專利名稱：可完成多種快速原型制造工藝的多功能設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機械制造領(lǐng)域，特別涉及對快速成形機結(jié)構(gòu)的改進。
快速成形技術(shù)是以離散/堆積的成形思想為基礎(chǔ)，綜合利用激光，數(shù)控，CAD和新材料等學科的高新技術(shù)，而形成的一種從概念設(shè)計到三維實體模型制造一體化的高新技術(shù)。這種技術(shù)是1986年在美國首次研究成功的?？焖俪尚渭夹g(shù)是基于分層制造(離散/堆積成形)的思想，首先由CAD軟件設(shè)計出所需的三維CAD模型，然后將其按一定的厚度分層，分層得到平面輪廓信息，傳給數(shù)控系統(tǒng)，在計算機控制下用一特定的堆積方式，按照分層信息所確定的軌跡加工材料，從而得到一個三維實體(原型)。在近十年來，快速成形技術(shù)發(fā)展迅速，到目前為止已有近十余種商品化快速成形技術(shù)。下面分別加以簡要介紹1)分層實體制造(LOM)分層實體制造是芝加哥Helisys，Incin Michael Feygin于1987年發(fā)明的，1988年獲得美國專利，LOM系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。LOM系統(tǒng)主要由計算機及相應(yīng)的控制系統(tǒng)，激光器與X-Y向運動的光學掃描系統(tǒng)，Z向運動的工作平臺，加熱輥，和送紙裝置，及成形用的紙組成。LOM系統(tǒng)工作過程是這樣的首先加熱輥動作，將當前層的紙與下面的紙加熱加壓使之粘牢，然后加熱輥回原位；下一步計算機控制光學掃描系統(tǒng)在聚焦平面對當前層材料進行掃描切割，得到零件當前層的平面輪廓，而余下不要的部分將其切成很小的網(wǎng)格；接下來，工作平臺下降一定高度H，將激光切割的成形部分與紙卷分開，然后送紙裝置工作，將新的紙送到工作平臺上面，這時工作臺上升(H減去一層紙厚)的高度。這樣就完成了一次加工，接下來將重復(fù)上述過程直至完成所要求高度的零件。2)立體光刻(SLA)立體光刻是美國C.Hull于1986年研制成功的，1987年獲得美國專利，1988年推出第一臺商用機器SLA-1。立體印刷技術(shù)是基于光敏聚合物為成形材料的基礎(chǔ)上，激光束在X-Y平面內(nèi)運動，在材料上掃描出一個平面圖形，形成連續(xù)的固化點，通過Z軸的配合運動，從而得到一個三維實體模型。3)選擇性激光燒結(jié)(SLS)選擇性激光燒結(jié)是得克薩斯大學奧斯汀分校的Carl Deckard在其研究生期間發(fā)明的。得克薩斯大學與DTM公司合作研制了商用機器SLS Model 125，SLS采用激光束燒結(jié)裹覆樹脂的粉末材料的方式完成平面模型的加工，從理論上說，由于SLS使用的粉末材料可以是金屬，陶瓷，蠟粉，ABS塑料等，因而具有直接制造零件的潛力。4)熔融堆積成形(FDM)熔融堆積成形(FDM)是美國明尼阿波利斯工程師ScottCrump于1988年發(fā)明的，并已申請專利。這種方法不使用激光，而是用一種加熱的噴嘴，將熱固性材料一層層地堆積起來，這種方法最大的優(yōu)點是無污染，可用于辦公室環(huán)境。
快速成形技術(shù)由于具有縮短產(chǎn)品設(shè)計到加工的時間，提高生產(chǎn)率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，加速優(yōu)化設(shè)計等優(yōu)點，因而從其誕生之日起，就受到了工業(yè)界和學術(shù)界的及其重視，并迅速在航空航天，汽車，電子，家電，機械，醫(yī)療，玩具等行業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用，并取得了巨大的成果。1).在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用由于快速成形技術(shù)能夠在較短時間內(nèi)把概念模型制造出來，因而在新產(chǎn)品開發(fā)中具有及其重要的作用，有了實體模型，設(shè)計人員就可以迅速判斷外觀設(shè)計的美觀性和新穎性，并迅速修改不合適的設(shè)計方案，直至設(shè)計出滿意的產(chǎn)品為止。