專利名稱：數(shù)控塑料薄層沉積鑄型機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于零件三維模型快速成型技術(shù)，尤其涉及一種數(shù)控塑料薄層沉積鑄型機。
背景技術(shù)：
目前，快速成型應(yīng)用的領(lǐng)域幾乎包括了制造領(lǐng)域的各個行業(yè)，在醫(yī)療、人體工程、文物保護等行業(yè)也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。零件三維模型快速成型技術(shù)屬于離散/堆積成型。它從成型原理上提出一個全新的思維模式維模型，即將計算機上制作的零件三維模型，進行網(wǎng)格化處理并存儲，對其進行分層處理，得到各層截面的二維輪廓信息，按照這些輪廓信息自動生成加工路徑，由成型頭在控制系統(tǒng)的控制下，選擇性地固化或切割一層層的成型材料，形成各個截面輪廓薄片，并逐步順序疊加成三維坯件.然后進行坯件的后處理，形成零件?？焖俪尚偷墓に囘^程具體如下1)產(chǎn)品三維模型的構(gòu)建。由于RP系統(tǒng)是由三維CAD模型直接驅(qū)動，因此首先要構(gòu)建所加工工件的三維CAD模型。該三維CAD模型可以利用計算機輔助設(shè)計軟件(如Pro/E， I-DEAS， Solid Works, UG等)直接構(gòu)建，也可以將已有產(chǎn)品的二維圖樣進行轉(zhuǎn)換而形成三維模型，或?qū)Ξa(chǎn)品實體進行激光掃描、CT斷層掃描，得到點云數(shù)據(jù)，然后利用反求工程的方法來構(gòu)造三維模型。2)三維模型的近似處理。由于產(chǎn)品往往有一些不規(guī)則的自由曲面，加工前要對模型進行近似處理，以方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作。由于STL格式文件格式簡單、實用，目前已經(jīng)成為快速成型領(lǐng)域的準標準接口文件。它是用一系列的小三角形平面來逼近原來的模型，每個小三角形用3個頂點坐標和一個法向量來描述，三角形的大小可以根據(jù)精度要求進行選擇。典型的CAD軟件都帶有轉(zhuǎn)換和輸出STL格式文件的功能。3)三維模型的切片處理。根據(jù)被加工模型的特征選擇合適的加工方向，在成型高度方向上用一系列一定間隔的平面切割近似后的模型，以便提取截面的輪廓信息。4)成型加工。根據(jù)切片處理的截面輪廓，在計算機控制下，相應(yīng)的成型頭(激光頭或噴頭)按各截面輪廓信息做掃描運動，在工作臺上一層一層地堆積材料，然后將各層相粘結(jié)，最終得到原型產(chǎn)品。5)成型零件的后處理。從成型系統(tǒng)里取出成型件，進行打磨、拋光、涂掛，或放在高溫爐中進行后燒結(jié)，進一步提高其強度?？焖俪尚吞匦g(shù)具有的重要特征l)可以制造任意復(fù)雜的三維幾何實體。2)快速性。通過對一個CAD模型的修改或重組就可獲得一個新零件的設(shè)計和加工信息。從幾個小時到幾十個小時就可制造出零件，具有快速制造的突出特點。3)高度柔性。無需任何專用夾具或工具即可完成復(fù)雜的制造過程，快速制造工模具、原型或零件。4)快速成型技術(shù)實現(xiàn)了機械工程學(xué)科多年來追求的兩大先進目標.即材料的提取(氣、液固相)過程與制造過程一體化和設(shè)計(CAD)與制造(CAM) —體化。5)與反求工程(ReverseEngineering) 、 CAD技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實等相結(jié)合，成為產(chǎn)品決速開發(fā)的有力工具?？焖俪尚图夹g(shù)根據(jù)成型方法可分為兩類基于激光及其他光源的成型技術(shù)(Laser Technology)，例如光固化成型(SLA)、分層實體制造(L0M)、選域激光粉末燒結(jié)(SLS)、形狀沉積成型(SDM)等；基于噴射的成型技術(shù)(Jetting Technoloy)，例如熔融沉積成型(F匿)、三維印刷(3DP)、多相噴射沉積(MJD)。其中FDM(熔融沉積成型)工藝是由
