筒上，或者比较刚硬，在后者情形下，可采用片材送进器，例如吸气式即真空式送进器，或者重力操作的贮料送进器来送进单张片材。

或者是，多孔结构片材可包括脲甲醛泡沫材料、聚氨酯泡沫材料或其它刚性或半刚性的结构稳定的泡沫材料，带有或不带有填充剂或纤维添加剂。或者是，多孔结构片材可以是自然产生的多孔材料，如木材或软木。

现在参照附图，仅以举例方式更详细地描述本发明的实施例，其中：

图1是快速模型制造设备的侧视图；

图2是图1设备的平面视图，以及

图3是图1和2设备的侧视图。

参照附图，本发明的快速模型制造设备用10表示，并包括一个支承平台11，它设置在垂直方向上平行安装的支承导轨12上，平台具有精密的升高和降低机构，例如采用电动操作的滚珠丝杠(图中未示)。在图1下部位置中以点划线轮廓表示了支承平台。

一个龙门式上层结构13精确地位于支承平台11上面，并具有支承着第一滑座15的纵向X轴的水平导轨14，滑座本身具有支承着第二滑座17的横向Y轴的水平导轨16。因此，在上层结构区域内，第二滑座17可移到在支承平台11和多孔结构片材23上由X和Y坐标确定的任何位置。

第二滑座17支承着一个激光器18和一个喷胶头19，以便在支承平台11区域上移动。

一对滚筒20和21设在支承平台11的两端。滚筒20、21用常规的驱动装置连接，并分别是供料和牵引滚筒，用于把多孔结构片材连续送到平台11上。片材23被张紧到预定值，足以在支承平台上保持绷紧和没有波浪形，但不足以使片材撕裂或伸长。所需的张紧力值将根据片材特性来确定，并由弹簧加载的张紧轮22实现。

在该例子中，片材是低密度的膨化聚苯乙烯材料，厚度3mm。

激光器18具有相当低的功率，平均为30瓦，垂直装在第二滑座17上，以直接在片材23上方运动。具有100mm到200mm之间焦距的透镜提供激光器在片材23上聚焦，透镜具有惰性气体供应装置，用于保持透镜在使用时的清洁。激光器是水冷式。提供了适当的电缆24。在使用时激光切割区域需要排烟和安全防护。

激光器18在片材23上聚焦，激光器功率和激光器在片材上的移动速度受到控制，使得片材被整齐地切割，切割深度等于片材23的厚度，但仅以能使切出部分与片材23的其余部分完全脱离为限。

低密度的膨化聚苯乙烯材料是不均匀和易燃的，使得激光器的切割精度受到限制。但是，对于所设想的成品模型的使用，例如金属铸造时用的一次性模型，所需精度并不高。

所用胶粘剂是热熔胶粘剂，因此在喷胶头19上必需设有加热装置。

除了滑座组件15、17外，还安装了一个抹平装置如滚子，或图示的刷子或橡皮刮板25，它可沿X轴方向在水平导轨14上移动，如图1中以点划线表示。

制造一个模型或物体如铸造用的模型的的设备操作以下：

把支承平台11升高到最大高度，在受控的张力下从供料滚筒20到牵引滚筒21把泡沫片材23送到平台上。然后送进停止。

然后在用户输入的程序，例如一套CAD程序的控制下，使装在龙门架上的第一滑座15和第二滑座17的滑座组件移动。在适当的功率下操作激光器18，并使其穿透片材23，整齐地切割到片材的整个深度，因此从片材23中完整地切割出一个或几个部分，并把它们留在平台11上。然后关闭激光器18，滑座组件再按预定路线沿着切出部分移动，此时喷胶头19开始工作。切出的部分被涂上或部分地涂上胶。胶可限制在激光器切出边附近的范围中，也可覆盖整个表面，或者在表面上作十字交叉。如果需要，可在切割操作时紧跟着激光束涂胶。

利用导轨12逐渐降低支承平台11，降低超过一个泡沫片材23的厚度。再操作滚筒20和21，把割过的废片材移到牵引滚筒21上，并把另外的片材从供料滚筒20送进来盖住支承平台。逐渐升高支承平台11，使得已涂胶的片材切出部分现在与另外的片材下面相接触。

