多種材料快速原型成型裝置及方法制造方法及圖紙

多種材料快速原型成型裝置及方法，屬于快速原型成型技術領域。本發(fā)明專利技術是為了解決現(xiàn)有快速成型技術的產(chǎn)品材質單一、成型形狀受限并且成型精度低的問題。裝置包括機架、供料驅動機、輸料頭、料倉、回收腔、導軌、殘料清除機、刮平機、成型腔、光源、導光系統(tǒng)、成像系統(tǒng)和控制器；機架的中心區(qū)域設置成型腔，機架的一端靠近邊框設置供料驅動機，供料驅動機的輸出端連接輸料頭，機架的另一端靠近邊框沿與邊框平行的方向設置導軌，導軌上連接殘料清除機，機架的另一端在成型腔外圍框架上還設置刮平機；方法通過選區(qū)燒結、固化和氣化及其組合的方式，可實現(xiàn)最終產(chǎn)品由多種材料組成的快速成型。本發(fā)明專利技術用于多種材料的快速原型成型。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術涉及多種材料快速原型成型裝置及方法，屬于快速原型成型

技術介紹
快速原型成型工藝廣為人知，如采用己知的分層制造技術，以一層接一層順序堆積的許多層逐漸形成制品，如金屬鑄模、原型件等。這種方法的一種變體被稱為SLA系統(tǒng)，比如，中國專利《數(shù)字投影光固化快速成型裝置及方法》，公開號為CN 1850494A；及中國專利《采用投影技術的快速成型的方法》，公開號為CN100391721C；它們采用計算機控制的聚焦UV激光掃描可光聚合液體聚合物，如光敏樹脂的液面，選擇性地使聚合物聚合，形成第一固體聚合物層。隨后該固體聚合物層沉入聚合物池中，這樣一層新的液體聚合物層覆蓋了固體層。再次利用激光聚合工藝來產(chǎn)生第二固體聚合物層，如此往復，直到多次疊合的固體聚合物層形成所需的制品。分層制造技術的另一種變體被稱做選擇性激光燒結SLS工藝，其中計算機控制的激光束使疏松壓實粉末，如塑料、金屬、陶瓷、蠟等的復合層選定區(qū)域逐層燒結，直至整個制品全部構造完成。公開號為CN1205951C的中國專利《一種直接制造金屬零件的快速成形系統(tǒng)》認為，在上述制造過程中如果將金屬粉末完全熔融，則該方法應與普通激光燒結區(qū)分開來，稱為選擇性激光融化SLM；也有文獻中稱其為直接金屬激光燒結——Direct metal laser sintering，DMLS；此處對SLS和SLM不加區(qū)分，均稱為選擇性激光燒結。分層制造的另外一種變體被稱為三維打印快速造型——Three Dimensional Printing，3DP技術，也稱為三維噴涂粘結，它是由計算機控制的噴墨打印設備實現(xiàn)，例如連續(xù)噴射型或按需滴落型打印設備，具體有兩種實現(xiàn)形式：第一種方式中，設備根據(jù)計算機指定的圖案從一個或多個噴嘴中將粘合劑流噴到第一層疏松顆粒的選定區(qū)域。然后，疏松顆粒的第二層置于第一層的頂上，同時隨著第一層的形狀，噴墨機有選擇地噴出粘合劑流到第二層顆粒上。再加熱或干燥使粘合劑固化后，即可形成所需的三維形體。第二種方式中，噴墨打印機直噴出的液滴，比如光敏樹脂，通過光照、加熱等方式直接逐層固化為三維形體。分層制造技術的另一種變體被稱做疊層實體制造LOM，原理是根據(jù)零件分層幾何信息切割箔材，最常用的原料是紙，將所獲得的層片粘接成三維實體。制造時首先鋪上一層涂有熱熔膠的箔材，然后用激光在計算機控制下切出本層輪廓，非零件部分全部切碎以便于去除。當一層完成后，再鋪上一層箔材，用滾子碾壓并加熱，以固化黏結劑，使新鋪上的一層牢固地粘接在已成形體上，再切割該層的輪廓，如此反復直到加工完畢，最后去除切碎部分以得到完整的零件。分層制造的實現(xiàn)除了上述主要方式外，還有選擇性融覆，也稱焊接堆積。傳統(tǒng)的快速原型成型和制造方法存在以下問題：產(chǎn)品材質單一：現(xiàn)有技術中，大多不能實現(xiàn)在同一成品中包含多種不同功能性材料。部分可以實現(xiàn)多材料成型的，材料種類也十分有限，選擇性融覆方法只能在產(chǎn)品中使用熔點相近的金屬材料，熔融沉積方法FDM則只能在同一產(chǎn)品中使用不同類型的熱熔性高分子材料，但都無法實現(xiàn)材料類型的多樣化，如金屬-陶瓷復合材料。成型形狀受限：很多現(xiàn)有快速成型方法無法制造任意復雜形狀的產(chǎn)品，如選擇性熔覆受限于熔融金屬液滴堆積的工藝，不能制造含有懸空結構的零件，比如懸臂梁、傘狀結構；LOM方法不能制造含有復雜腔體的零件；這使得傳統(tǒng)快速原型成型和制造方法能夠生產(chǎn)的產(chǎn)品受到很大限制。