其它的應(yīng)用如功能檢測，手感及外觀測試，裝配檢驗，產(chǎn)品促銷等。2)快速零件/模具制造利用快速成形技術(shù)制造出來的模型，與傳統(tǒng)的零件/模具制造方法結(jié)合，就可以快速制造零件和模型。3)試驗?zāi)Ｐ蛯τ谛枰隽骶€體風洞試驗的產(chǎn)品(如飛機，汽車，船舶等)快速成形技術(shù)可以迅速，準確地制造出試驗?zāi)Ｐ?，加速這些產(chǎn)品的試驗過程。4)醫(yī)學利用CT技術(shù)和快速成形技術(shù)，可以迅速復(fù)制人體骨胳形狀或腫瘤形狀，輔助診斷，確定重大手術(shù)方案，以及進行人工假肢的設(shè)計與制造。5)工程分析模型對于土木，機械，水利等行業(yè)的工程結(jié)構(gòu)分析進行數(shù)值模擬，從而確定危險部位，優(yōu)化設(shè)計?？焖俪尚渭夹g(shù)還可以用于建筑模型制作，藝術(shù)品的制作等。
當今RP領(lǐng)域，基于不同成形方法的成形設(shè)備幾十種，而最有代表性的主要有十余家。各種快速成形方法和商品化設(shè)備層出不窮，但各種成形機價格昂貴(都在幾十萬美金左右)，而且彼此之間的性能差別較大。拿美國3D System公司的SLA成形機與HELISYS公司的LOM成形機相比，在使用的材料，加工精度，成形范圍上有很大不同。這樣，造成彼此之間的優(yōu)缺點難以彌補，成形方式單一，成形材料單一，系統(tǒng)是非開放式的。一臺RP成形設(shè)備僅能完成一種工藝，因而性能價格比很低，同時，工業(yè)和科研教學上對RP技術(shù)的需求是多方面的，不同的產(chǎn)品開發(fā)要求不同的RP工藝，大型企業(yè)和研究單位往往需要購買多臺不同工藝的功能單一的RP設(shè)備，使設(shè)備利用率降低，造成巨大的浪費。
基于發(fā)明申請人在RP領(lǐng)域多年的研究，得出一個重要的結(jié)論，那就是RP技術(shù)中的單元技術(shù)CAD造型技術(shù)，離散堆積和分層軟件技術(shù)，數(shù)控掃描技術(shù)，溫度控制技術(shù)，送料單元，測高系統(tǒng)等是RP技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)，它們對所有的RP成形技術(shù)具有普遍適用性。
本發(fā)明的目的旨在開發(fā)一臺多功能的RP設(shè)備，通過對那些帶有普適性的關(guān)鍵技術(shù)集成，輔以相關(guān)的技術(shù)支持，從而完成一臺多功能的，開放性的RP設(shè)備，在這臺設(shè)備上不僅能完成多種RP工藝，還可以進行新成形工藝的研究和再集成，而且性能價格比高，可滿足用戶的多種需求，從而克服了已有設(shè)備的不足之處。
本發(fā)明設(shè)計出一種可完成多種快速原型制造工藝的多功能設(shè)備，該設(shè)備主要由加工室和對加工室中各部件的功能進行調(diào)控的計算機及相應(yīng)的控制單元所組成，所說的加工室至少包括激光器以及X-Y向運動的掃描單元，測高單元，同步齒形帶及其帶動的加熱輥，Z向運動的基本工作平臺，箔材輸送裝置，其特征在于，所說的加工室為封閉箱體式的多功能加工室，其內(nèi)裝有送氣、排氣裝置，還包括在所說加工室的側(cè)壁固定的水平放置的光學平臺、基準平臺和Z向?qū)к?，在光學平臺上安裝所說的激光器和X-Y向?qū)к?，在光學平臺上和X-Y向?qū)к壍幕瑝K上裝有由多個光學鏡片和聚焦鏡組成的光路構(gòu)成所說的掃描單元，在Z向?qū)к壔瑝K上安裝所說的基本工作平臺，在基準平臺上安裝同步齒輪帶和加熱輥，所說的加熱輥為可由電機及傳動裝置帶動旋轉(zhuǎn)的輥筒、外殼所構(gòu)成的多功能輥，外殼為下方開一長形槽口的殼體，其外壁適當部位設(shè)置有接掛裝置和測高裝置，輥筒安裝在外殼之中，輥筒徑向側(cè)壁從外殼槽口露出一適當寬度，輥筒內(nèi)裝有加熱元件和測溫元件。