抹平装置25抹过另外的片材23的上表面，使另外的片材23牢固地粘到支承平台11上泡沫片材切出部分的胶上。

再操作和移动激光器18来切割另外的片材。重要的是，仔细地控制切割的整个深度，以防止进一步切割到在先前操作中由激光器切出的下面部分，并且保证割透另外的片材。应该理解的是，在CAD程序的控制下，每层片材可切出不同的形状。

把另外的胶粘剂喷涂从另外片材切出的部分，再次降低支承平台，送进片材，升高平台，抹平片材和进行再一次的切割，直到完成所希望的模型为止。最后切出部分的最上面不涂胶，把支承平台降低到最大程度，以移走模型。

在设备开始操作时，以及考虑到多孔结构泡沫材料重量轻的性质，可采取措施来使首次的切出部分定位，防止它在支承平台11上移动，否则它可能对成品模型的成形有不利影响。因此可在平台11上设置如尖钉的中心突起，其高度基本上等于片材的厚度，如3mm到5mm。开始时可缩进尖钉，以避免撕裂在平台上首次送进的片材，但此后尖钉保持在升高的工作位置。或者是，可充分降低平台，使得固定在平台上的尖钉位于张紧的初始送进片材之下来避免这种撕裂，然后升高平台使其位置对着片材的下面。

应该理解的是，可修改上述以举例方式说明的设备和方法来用于其它多孔片材。例如，较厚的多孔片材可能比较硬，因而可采用任何常规的片材送进器，如吸气式即真空式送进器，或者重力贮料送进器类型，以不连续片材方式而不是以连续卷材的方式送进。对于其它材料，激光器切割可由射流切割、等离子切割或加热丝切割所替代。或者说，如果需要功率较高因而较重的激光器，可能需要采用通过“飞行光学”操作的固定激光器来替代直接垂直安装的激光器，也就是说，由可移动反射镜和/或在上层结构上透镜组成的一个系统来提供激光器的切割束。

Claims (24)

1.由片材叠层来生产模型的模型制造设备包括：

(a)支承平台或工作台，适于逐渐升高和降低来响应预定的程序；

(b)片材送进机构，用于把多孔结构的片材送到支承平台上；

(c)上层结构，安装在上述支承平台之上；

(d)切割装置，可移动地装在上述上层结构上，用于切割上述片材到预定的深度，和相对于片材按上述预定程序的规定向指定位置移动，使得从片材最终切出的部分保持在支承平台上；

(e)涂胶装置，可在上述支承平台上工作，用于对上述片材的上述切出部分涂胶，涂胶过程由上述预定程序所规定；

(f)控制装置，包括输入装置，用于输入与制造模型所需尺寸和形状有关的信息，以及输出控制装置，用于按照上述预定程序，控制片材送进机构和上述支承平台、切割装置和涂胶装置的运动。

2.按照权利要求1的模型制造设备，其中，切割装置装在滑座装置上，滑座可沿着两个正交方向在上层结构上移动，使切割装置作坐标定位的运动。

3.按照权利要求1或2的模型制造设备，其中，涂胶装置可移动地装在上层结构上，如依靠滑座装置作定位的运动。

4.按照权利要求2或3的模型制造设备，其中，涂胶装置与切割装置一起装在可在上层结构上移动的滑座装置上，作它们坐标定位的运动。

5.按照权利要求4的模型制造设备，其中，上层结构带着可在它上面作线性移动的第一滑座，第一滑座又带着可在它上面作线性移动的第二滑座，使得第二滑座沿着两个正交方向运动，上述第二滑座带着切割装置和涂胶装置，使它们相对于在支承平台上的多孔结构片材，即按照上述预定程序，作坐标定位的运动。

6.按照以上权利要求任一条的模型制造设备，其中，切割装置包括一个激光器，或者包括一个等离子切割器或一个射流切割器或一个加热丝切割器。

7.按照以上权利要求任一条的模型制造设备，其中，涂胶器装置包括一个热熔胶喷胶器。

8.按照以上权利要求任一条的模型制造设备，其中，上层结构带着一个可移动的抹平装置，如一个刷子，滚子或橡皮刮板，用于抹平被送进的多孔结构片材，该片材在支承平台上并对着在支承平台上先前切出并已涂胶的下面部分。