成型精度不高：傳統(tǒng)快速成型的技術，例如選擇性熔覆技術受限于液滴自由滴落的工藝，無法實現(xiàn)精確的三維成型，現(xiàn)有基于焊接堆積的多金屬直接快速成型裝置，要求在成型過程中同步進行高速銑削加工以提高產(chǎn)品精度，這又給成型形狀帶來了限制，并且增加了設備實現(xiàn)難度和成本。后處理繁瑣：傳統(tǒng)快速成型后的裝置需要手工去除殘余材料和支撐材料，效率較低且難以自動化。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術目的是為了解決現(xiàn)有快速成型技術的產(chǎn)品材質單一、成型形狀受限并且成型精度低的問題，提供了一種多種材料快速原型成型裝置及方法。本專利技術所述多種材料快速原型成型裝置，它包括機架、供料驅動機、輸料頭、料倉、回收腔、導軌、殘料清除機、刮平機、成型腔、光源、導光系統(tǒng)、成像系統(tǒng)和控制器，機架的中心區(qū)域設置成型腔，成型腔底部由可控制升降的活塞支撐；機架的一端靠近邊框設置供料驅動機，供料驅動機的輸出端連接輸料頭，輸料頭的出料口位置對應于成型腔；位于供料驅動機內(nèi)側，沿與所述邊框平行的方向設置多個料倉與回收腔，每個料倉通過輸料管路連接輸料頭；機架的另一端靠近邊框沿與邊框平行的方向設置導軌，導軌上連接殘料清除機，機架的另一端在成型腔外圍框架上還設置刮平機；與成型腔對應的上空設置光源、導光系統(tǒng)和成像系統(tǒng)，光源發(fā)出的光線依次經(jīng)導光系統(tǒng)和成像系統(tǒng)后，照射成型腔上當前成型分層的待成型區(qū)；控制器用于控制各受控組件的工作狀態(tài)。本專利技術所述多種材料快速原型成型方法，包括下面兩種技術方案：第一種為：多種材料快速原型成型方法，該成型方法基于多種材料快速原型成型裝置實現(xiàn)，該成型方法為兩種結構材料的成型方法；它包括以下步驟：步驟一：使用圖形軟件生成待成型產(chǎn)品的三維模型，并將三維模型分割成多個分部，標記各分部采用的結構材料；步驟二：將三維模型保存為標準的增材制造文件格式，并記錄與三維模型對應的分部形狀、材料及顏色信息；步驟三：使用三維切片軟件將步驟二中的三維模型切割分層，再根據(jù)各個分層的結構材料生成快速成型的分層控制指令文件，分層控制指令文件包括下述信息：a.采用SLA方式對各分層進行固化或燒結時的光束掃描運動軌跡或光線投影圖案；b.各個分層的結構材料成型特性所決定的參數(shù)；c.各個分層的結構材料物理化學特性所決定的參數(shù)；步驟四：控制器控制供料驅動機驅動輸料頭，并控制輸料頭輸送結構材料A至當前成型分層的工作區(qū)間并刮平，然后根據(jù)分層控制指令文件控制使光源通過導光系統(tǒng)和成像系統(tǒng)后確定當前待成型區(qū)，對當前待成型區(qū)進行燒結或固化；步驟五：采用殘料清除機清除殘余結構材料A；步驟六：控制輸料頭輸送結構材料B至當前成型分層的當前剩余工作區(qū)間并刮平，然后根據(jù)分層控制指令文件控制使光源通過導光系統(tǒng)和成像系統(tǒng)后確定當前待成型區(qū)，對當前待成型區(qū)進行燒結或固化；步驟七：采用殘料清除機清除殘余結構材料B；步驟八：控制輸料頭輸送支撐材料至當前成型分層的當前剩余工作區(qū)間并刮平，然后根據(jù)分層控制指令文件控制使光源通過導光系統(tǒng)和成像系統(tǒng)后確定當前待成型區(qū)，對當前待成型區(qū)進行燒結或固化；步驟九：將成型腔下降一個分層高度的工作空間，重復步驟四至步驟八，直至完成待成型產(chǎn)品的全部成型過程；步驟十：待成型產(chǎn)品的全部成型完成后，根據(jù)支撐材料的特性，通過加熱、溶解、腐蝕、光照、剝離或敲碎，去除支撐材料，完成待成型產(chǎn)品的原型成型。第二種為：多種材料快速原型成型方法，該成型方法基于多種材料快速原型成型裝置實現(xiàn)，該成型方法為兩種結構材料的成型方法；它包括以下步驟：步驟一：使用圖形軟件生成待成型產(chǎn)品的三維模型，并將三維模型分割成多個分部，標記各分部采用的結構材料；步驟二：將三維模型保存為標準的增材制造文件格式，并記錄與三維模型對應的分部形狀、材料及顏色信息；步驟三：使用三維切片軟件將步驟二中的三維模型切割分層，再根據(jù)各個分層的結構材料生成快速成型的分層控制指令文件，分層控制指令本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種多種材料快速原型成型裝