本發(fā)明的上述方案可以滿足LOM工藝，若改變工藝要求則可方便地在所說的多功能輥的外殼的接掛處掛接所需的送料裝置，如掛接鋪粉盒可實現(xiàn)SLS工藝，掛接刮平裝置可實現(xiàn)SLA工藝。相應(yīng)地，為適應(yīng)不同工藝的成形，本發(fā)明的基本工作臺可為一框架式結(jié)構(gòu)，可簡捷地與不同工藝要求的多種專用工作臺相配合，上述的結(jié)構(gòu)設(shè)計保證了快速方便地更換工藝。
本發(fā)明所述的控制單元，以工控機為主體，通過工控機的各接口相連的驅(qū)動器和X，Y，Z電機，送紙電機，多功能輥電機，F(xiàn)DM送絲電機，F(xiàn)DM輔助送絲電機，激光器，溫度控制單元，高度測控單元，激光快門等組成。為保證在不同工藝下原型成形的質(zhì)量和精度本發(fā)明溫度控制采用兩級控制，即多功能加工室的溫控和多功能輥的溫控。作為小環(huán)境溫度控制的加工室溫度控制是RP技術(shù)中的關(guān)鍵條件。對FDM工藝而言，成型室溫度過低，容易造成層間剝離；成型室溫度過高，又容易造成表面起皺。對SLS工藝，也需要有一定的溫度，保證粉末有一定的溫度，以減小在進行粉末燒結(jié)成形時層間的應(yīng)力。
測高控制是為實時檢測粉末、絲狀或片狀材料每一層成形后型的高度而設(shè)計。Z軸工作臺根據(jù)分層數(shù)據(jù)每層走一個固定位移值，但是每層材料的厚度與這個位移值有一些誤差，幾十層后，高度上的誤差積累可能達到一層厚的值，即幾十個微米。測高器測量精度可達微米級，而且重復(fù)性好，測量Z軸工作臺位移值與型的高度之間的誤差并轉(zhuǎn)化為電壓值。
計算機由程序控制，根據(jù)需要啟動A/D轉(zhuǎn)換并采集高度信號值，這樣計算機進行高度修正，從而保證成形零件的高度有較高的精度。
本發(fā)明的高度測量控制單元包括位移傳感器，位移-電壓變送器，PC總線12位轉(zhuǎn)換板等各元部件安裝在一體構(gòu)成測高器，它安裝在多功能輥的外殼上。
為滿足不同工藝的需求，本發(fā)明所述的激光器可以是He-Cd激光器，CO2激光器以及其他波長的激光器，輸出功率視工藝要求而定。所述光路的多個反射鏡，聚焦鏡可根據(jù)采用不同波長的激光器進行更換。
本發(fā)明的工作原理簡述如下首先根據(jù)用戶的需要，選擇合適的工藝方式，安裝上相應(yīng)工藝的送料裝置，專用工作臺，以及激光器和相應(yīng)的光學鏡片，用計算機對所需成形的零件結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)進行設(shè)定，通過相應(yīng)的軟件處理，得到控制數(shù)控系統(tǒng)和相應(yīng)控制單元的計算機指令，控制實時加工，自動實現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的工藝過程。
本發(fā)明可以完成LOM、FDM、SLS、SLA等多種RP工藝。和其它RPM成型系統(tǒng)一樣，本發(fā)明的軟件系統(tǒng)也是由三部分組成CAD造型軟件，數(shù)據(jù)檢驗與處理軟件和監(jiān)控系統(tǒng)軟件，CAD造型軟件負責零件的幾何造型、支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計及STL文件輸出等；數(shù)據(jù)檢驗與處理軟件輸入STL文件、檢驗其合理性、修正錯誤、做幾何變換、選擇成形方向、進行實體分層；監(jiān)控系統(tǒng)軟件完成分層信息輸入、加工參數(shù)設(shè)定、零件排樣合并、生成NC代碼、控制實時加工等。本發(fā)明的軟件系統(tǒng)要綜合考慮各種RP工藝的成形要求和特點，自動地實現(xiàn)各種RP工藝。本發(fā)明具有如下顯著特點1)設(shè)備的性能價格比高于現(xiàn)有的任何一種成形設(shè)備(每集成一種新工藝的花費少于設(shè)備成本的20％)，大大降低用戶的投資水平。2)能在一臺多功能設(shè)備上完成多種RP工藝，滿足用戶的多種需求。3)能在該設(shè)備上進行新成形工藝的研究和集成。