3美國學(xué)者Scott Crump于1988年研制成功。F匿的材料一般是熱塑性材料，如蠟、ABS、尼龍等。以絲狀供料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化。噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化的材料擠出，材料迅速凝固，并與周圍的材料凝結(jié)。目前較常用的快速成型技術(shù)，尤其是國內(nèi)是采用三維打印機的方式。三維打印機都是國外品牌，按產(chǎn)品的強度和用途大致分為兩個方向；一種用于模型展示，強度低，一般用淀粉或些柔軟彈性較大材料做出成品，顏色多樣可選擇，如美國3D PRINTER等；另一種就是工業(yè)塑料模型，強度高，接近塑料件的強度，直接可使用，強調(diào)采用單一的工程塑料粉末做原料，原料價格昂貴，如DMENSI0N。三維打印機采用工程塑料進行噴涂粉末，再加熱成型的方式。優(yōu)點是操作簡單， 一般辦公室人員無須培訓(xùn)，只要有一定格式的三維建模圖就可以操作；缺點是耗材價格昂貴，只能用指定的材料，必須要向?qū)I(yè)生產(chǎn)的公司購買，打印成本高。雖然快速成型技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域非常廣泛，但是快速成型設(shè)備使用的耗材成本昂貴，阻止了快速成型技術(shù)的推廣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)的不足，而提供一種數(shù)控塑料薄層沉積鑄型機，成型可選用多種塑料的顆粒母料，克服必須指定材料，導(dǎo)致耗材價格昂貴的缺陷；采用原料垂直移動注塑并與工作臺移動組成復(fù)合式空間運動軌跡，形成立體塑料堆積工件及伴隨塑料模型。 本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用以下技術(shù)方案一種數(shù)控塑料薄層沉積鑄型機，包括成型頭和機床底座，其特征是所述機床底座上固定帶有橫梁的垂直支架，所述垂直支架上設(shè)有X軸向移動及Z軸向移動的成型頭，所述機床底座上設(shè)有Y軸向移動式工作臺。
所述垂直支架的橫梁上固接導(dǎo)軌，與導(dǎo)軌滑動連接的導(dǎo)板前端垂直固接有連接板，所述連接板上固接絲母，絲母與支承在橫梁上的絲杠螺接呈X軸向傳動，所述連接板上固接有拖板副，所述拖板副的上拖板固接成型頭，下拖板與絲杠副傳動連接呈Z軸向傳動。
所述成型頭由伺服電機和塑料擠出機構(gòu)成，所述伺服電機輸出軸與塑料擠出機的擠出絞龍軸連接。 所述成型頭由注塑薄板內(nèi)、外邊界的擠出機和注塑薄板邊界區(qū)域內(nèi)的擠出機兩個成型頭構(gòu)成。 所述移動式工作臺上固接絲母，絲母與支承在機床底座上的絲杠螺接并通過導(dǎo)軌