置，其特征在于，它包括機架(1)、供料驅動機(2)、輸料頭(3)、料倉(4)、回收腔(5)、導軌(6)、殘料清除機(7)、刮平機(8)、成型腔(9)、光源(10)、導光系統(tǒng)(11)、成像系統(tǒng)(12)和控制器，機架(1)的中心區(qū)域設置成型腔(9)，成型腔(9)底部由可控制升降的活塞支撐；機架(1)的一端靠近邊框設置供料驅動機(2)，供料驅動機(2)的輸出端連接輸料頭(3)，輸料頭(3)的出料口位置對應于成型腔(9)；位于供料驅動機(2)內(nèi)側，沿與所述邊框平行的方向設置多個料倉(4)與回收腔(5)，每個料倉(4)通過輸料管路連接輸料頭(3)；機架(1)的另一端靠近邊框沿與邊框平行的方向設置導軌(6)，導軌(6)上連接殘料清除機(7)，機架(1)的另一端在成型腔(9)外圍框架上還設置刮平機(8)；與成型腔(9)對應的上空設置光源(10)、導光系統(tǒng)(11)和成像系統(tǒng)(12)，光源(10)發(fā)出的光線依次經(jīng)導光系統(tǒng)(11)和成像系統(tǒng)(12)后，照射成型腔(9)上當前成型分層的待成型區(qū)；控制器用于控制各受控組件的工作狀態(tài)。

【技術特征摘要】
1.一種多種材料快速原型成型裝置，其特征在于，它包括機架(1)、供料驅動機(2)、輸料頭(3)、料倉(4)、回收腔(5)、導軌(6)、殘料清除機(7)、刮平機(8)、成型腔(9)、光源(10)、導光系統(tǒng)(11)、成像系統(tǒng)(12)和控制器，機架(1)的中心區(qū)域設置成型腔(9)，成型腔(9)底部由可控制升降的活塞支撐；機架(1)的一端靠近邊框設置供料驅動機(2)，供料驅動機(2)的輸出端連接輸料頭(3)，輸料頭(3)的出料口位置對應于成型腔(9)；位于供料驅動機(2)內(nèi)側，沿與所述邊框平行的方向設置多個料倉(4)與回收腔(5)，每個料倉(4)通過輸料管路連接輸料頭(3)；機架(1)的另一端靠近邊框沿與邊框平行的方向設置導軌(6)，導軌(6)上連接殘料清除機(7)，機架(1)的另一端在成型腔(9)外圍框架上還設置刮平機(8)；與成型腔(9)對應的上空設置光源(10)、導光系統(tǒng)(11)和成像系統(tǒng)(12)，光源(10)發(fā)出的光線依次經(jīng)導光系統(tǒng)(11)和成像系統(tǒng)(12)后，照射成型腔(9)上當前成型分層的待成型區(qū)；控制器用于控制各受控組件的工作狀態(tài)。2.根據(jù)權利要求1所述的多種材料快速原型成型裝置，其特征在于，它還包括控溫系統(tǒng)，控溫系統(tǒng)用于成型腔(9)上待成型產(chǎn)品成型過程中的加熱或冷卻。3.一種多種材料快速原型成型方法，該成型方法基于多種材料快速原型成型裝置實現(xiàn)，其特征在于，該成型方法為兩種結構材料的成型方法；它包括以下步驟：步驟一：使用圖形軟件生成待成型產(chǎn)品的三維模型，并將三維模型分割成多個分部，標記各分部采用的結構材料；步驟二：將三維模型保存為標準的增材制造文件格式，并記錄與三維模型對應的分部形狀、材料及顏色信息；步驟三：使用三維切片軟件將步驟二中的三維模型切割分層，再根據(jù)各個分層的結構材料生成快速成型的分層控制指令文件，分層控制指令文件包括下述信息：a.采用SLA方式對各分層進行固化或燒結時的光束掃描運動軌跡或光線投影圖案；b.各個分層的結構材料成型特性所決定的參數(shù)；c.各個分層的結構材料物理化學特性所決定的參數(shù)；步驟四：控制器控制供料驅動機(2)驅動輸料頭(3)，并控制輸料頭(3)輸送結構材料A至當前成型分層的工作區(qū)間并刮平，然后根據(jù)分層控制指令文件控制使光源(10)通過導光系統(tǒng)(11)和成像系統(tǒng)(12)后確定當前待成型區(qū)，對當前待成型區(qū)進行燒結或固化；步驟五：采用殘料清除機(7)清除殘余結構材料A；步驟六：控制輸料頭(3)輸送結構材料B至當前成型分層的當前剩余工作區(qū)間并刮平，然后根據(jù)分層控制指令文件控制使光源(10)通過導光系統(tǒng)(11)和成像系統(tǒng)(12)后確定當前待成型區(qū)，對當前待成型區(qū)進行燒結或固化；步驟七：采用殘料清除機(7)清除殘余結構材料B；步驟八：控制輸料頭(...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：陳廣俊，吳頔，王東鵬，
申請(專利權)人：哈爾濱工業(yè)大學，
類型：發(fā)明
國別省市：黑龍江;23