圖1為已有LOM技術(shù)結(jié)構(gòu)示意2為本發(fā)明所述的一種實施例的總體結(jié)構(gòu)示意3為本實施例控制系統(tǒng)原理示意4為本實施例控制系統(tǒng)的溫度調(diào)控單元示意5為本實施例控制系統(tǒng)的高度測控單元示意6為本實施例X-Y掃描單元和Z向進給單元示意7為本實施例的多功能輥的結(jié)構(gòu)示意8為本實施例的多功能輥與掛接有鋪粉盒及測高器的示意9為本實施例的多功能輥在SLS工藝中工作示意10為本實施例的多功能輥在LOM工藝中工作示意11為本實施例的多功能輥在SLA工藝中工作示意12為本實施例的自動送絲裝置示意13為本實施例的自動送紙裝置示意14為本實施例的光路系統(tǒng)裝配示意15為本實施例的光路系統(tǒng)中聚焦鏡座結(jié)構(gòu)示意16為本實施例的光路系統(tǒng)中光學鏡座結(jié)構(gòu)示意17為本實施例的光路系統(tǒng)中電磁快門示意18為本實施例的基本工作臺與專用工作臺裝配示意圖各附圖中的標號說明如下1.基準平臺2.光學平臺3.光學鏡座4.電磁快門5.輔助送紙輥6.送蠟絲輥7.FDM噴頭(非工作狀態(tài))8.FDM噴頭(工作狀態(tài))9.X導(dǎo)軌滑塊10.Y導(dǎo)軌電機11.Y導(dǎo)軌12.X導(dǎo)軌13.Y導(dǎo)軌滑塊14.聚焦鏡15.X導(dǎo)軌電機16.鋪粉盒17.多功能輥18.激光器19.同步齒形帶20.控制按鈕21.計算機顯示器22.鼠標23.計算機鍵盤24計算機主機25.從動紙輥26.多功能工作臺27.主動收紙輥28.Z導(dǎo)軌29.Z導(dǎo)軌滑塊30.加工室門31.輔助工具箱32.保溫板33.進氣孔34.排氣孔35.加工室觀察窗36.SLS輔助工作臺37.活塞38.SLS標準配件39.箔材(紙，塑料薄膜等)40多功能輥的傳動電機41緊固螺釘42.主傳動齒輪43.離合手柄44.減速齒輪45.軸承46.多功能輥底座47.測溫元件48.加熱元件49.鋪粉盒懸掛處50測高器固定處51.軸承52.SLS用粉末53.電磁鐵54.擋片55.測高器56.輥筒57.收紙電機61.光學鏡座底座62.抱緊螺母63.支撐套管64.光學鏡片架65.鏡架固定螺母66.光學鏡片座67.光學鏡片68.光學鏡片座固定螺母69.輔助工作臺70.緊固螺釘71.SLA標準工作臺72.已固化成形的物體73.刮平器74.加工臺定位裝置75.刮平器連接板76.連接板與多功能輥連接處77樹脂槽78.樹脂排放口79樹脂80.蠟絲81.送絲輪82.液化器83.噴嘴84.已成形的蠟層85.已成形的紙型86.LOM的標準件(200×200mm)87.LOM的標準件(150×150mm)88.LOM的標準件(250×250mm)89.FDM的標準工作平臺90SLS用標準配件91支撐板92.光學鏡片架93.連接套管94.抱緊螺母95.支撐長套管96.聚焦鏡頭蓋97.聚焦境98.光學鏡片座99.光學鏡片蓋100.光學鏡片101.螺母108.上鐵芯109.上電磁線圈110.電磁擋塊111.下電磁線圈112.下鐵芯201.收紙輥202.層周邊及交叉陰影線203.聚焦裝置204.鏡頭205.激光器206.加熱輥207.計算機208.紙209.送紙輥本發(fā)明設(shè)計出一種可完成多種快速原型成形工藝的多功能設(shè)備實施例，如圖2本發(fā)明所述的一種實施例的總體結(jié)構(gòu)示意圖所示，結(jié)合各附圖詳細描述如下一.總體結(jié)構(gòu)本實施例為一大箱體結(jié)構(gòu)，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，箱內(nèi)用隔板將箱體隔為左右兩部分，右部分為一開放式結(jié)構(gòu)，分別放置計算機顯示器21，計算機主機24和放專用工作臺，送料單元等的輔助工具箱。左部分為封閉式結(jié)構(gòu)的多功能加工室，加工室內(nèi)設(shè)置兩個平面支架，將室內(nèi)空間分為上中下三個部分，其中上支架設(shè)置光學平臺2，安裝有激光器18，光學鏡座3和光學鏡片，X-Y-Z三向?qū)к壪到y(tǒng)，蠟絲供應(yīng)裝置6，F(xiàn)DM噴頭7等；中支架設(shè)置同步齒形帶19傳動裝置和多功能輥17，輥上掛接鋪粉盒16；底板上安裝有送紙裝置，基本工作平臺26安裝在Z向?qū)к?8的滑塊上。