滑動呈Y軸向傳動。 所述絲杠為滾珠絲杠。 所述垂直支架為龍門式支架或懸臂式支架。 本發(fā)明有益效果鑄型機采用原料垂直移動注塑并與工作臺移動組成復(fù)合式空間運動軌跡，形成立體塑料堆積工件及伴隨塑料模型。它可以直接使用PP、PE、ABS等多種塑料顆粒為原料，降低生產(chǎn)成本；同時還可以伴隨塑料模具，使工件的尺寸精度提高(誤差不大于0. 04mm);相對低溫的工件在成型時產(chǎn)生缺陷可以利用伴隨塑料模具進行烘烤，使工件在精確的伴隨塑料模具內(nèi)融化后又成型，消除了工件缺陷。原料也可以多次往復(fù)使用。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1.機床底座，2.龍門式支架，3.X軸向滾珠絲杠，4.橫梁，5.導(dǎo)軌，5-1.導(dǎo) 板，6.伺服電機，7.拖板副，7-1.上拖板，7-2.下拖板，8.塑料擠出機，8-l.擠出絞龍軸， 9.工作臺，10.Y軸向滾珠絲杠，11.Z軸向絲杠副，12.塑料擠出機，13.成型頭，14.連接板。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖及較佳實施例詳細說明本發(fā)明的具體實施方式
。 詳見附圖，一種數(shù)控塑料薄層沉積鑄型機，包括成型頭和機床底座l，所述機床底 座上固定帶有橫梁4的垂直支架，所述垂直支架為龍門式支架2或懸臂式支架。所述垂直 支架上設(shè)有X軸向移動及Z軸向移動的成型頭13，所述機床底座上設(shè)有Y軸向移動式工作 臺9。所述垂直支架的橫梁上固接導(dǎo)軌5，與導(dǎo)軌滑動連接的導(dǎo)板5-1前端垂直固接有連接 板14，所述連接板上固接絲母(圖中未示)，絲母與支承在橫梁上的絲杠螺接3，可以帶動連 接板及固接起上面的成型頭整體呈X軸向傳動，所述連接板上固接有拖板副7，所述拖板副 的上拖板7-l固接成型頭，下拖板7-2與絲杠副ll傳動連接，可以帶動成型頭呈Z軸向傳 動。所述成型頭13由伺服電機6和塑料擠出機構(gòu)成，所述伺服電機輸出軸與塑料擠出機的 擠出絞龍軸8-1連接。所述成型頭由注塑薄板內(nèi)、外邊界的擠出機8和注塑薄板邊界區(qū)域 內(nèi)的擠出機12兩個成型頭構(gòu)成。所述移動式工作臺上固接絲母(圖中未示)，絲母與支承 在機床底座上的絲杠IO螺接并通過導(dǎo)軌滑動，使工作臺沿Y軸向移動。所述絲杠為滾珠絲 杠。所述垂直支架為龍門式支架或懸臂式支架。 工作原理將電腦CAM軟件將模型虛擬分割成若干層后的軌跡運動程序文件輸出 到設(shè)備，利用兩臺或多臺塑料煉化設(shè)備將不同的塑料顆粒原料加熱并塑化到液態(tài)，與三軸 數(shù)控聯(lián)動設(shè)備空間軌跡運動形成立體塑料堆積工件及伴隨塑料模型。
工作流程 電腦三維建模-電腦軌跡后處理程序輸出-數(shù)控塑料薄層沉積鑄型機接收-運行 程序_產(chǎn)品成型_烘烤_剝離_最終產(chǎn)品。 先由電腦用三維繪圖軟件如MATSTECAM， UG， PRO/E等繪制出三維模型圖，將X、 Y、 Z三個方向的運動軌跡后處理成為機床PLC所能接受的程序文件，用DNC的方式傳遞給數(shù)控 塑料薄層沉積鑄型機，安裝在拖板上的塑料擠出機，在滾珠絲杠的帶動下，在Z軸方向上下 運動，安裝在橫梁滑動導(dǎo)軌5上的拖板7，在滾珠絲杠3的帶動下，沿X方向左右運動，安裝 在機床底座1上的工作臺9，在滾珠絲杠10的帶動下沿Y方向前后移動，構(gòu)成了三維空間 運動。動力來源于伺服電機，由PLC控制系統(tǒng)控制，傳動機構(gòu)都為滾珠絲杠，在程序指令的 控制下做三軸聯(lián)動。將擠出機8和擠出機12按設(shè)定的溫度升溫，在溫度達到設(shè)定溫度后繼 續(xù)保溫半小時至一小時，隨后向擠出機8和擠出機1 2的進料口內(nèi)由自動上料機(圖中未 示)注入不同材質(zhì)的塑料(例如8里面加入LCP顆粒熔化溫度300-425°C ;12里面加入苯 乙烯顆粒熔化溫度180-28(TC，利用兩種塑料的溫差)顆粒，擠出機8和擠出機12在伺服 電機的控制下使塑料塑化并熔融。