9.按照以上权利要求任一条的模型制造设备，其中，滚筒送进机构把柔性多孔结构片材送到支承平台上。

10.按照权利要求9的模型制造设备，其中，滚筒送进机构包括一个送料滚筒，用于在其上面接纳一卷柔性多孔结构片材并把它送到支承平台上，以及一个牵引滚筒，在从被送进的片材上切割了安切出部分之后，用于接纳和卷起从支承平台来的废的多孔结构片材。

11.按照权利要求9或10的模型制造设备，其中，滚筒送进机构包括张紧装置，用于在柔性多孔结构片材中保持足够的张力，以保持它在支承平台上处于平面状态。

12.按照权利要求1到8的模型制造设备，其中，在采用基本上为刚性或半刚性的多孔结构片材时，提供用于单独片材送进的片材送进装置，如吸气式或真空式送进器，或者重力操作的贮料送进器。

13.按照以上权利要求任一条的模型制造设备，其中，一个光学系统可移动地装在上层结构上，如装在上层结构的滑座装置上，光学系统被设置成把切割用的激光从固定安装的激光设备射到多孔结构片材上。

14.按照以上权利要求任一条的模型制造设备，其中，设置了一个装置，至少把首次从片材上切出的部分定位在支承平台上，以抵制上述切出部分在平台上移动，装置可包括上述平台上的突起或状物钉。

15.在这里借助附图作了实质性的描述的，由多孔结构片材叠层来生产模型的模型制造设备。

16.由片材叠层来生产模型的模型制造方法包括以下步骤：

(i)提供一个适于逐渐升高和降低的支承平台或工作台，以响应预定的程序；

(ii)把多孔结构片材送到支承平台上；

(iii)以完全的深度和在由上述程序规定的位置上切割上述片材，使得从片材上切出的部分保持在支承平台上；

(iv)在上述预定程序规定的位置上，对从上述片材切出的部分涂胶；

(v)逐渐降低支承平台，使得在平台上面的多孔结构片材切出部分从多孔结构片材的其余部分上降低；

(vi)送进另外的多孔结构片材盖住支承平台和在平台上的先前切出部分；

(vii)逐渐升高支承平台，使得上述切出部分靠在上述另外多孔结构片材的下面；

(viii)用胶粘剂把另外多孔结构片材固定到在其下面的切出部分上；

(ix)基本上以其整个深度切割上述另外的多孔结构片材，但不切到下面的已切出部分；

重复步骤(iv)到(ix)，直到所需的模型完成为止。

17.按照权利要求16的模型制造方法，其中，步骤(viii)包括用可移动的抹平装置来抹平另外的多孔结构片材，以保证它充分胶接到在支承平台上其下面的切出部分上。

18.按照权利要求16或17的模型制造方法，其中，作为另一个步骤，把模型中未涂胶的任何内部部分从模型上移走或分离。

19.按照权利要求16到18任一条的模型制造方法，其中，所用多孔结构片材是泡沫形式，并有足够的柔性从滚筒上送进，或者具有半刚性或刚性性质从片材送进器送进。

20.按照权利要求16到19任一条的模型制造方法，其中，所用多孔结构片材包括聚苯乙烯，或脲甲醛泡沫，或聚氨酯泡沫材料，带有或不带有填充剂或纤维添加剂。

21.按照权利要求16到19任一条的模型制造方法，其中，所用多孔结构片材包括天然形成的多孔材料，如木材或软木。

22.按照权利要求16到21任一条的模型制造方法，其中，所用多孔结构片材具有3mm到10mm量级的厚度，例如，3mm到5mm。

23.在这里借助附图作了实质性描述的由多孔结构片材叠层来生产模型的模型制造方法。

24.叠层多孔结构片材的一个或几个模型或物体，由权利要求1到15任一条的设备和/或由权利要求16到23任一条的方法来生产。

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