本實施例需滿足各種成形工藝的要求，實際上各種成形工藝的總體參數(shù)的基本要求是相同的。因而在保證基本要求的前提下，照顧到某些成形工藝的特殊要求，確定總體參數(shù)為a)成形尺寸確定為250mm×250mm×250mmb)不同工藝對數(shù)控系統(tǒng)的掃描速度的要求略有查異，確定最高掃描速度為500mm/sc)許多工藝要求CO2激光器及相應(yīng)的光路系統(tǒng)，考慮到掃描速度與激光功率的匹配，系統(tǒng)采用40W的CO2激光器及相應(yīng)的電源和冷卻系統(tǒng)。二.系統(tǒng)控制電路圖3是本實施例控制電路原理圖。486工控機通過OEMAT6400數(shù)控卡對完成平面掃描的X,Y電機和工作臺升降的Z電機進行控制，另外數(shù)控卡發(fā)出的控制信號在多路轉(zhuǎn)換器通過工控機I/O口發(fā)出的轉(zhuǎn)換控制信號進行選通，分別去控制送紙電機，熱壓電機，激光器控制系統(tǒng)，F(xiàn)DM送絲電機和輔助送絲電機。計算機還通過I/O口發(fā)出信號來控制總電源，激光器等，通過485接口來控制WEST溫控器，通過12位A/D口進行測高控制。
本實施例的溫度調(diào)控電路包括Pt-100鉑電阻溫度傳感器，電阻式加熱執(zhí)行元件固態(tài)繼電器開關(guān)，West溫度控制器(包括設(shè)定、顯示等)及相應(yīng)接口電路。如圖4所示。West溫控器本身具有PID自整定自調(diào)節(jié)功能。為得到更好的溫度控制效果，選擇模糊控制與PID相結(jié)合(FUZY&PID)。同時，上位機為統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，要能夠方便地查詢參數(shù)和修改參數(shù)，例如設(shè)定溫度值。因此，上位PC機的管理軟件需要通過通訊接口實現(xiàn)對下位West表的控制。
本實施例的測高器包括位移傳感器，位移-電壓變送器，PC總線12位A/D轉(zhuǎn)換板。安裝在多功能輥架上。如圖5所示當有一位移量變化時，位移傳感器中的查動變壓器產(chǎn)生一定的電壓變化，通過位移-電壓變送器將此信號通過A/D轉(zhuǎn)換便可得到位移的變化值，根據(jù)此位移的變化來控制并保證當前加工層始終在聚焦平面上。三.多功能加工室加工室的示意圖如圖2所示。原型的成形是在加工室中完成的。每一種成形工藝都需要一個特定的環(huán)境要求，本實施例的多功能加工室為各種成形工藝提供了以下必要的條件。a)溫度條件成形時要將材料預(yù)熱，同時也為了減少已成形材料與未成形材料之間而溫差以防止翹曲變形，成形室內(nèi)的溫度要適當。溫度太高，會影響電機及小導(dǎo)軌，絲杠的正常工作；溫度太低則降低了工作效率。所以加工室采用隔熱板進行隔熱保溫，同時需要溫控單元對溫度進行控制和調(diào)節(jié)。多功能加工室的溫度一般控制在40-50℃的范圍之內(nèi)。b)氣氛條件當采用高能量密度的CO2激光進行成形加工時，往往伴隨著強烈的氧化反應(yīng)，這對零件成形后的表面質(zhì)量是十分不利的，為避免之就需要對加工室內(nèi)的氣氛進行控制。本實施例采用對加工室通氮氣的方法，所以加工室為密閉的結(jié)構(gòu)，并有充氣裝置。c)排放廢氣成形過程中往往伴隨著一些有刺激性氣味的氣體產(chǎn)生，為保證加工室內(nèi)正常的加工條件應(yīng)及時將廢氣排走。所以在加工室中設(shè)計了抽氣裝置。四。X-Y掃描系統(tǒng)及Z向進給系統(tǒng)本實施例的X-Y掃描系統(tǒng)和Z向進給系統(tǒng)由X，Y，Z三向?qū)к墭?gòu)成如圖7所示X-Y掃描系統(tǒng)是由兩個滾珠絲杠傳動的導(dǎo)軌組合而成。