擠出機8下降并噴出液態(tài)的塑料到工作臺的拖盤(圖中 未示)上，迅速冷卻形成薄層塑料薄板，該薄板的外沿作為內(nèi)邊界，擠出機8擴大擠出區(qū)域 再次形成薄板，該薄板的內(nèi)沿作為外邊界，擠出機8上升，完成工作。擠出12下降并在擠出 機8制造的兩個薄板形成的內(nèi)外邊界內(nèi)灌注不同材質(zhì)的塑料，當(dāng)厚度等同于擠出機8制造 的薄板時停止并上升完成一次循環(huán)。如此多次的往復(fù)，累積疊加后成立體工件及由累積疊加的內(nèi)外邊界薄板則形成伴隨塑料模具。隨后，在烘箱里將該工件及伴隨塑料模具按設(shè)定 溫度烘烤一小時后取出，剝離伴隨塑料模具即得到替代模具注塑的塑料工件。
下面通過實施例，說明該項技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)過程中起的作用。 1.設(shè)計驗證用于新產(chǎn)品外觀設(shè)計玲證和結(jié)構(gòu)設(shè)計驗證，找出設(shè)計缺陷，完善產(chǎn) 品設(shè)計。在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中，設(shè)計手段日趨先進，計算機輔助設(shè)計使得產(chǎn)品設(shè)計快捷、直觀， 但由于軟件和硬件的局限，設(shè)計人員仍無法直觀地評價所設(shè)計產(chǎn)品的效果和結(jié)構(gòu)的合理性 以及生產(chǎn)工藝的可行性?？焖俪尚图夹g(shù)為設(shè)計人員迅速得到產(chǎn)品樣品，直觀評判產(chǎn)品提供 了先進的技術(shù)手段。我公司為某摩托車生產(chǎn)廠新型250摩托車制作的覆蓋件樣件，包括油 箱、前后擋板、車座和側(cè)蓋等共13件。采用AFS成型技術(shù)，僅用12天就完成了全部制作。設(shè) 計人員將樣件裝在車體上，經(jīng)過認真評價和反復(fù)比較，對產(chǎn)品的外觀做了重新修改，達到了 理想狀態(tài)。這一驗證過程，使設(shè)計更趨完美，避免了盲目投產(chǎn)造成的浪費。
2.裝配驗證制出樣品實件，進行裝配實驗。天津某公司委托我方加工傳真機外 殼及電話。用戶不僅要進行外觀評價，而且要將傳真機的內(nèi)部部件裝入樣件中，進行裝配 實驗和結(jié)構(gòu)評價。該公司首先選擇傳統(tǒng)加工方法，分塊加工，手工粘結(jié)，僅加工一套電話聽 筒就耗資肆仟元，耗時20天。預(yù)計制作傳真機樣品需2個月，費用為2.5萬元。我公司用 快速成型技術(shù)，僅用15天就將該產(chǎn)品一套共六件交給委托方。用戶在裝配實驗中發(fā)現(xiàn)了 7 處裝配干涉和結(jié)構(gòu)不合理處。將前后兩種方法相比，傳真機BABS塑料組裝樣件傳統(tǒng)加工方 法工序繁多，手工拼接費時、費力，材料浪費大、加工周期長。對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和曲面，加工粗 糙，尺寸精度低，制作的實物模型與設(shè)計模型之間不能建立一一對應(yīng)的關(guān)系，因而在裝配實 驗中很難檢查出設(shè)計錯誤。而自動成型法，高度自動化， 一次成型，周期短，精度高，與設(shè)計 模型之間具有一一對應(yīng)的關(guān)系，更適合樣品組裝件的生產(chǎn)和制造。 3.功能驗證我公司為某摩托車廠制作250型雙缸摩托車汽缸頭。這是一款新設(shè) 計的發(fā)動機，用戶需要IO件樣品進行發(fā)動機的模擬實驗。該零件具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，傳 統(tǒng)機加工無法加工，只能呆用鑄造成型。整個過程需經(jīng)過開模、制芯、組模、澆鑄、噴砂和機 加等工序，與實際生產(chǎn)過程相同。其中僅開模一項就需三個月時間。這對于小批量的樣品 制作無論在時間上還是成木上都是難以接受的。我們采用選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)，以精鑄熔模 材料為成型材料，在快速成型機上僅用5天即加工出該零件的10件鑄造熔模，再經(jīng)熔模鑄 造工藝，10天后得到了鑄造毛坯。經(jīng)過必要的機加工，30天即完成了此款發(fā)動機的試制。
4.翻模成型實際應(yīng)用上，很多產(chǎn)品必須通過模具才能加工出來。用成型機先制 作出產(chǎn)品樣件再翻制模具，是一種既省時又節(jié)省費用的方法。發(fā)動機泵殼原型件產(chǎn)品用傳 統(tǒng)機加工方法很難加工，必須通過模具成型。據(jù)估算，開模時間要8個月，費用至少30萬。如 果產(chǎn)品設(shè)計有誤，整套模具就全部報廢。我們用快速成型法為該產(chǎn)品制作了塑料樣件，作為 模具母模用于翻制硅膠模。將該母模固定于鋁標準?？蛑校瑵踩肱浜玫墓柘鹉z，靜置12-20 小時，硅橡膠完全固化，打開?？?，取出硅橡膠用刀沿預(yù)定分型線劃開，將母模取出，用于澆 鑄泵殼蠟型的硅膠模即翻制成功。通過該模制出蠟型，經(jīng)過涂殼、焙燒、失蠟、加壓澆鑄、噴 砂， 一件合格的泵殼鑄件在短短的兩個月內(nèi)制造出來，經(jīng)過必要的機加工，即可裝機運行， 使整個試制周期比傳統(tǒng)方法縮短了三分之二，費用節(jié)省了四分之三。 5.樣品制作制造產(chǎn)品替代品，用于展示新產(chǎn)品，進行市場宣傳，如通訊、家電及 建筑模型制作。
6.工藝和材料驗證快速制作各種蠟?zāi)?，用于精鑄新工藝和新型材料的摸索、驗 證以及新產(chǎn)品制造所需輔助工具及部件的試驗。近無余量精鑄葉片的實驗品。首先按不同 收縮率用成型機一次制作幾個葉片蠟?zāi)?，然后涂殼、編號、失蠟鑄造。將所得葉片鑄件進行 測量，反復(fù)幾次即可確定不同材料無余量精鑄收縮率，為批量生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。如果用開模具 的辦法進行此項試驗，其費用和周期都將大大增加。發(fā)動機高速渦輪，要求材質(zhì)高，鑄件密 實。使用激光快速自動成型機，制作精鑄用蠟?zāi)Ｋ膫€，編號涂殼，使用不同配比特殊合金，分 別澆鑄，對所得四件樣品進行測試，分別加以比較分析，即確定材料最佳配方。從制模到取 得結(jié)果僅需一個月。 7.反求工程與快速成型成型機成型的一件摩托車的前面板樣件，面板上包含了 一個前大燈和二個側(cè)燈的外罩，它們與面板構(gòu)成一個完整的曲面。這是一個用反向工程進 行零件詳細設(shè)計的典型實例。整個工藝過程是首先由模型工根據(jù)摩托車的整體形象要求用 油泥制作概念模型，經(jīng)評審滿意后用三座標測量儀進行數(shù)值化，測量數(shù)據(jù)用Pro/E軟件的 Scantools模塊進行整理并轉(zhuǎn)換成曲面模型，再轉(zhuǎn)換成實體模型并進〃 細節(jié)〃 計。糟加筋、 孔和車孔的輪廓等結(jié)構(gòu)，最后由成型機制作出樣件模型，經(jīng)過打磨和噴漆的處理后裝在摩 托車上進行外觀、裝配等檢驗，整個過程從完成三座標測量到得到樣件僅用一周時間。此時 得到的樣件模型不同于最初的油泥模型，而成為與實際零件壁厚、尺寸一致，筋、孔等結(jié)構(gòu) 齊全的零件模型，這比油泥模型無疑是一個很大的進步。如果這時需對模型進行修改，只需 在CAD系統(tǒng)上就可完成。