當電機15轉(zhuǎn)動時，通過滾珠絲杠的傳動使滑塊9沿X方向運動，由于電機10和導(dǎo)軌11固定在滑塊9上，所以導(dǎo)軌11也沿X方向運動；當電機10轉(zhuǎn)動時，滑塊13沿Y方向運動，在滑塊13上可以安裝激光聚焦鏡或FDM工藝用噴頭?？刂齐姍CX，Y聯(lián)合運動，帶動激光聚焦頭或噴頭沿著預(yù)定的路徑進行平面掃描，形成原形的一層物理實體層。Z向進給系統(tǒng)由電機Z，滾珠絲杠，滑塊組成。工作臺安裝在滑塊上，當電機Z轉(zhuǎn)動時，通過滾珠絲杠傳動使滑塊Z沿Z向運動，從而完成工作臺的升降運動。當Z向工作臺進給(下降)成形材料一層的厚度后，便可進行另一層的加工?；竟ぷ髋_固定在Z軸的滑塊上，由步進電機帶動，通過高精度的滾珠絲杠傳動使工作臺沿Z向(高度方向)運動。一方面它具有良好的剛性，另一方面還具有很高的位置精度。五.集成的滾壓，刮平，送料裝置盡管各種快速成形工藝的成形材料是多種多樣的，然而按材料的形態(tài)無非分為四種絲狀，粉狀，片狀，液態(tài)。綜合對材料的作用過程大致分為材料輸送，鋪平(粉材)，壓實(片材)，加熱(粉材或片材)，以及對液面的刮平等。所以，一個集成的滾壓，刮平，送料裝置是必需的，它們安裝在基準平臺上。1)多功能輥多功能輥結(jié)構(gòu)圖如圖7，它集成了旋轉(zhuǎn)、加熱、加壓、刮平等功能。圖中電機40的轉(zhuǎn)速可由計算機控制，電機40通過減速傳動系統(tǒng)帶動輥筒56旋轉(zhuǎn)，輥子內(nèi)部有加熱元件48和測溫元件47，使輥子能保持一定的溫度，通過調(diào)節(jié)輥筒56和工作臺的間隙，可實現(xiàn)對材料的加壓作用。輥子上還設(shè)計了一些可拆裝的機構(gòu)，如掛接式的結(jié)構(gòu)用以安裝鋪粉盒16和測高器55，如圖8所示，在輥子的外殼上端面上可安裝用于SLA工藝的刮平裝置，如圖7所示。
對于SLS工藝，多功能輥提供送粉，旋轉(zhuǎn)和加壓功能。如圖9所示，在多功能輥的前部可掛接式地安裝上鋪粉盒，當同步齒形帶帶動多功能輥17和鋪粉盒16到達工作臺面上時，計算機控制電磁鐵53動作，打開鋪粉盒的擋片54，將粉末鋪于工作臺上。隨后，順時針旋轉(zhuǎn)的輥筒56到達工作臺面，將粉末鋪平并壓實(順時針旋轉(zhuǎn)的輥筒對粉末有上揚的作用，可保證粉末均勻鋪平)。從而保證這一層的粉末具有正常的加工條件。
對于LOM工藝，多功能輥的作用是對紙進行加熱加壓，如圖10所示，保證這一層紙與前一層紙粘牢而且平整輥子工作時，可將鋪粉裝置16取下，同時撥開離合手柄43，使電機40與輥筒56失去傳動離合關(guān)系，控制輥筒內(nèi)的加熱元件48和測溫元件47工作(測溫元件也可裝在輥筒的外部)，調(diào)整好輥筒56與工作臺的間隙，裝好測高器55，便可進行LOM工藝。
對于SLA工藝，當前液體表面固化完一層后，由于工作臺的降升運動，會導(dǎo)致出現(xiàn)氣泡等不利于下一層激光固化的缺陷。因而需對液體表面進行刮平處理，如圖11所示，刮平裝置固定于多功能輥17上，當同步齒形帶19帶動多功能輥17運動時，刮平器73就對液面進行刮平處理。
對FDM工藝，不需要對表面進行處理，而只需對材料表面進行高度檢測。因而，當多功能輥運動到工作臺面時，測高器55對已成形材料進行高度檢測，以保證零件的高度。2)自動送絲裝置自動送絲裝置是FDM(熔蠟堆積成形)技術(shù)的關(guān)鍵，如圖12所示。自動送絲裝置包括絲卷，輔助送絲輥6，噴頭7等。送絲的驅(qū)動力來自噴頭上由電機帶動的送絲輪81。當送絲輪81運動時，絲卷上的蠟絲80送人FDM噴頭。當進行FDM工藝時，將Y導(dǎo)軌滑塊13上固定的聚焦鏡座14取下?lián)Q成FDM噴頭8并固定好接上蠟絲即可進行FDM工藝。3)自動送紙裝置自動送紙裝置由從動紙輥25，主動收紙輥27，輔助送紙輥5，收紙電機57及及相應(yīng)的控制電路。如圖13，紙卷裝在從動紙輥25上，把紙通過輔助送紙輥輥5，工作臺，輔助輥5，到主動收紙輥27上。當每層紙加工完后，收紙電機57在計算機控制下旋轉(zhuǎn)一個角度(這個角度隨著收紙卷半徑的增大而成比例地減小)。六.