當(dāng)模型的外觀和細部結(jié)構(gòu)確定無誤后，就可利用最后的模型數(shù)據(jù) 進行模具設(shè)計和加工。 以上所述，僅是發(fā)明的較佳實施例而已，并非對發(fā)明的結(jié)構(gòu)作任何形式上的限制。 凡是依據(jù)發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于 發(fā)明的技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種數(shù)控塑料薄層沉積鑄型機，包括成型頭和機床底座，其特征是所述機床底座上固定帶有橫梁的垂直支架，所述垂直支架上設(shè)有X軸向移動及Z軸向移動的成型頭，所述機床底座上設(shè)有Y軸向移動式工作臺。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控塑料薄層沉積鑄型機，其特征是所述垂直支架的橫梁 上固接導(dǎo)軌，與導(dǎo)軌滑動連接的導(dǎo)板前端垂直固接有連接板，所述連接板上固接絲母，絲母 與支承在橫梁上的絲杠螺接呈X軸向傳動，所述連接板上固接有拖板副，所述拖板副的上 拖板固接成型頭，下拖板與絲杠副傳動連接呈Z軸向傳動。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的數(shù)控塑料薄層沉積鑄型機，其特征是所述成型頭由伺 服電機和塑料擠出機構(gòu)成，所述伺服電機輸出軸與塑料擠出機的擠出絞龍軸連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控塑料薄層沉積鑄型機，其特征是所述成型頭由注塑薄 板內(nèi)、外邊界的擠出機和注塑薄板邊界區(qū)域內(nèi)的擠出機兩個成型頭構(gòu)成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控塑料薄層沉積鑄型機，其特征是所述移動式工作臺上 固接絲母，絲母與支承在機床底座上的絲杠螺接并通過導(dǎo)軌滑動呈Y軸向傳動。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或5所述的數(shù)控塑料薄層沉積鑄型機，其特征是所述絲杠為滾珠絲杠。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控塑料薄層沉積鑄型機，其特征是所述垂直支架為龍門 式支架或懸臂式支架。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種數(shù)控塑料薄層沉積鑄型機，包括成型頭和機床底座，其特征是所述機床底座上固定帶有橫梁的垂直支架，所述垂直支架上設(shè)有X軸向移動和Z軸向移動的成型頭，所述機床底座上設(shè)有Y軸向移動式工作臺。發(fā)明有益效果鑄型機采用原料垂直移動注塑并與工作臺移動組成復(fù)合式空間運動軌跡，形成立體塑料堆積工件及伴隨塑料模型。它可以直接使用PP、PE、ABS等多種塑料顆粒為原料，降低生產(chǎn)成本；同時還可以伴隨塑料模具，使工件的尺寸精度提高(誤差不大于0.04mm)；相對低溫的工件在成型時產(chǎn)生缺陷可以利用伴隨塑料模具進行烘烤，使工件在精確的伴隨塑料模具內(nèi)融化后又成型，消除了工件缺陷。原料也可以多次往復(fù)使用。
文檔編號B29C67/00GK101693407SQ20091007101
公開日2010年4月14日 申請日期2009年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月29日
發(fā)明者凌聿輝 申請人:凌聿輝;