多功能激光光路系統(tǒng)在許多快速成形工藝中需要激光做為加工源，因而光路系統(tǒng)不僅要保證激光束能進行X-Y平面掃描，還要滿足能適應(yīng)不同波長激光器的通用要求，光路系統(tǒng)安裝在光學平臺上，如圖14.1)適應(yīng)多種激光器的光學鏡座在圖14中，光學鏡座3分別安裝在光學平臺2上，數(shù)控系統(tǒng)的X導(dǎo)軌滑塊9和Y導(dǎo)軌的滑塊13上。光學鏡座是用來安放光學反射鏡的，聚焦鏡座14上要安放反射鏡和聚焦鏡。激光束經(jīng)過反射鏡的反射通過聚焦鏡聚焦于加工平面上(焦平面)。通過控制數(shù)控導(dǎo)軌X和Y上滑塊的配合運動，使得其上的光學鏡座做相應(yīng)的運動，從而實現(xiàn)聚焦后的激光在加工平面上完成預(yù)定的平面運動。對于LOM和SLS工藝，需要CO2激光器(激光波長為的10.6微米)；而對于SLA工藝則需要He-Cd(氦鎘)激光器(激光波長為325納米)。因而需要配備適合不同波長激光的全反鏡和聚焦鏡。在鏡座的設(shè)計中考慮了方便安裝不同鏡片的結(jié)構(gòu)。如圖15，16所示，圖15是聚焦鏡座示意圖，聚焦鏡座14通過支撐板91固定于導(dǎo)軌Y的滑塊13上，光學鏡片100放在光學鏡片座98內(nèi)，用光學鏡片蓋99擰緊；聚焦鏡97放在支撐長套管95底部，用聚焦鏡頭蓋96擰緊。光學鏡片架92與連接套管93通過螺紋連接鎖緊，支撐長套管95在連接套管93內(nèi)沿軸向有一定的移動范圍，以保證激光束聚焦后可調(diào)節(jié)聚焦鏡的位置保證焦點在工作臺面上。利用抱緊螺母94可將支撐長套管95與連接套管93鎖緊。調(diào)整好的光路應(yīng)保證激光束經(jīng)反射鏡100的反射沿連接套管93和支撐長套管95的軸心方向并通過聚焦鏡97聚焦在工作平面上。光學鏡座的結(jié)構(gòu)圖如圖16所示。2)電磁快門在光路系統(tǒng)中，我們還配有電磁快門4，如圖17示。對電磁線圈通電將鐵芯磁化，構(gòu)成一個電磁鐵通過繼電器控制上電磁線圈109通電對電磁擋塊110的產(chǎn)生磁吸力的作用，使電磁擋塊迅速向上運動，即使激光束通過；控制下電磁線圈111通電，上電磁線圈109斷電則電磁擋塊110迅速向下運動，將激光束截斷。因而通過控制電磁擋塊的運動，便可控制激光束的通和斷，這一方面是某些成形工藝的要求，在激光切割掃描過程停頓時，將激光束迅速關(guān)斷，保證良好的成形質(zhì)量；同時也可避免因激光器頻繁地開關(guān)而導(dǎo)致激光器壽命降低；另外在非成形條件下，激光束受控關(guān)斷，以保整操作者的安全。七.多功能工作臺根據(jù)快速成形的分層離散堆積的原理，在工作臺上每加工完一層，要使工作臺沿分層的方向(高度方向)產(chǎn)生單層進給運動。對不同的工藝，其材料的性狀是不同的，如LOM的材料是片層狀，SLS的材料是粉末狀，F(xiàn)DM的材料是絲狀，SLA的材料是液狀的，因而我們發(fā)明了多功能的工作臺以適應(yīng)不同的成形工藝。
如圖18所示，工作臺是一個中空的框架，在這個框架上可安放不同的標準平臺(不同標準的配件)，從而組裝成適合不同快速成形工藝的成形平臺。多功能工作臺具有配件標準化，并且拆裝方便等優(yōu)點。加工成形完成后，即可將標準配件和它上面的成形零件從工作臺上取出。將標準配件86，標準配件87，標準配件88安裝在工作臺上即構(gòu)成了分層實體制造技術(shù)中不同零件成形尺寸(分別為150×150mm，200×200mm，250×250mm)所需的成形平臺。標準配件89安裝在工作臺上構(gòu)成了熔蠟堆積成形工藝中所需的成形平臺。標準配件90安裝在工作臺上在配以活塞即構(gòu)成了激光燒結(jié)成形工藝中所需的成形平臺。本實施例的主要性能指標1.最大成形零件尺寸250×250×250mm2.二維掃描速度(最大)500mm/sec.3.二維掃描及升降臺停位精度＜0.01mm/100mm4.溫度控制實現(xiàn)多點預(yù)置，室溫到300±2℃內(nèi)任意可調(diào)5.能自動完成的RP工藝LOM(SSM)，SLS，F(xiàn)DM6.可集成其他工藝如SLA，3DP等。
權(quán)利要求
1.一種可完成多種快速原型制造工藝的多功能設(shè)備，主要由加工室和對加工室中各部件的功能進行調(diào)控的計算機及相應(yīng)的控制單元所組成，所說的加工室至少包括激光器以及X-Y向運動的掃描單元，測高單元，同步齒形帶及其帶動的加熱輥，Z向運動的基本工作平臺，箔材輸送裝置，其特征在于，所說的加工室為封閉箱體式的多功能加工室，其內(nèi)裝有送氣、排氣裝置，還包括在所說加工室的側(cè)壁固定的水平放置的光學平臺、基準平臺和Z向?qū)к墸诠鈱W平臺上安裝所說的激光器和X-Y向?qū)к?，在光學平臺上和X-Y向?qū)к壍幕瑝K上裝有由多個光學鏡片和聚焦鏡組成的光路構(gòu)成所說的掃描單元，在Z向?qū)к壔瑝K上安裝所說的基本工作平臺，在基準平臺上安裝同步齒輪帶和加熱輥，所說的加熱輥為可由電機及傳動裝置帶動旋轉(zhuǎn)的輥筒、外殼所構(gòu)成的多功能輥，外殼為下方開一長形槽口的殼體，其外壁適當部位設(shè)置有接掛裝置和測高裝置，輥筒安裝在外殼之中，輥筒徑向側(cè)壁從外殼槽口露出一適當寬度，輥筒內(nèi)裝有加熱元件，測溫元件。
2.如權(quán)利要求1所說的可完成多種快速原型制造工藝的多功能設(shè)備，其特征在于，通過所說的多功能輥的外殼的接掛裝置可安裝適合不同工藝要求的送料裝置。
3.如權(quán)利要求2所述的可完成多種快速原型制造工藝的多功能設(shè)備，其特征在于，所說的送料裝置至少包括鋪粉裝置、刮平裝置。
4.如權(quán)利要求1所說的可完成多種快速原型制造工藝的多功能設(shè)備，其特征在于，還包括固定在Y導(dǎo)軌滑塊上的FDM噴頭。
5.如權(quán)利要求1、2或3所說的可完成多種快速原型制造工藝的多功能設(shè)備，其特征在于，所說的基本工作平臺為一框架結(jié)構(gòu)，可安裝適合于不同工藝要求的多個專用工作臺，每個專用工作臺底板下面結(jié)合一墊板，墊板的尺寸與基本工作平臺的框架內(nèi)尺寸相匹配。
6.如權(quán)利要求1所述的可完成多種快速原型制造工藝的多功能設(shè)備，其特征在于，所說的控制單元包括以工控機為主體，通過工控機各接口相連的X，Y，Z三向?qū)к夒姍C驅(qū)動控制單元，送料裝置電機驅(qū)動單元，溫度控制單元，成形材料高度測量控制單元，激光器的控制單元。
7.如權(quán)利要求1或6所說的可完成多種快速原型制造工藝的多功能設(shè)備，其特征在于，所說的溫度控制電路包括分別安裝在多功能輥筒中和工作室內(nèi)的溫度傳感器，電阻式加熱執(zhí)行元件，以及溫度控制單元。
8.如權(quán)利要求1或6所說的可完成多種快速原型制造工藝的多功能設(shè)備，其特征在于，所說的高度測量控制單元包括位移傳感器、位移-電壓變送器、A/D轉(zhuǎn)換板。
9.如權(quán)利要求1所說的可完成多種快速原型制造工藝的多功能設(shè)備，其特征在于，所說的光學鏡座分別安裝在光學平臺和X導(dǎo)軌的滑塊上，所說的聚焦鏡座安裝在Y導(dǎo)軌的滑塊上。
10.如權(quán)利要求1、2、3、4、6或8所說的可完成多種快速原型制造工藝的多功能設(shè)備，其特征在于，可以在多功能加工室中完成多種快速原型制造工藝。
全文摘要
本發(fā)明所述設(shè)備主要由加工室和計算機及相應(yīng)的控制單元所組成，加工室包括激光器以及X-Y-Z三向運動的掃描單元，測高單元，同步齒形帶及其帶動的加熱輥，Z向運動的基本工作平臺，箔材輸送裝置，其特征在于，所說的加工室為內(nèi)裝有送氣、排氣裝置封閉箱體，加熱輥為可由電機及傳動裝置帶動旋轉(zhuǎn)的輥筒、外殼所構(gòu)成的多功能輥。本發(fā)明設(shè)備能完成多種快速成型工藝，可滿足航空航天、汽車、電子、家電、機械、醫(yī)療、玩具等行業(yè)的用戶的多種需求；在該設(shè)備上可進行新成型工藝的研究和集成。本設(shè)備性能價格比高于現(xiàn)有的其他快速成型設(shè)備。
文檔編號B22F3/00GK1163807SQ9610474
公開日1997年11月5日 申請日期1996年4月26日 優(yōu)先權(quán)日1996年4月26日
發(fā)明者顏永年, 張曉萍, 郭海濱, 王剛, 刁慶軍, 盧清華 申請人:清華大學