复杂形状几何体的覆膜粉体激光选区失效整体成型方法

摘要

本发明属于激光加工快速成型技术领域；该方法的特征为将整个砂箱的几何模型分化为成型目标实体和待破碎体两部分；并将待破碎体分解为一系列的剥离体，形状为长方体或近似长方体。在分层处理过程时候，根据目标实体生成二维轮廓线，根据破碎体生成辅助分隔线，共同构成激光加工轨迹线；激光加工后对整体进行加热，覆膜粉体受热固结后，目标实体固结为一个完整实体；破碎体固结成一系列小剥离体，在振动和外力的作用下逐步剥离；最终获得由覆膜粉体一次固结形成的完整成型目标实体；本发明的效果和益处是引入了破碎体和小剥离体，利用小剥离体依次脱落方法解决了传统因几何结构限制无法一次性整体成型获得复杂形状几何体的难题。

说明书

技术领域

本发明属于激光加工快速成型技术领域，涉及将计算机三维模型制作成零件，特别涉及复杂形状几何体的覆膜粉体激光选区失效整体成型的方法。

背景技术

激光快速成型技术是20世纪八十年代中后期发展成熟起来并开始商品化的一种高新制造技术。激光快速成型技术能很快地将产品零件的计算机辅助设计模型(CAD模型)转换为物理模型、零件原型或零件。激光快速成型由CAD模型直接驱动，只需改变CAD模型，就可获得相应的物理实体，大大缩短了从概念模型设计到生产出产品或样品的生产周期。

目前典型的已商品化的激光快速成型方法主要有以下三种：

(1)薄形材料选择性切割LOM(Laminating Object Manufacturing)。该方法最早由成立于1985年的美国Helisys公司获得专利。LOM方法主要以薄膜为材料，激光沿着所需二维轮廓进行切割，将切割后所得薄膜层叠起来，即得到成型件。

(2)选择性激光烧结SLS(Selected Laser Sintering)，又称激光选区烧结。该方法由美国德州大学奥斯汀分校于1989年研制成功，并将此SLS专利转让给美国的DTM公司，从此SLS工艺得到了迅速发展。该工艺采用具有烧结性能的粉末材料，由计算机对三维CAD模型进行分层，得到一系列截面信息，激光光束根据每一层的截面信息对该层粉末材料进行选择性面域扫描，烧结出二维截面，相邻的两层截面之间烧结相连，如此循环，即可得到与CAD模型形状一致的三维实体。

(3)光固化成型SL(Stereo Lithography)方法，又称立体光刻、光成型等，是美国的C.Hull于1986年研制成功的一种快速成型方法，获美国专利。1988年美国3D Systems公司推出第一台商用样机SLA-1。SL方法艺的设备装置跟SLS类似，省略了铺粉工序，多了支撑机构。SL技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长和强度的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，相对分子质量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。

(4)基于覆膜粉末材料轮廓线扫描的激光快速成型方法，又称激光轮廓烧结法、轮廓失效法。是由申请人于2005年提出的一种新的快速成型方法。该方法的原理是根据CAD的分层轮廓线，用激光烧结每层覆膜粉末轮廓，形成整体的失效轮廓，在整体加热覆膜粉末固化以后再根据失效轮廓把模型分离开来，完成CAD实体的快速成型。

以上四种典型的激光快速成型方法各有其优点，但是，以上四种方法都存在一些不足：

LOM方法除加工轮廓信息外，还需对轮廓外的“废料”部分需要用激光进行网格划分以便于去除。这种方法材料浪费比较大，材料选择范围比较窄，一般只能采用纸张等连续的薄型材料，不能用覆膜粉末等粉体材料，而且每层厚度不可调整，这是其本身工艺所决定的。

SLS方法由于其需要对每一个层面的面域进行激光扫描，使得成型时间较长，而且激光烧结件普遍存在致密度低、强度低、尺寸精度差及表面光洁度低等不足。

SL方法需要进行每一个截面的面域扫描，并且需要考虑添加支撑，所以成型工艺较复杂，成型时间较长，而且材料选择面较窄。

轮廓失效法由于是形成了整体的失效轮廓，所以对于复杂的CAD模型，在目标件与周围废料分离的时候会发生困难，容易发生部分区域的干涉，复杂形状几何体细节处脱模时易损坏，尤其对于具有多面凹凸的模型会由于相互干涉产生无法脱开的问题，这样就造成成型件外形简单，复杂模型难以制造等问题。

发明内容

本发明提供了将计算机三维模型直接制作成三维实体零件，是一种基于三维实体分割技术复杂形状几何体的覆膜粉体快速整体成型方法；保留了SLS方法的优点，克服了SLS成型体强度低、LOM法无法加工粉体材料、轮廓失效法难以制造复杂零件的不足。

本发明的技术方案，特征步骤如下：

步骤一

在计算机上完成待成形零件的三维实体造型和砂箱的实体造型，并通过CAD软件系统的集成运算功能，在砂箱实体模型上减去待成形零件，生成砂型三维几何模型，此时在计算机系统中同时存在零件和砂型两个实体模型，这两个实体的并集就是整个砂箱；

步骤二

根据最终的成形需要和目的，在步骤一的两个实体模型中选择一个作为快速整体成形的目标实体，另一个定义为待破碎体；

步骤三

可根据整体成形目标实体的几何结构特点，将待破碎体有规律地破碎成一系列的小块的剥离体，形状为小的长方体或近似长方体，这些剥离体在与整体成形目标实体相交界处，这些剥离体的并集即为待破碎体；

步骤四

在Z向进行自动分层切片；Z向切片剖切目标实体时生成的边界二维轮廓线，以及Z向切片与步骤三的剥离体相剖切生成的一系列轮廓线，共称为辅助分隔线，这些辅助分割线共同组成该切片层的激光加工轨迹线；

步骤五

激光系统根据每一切片层激光加工轨迹线的信息，控制激光光束对覆膜粉体材料进行扫描，使其失去热固结性能，形成该切片层的二维轮廓失效线；

步骤六

工作台的活塞在计算机分层厚度的控制下，下降一个层厚，重新进行铺粉，重复步骤五，直至每个切片层的激光加工轨迹线全部扫描完毕；

步骤七

此时，成型目标实体对应的覆膜粉体是一个被一系列二维轮廓失效线衔接而成的边界曲面所包围的三维整体。而破碎体所对应的覆膜粉体则被辅助分隔线分隔并包围形成一系列与步骤三对应的剥离体，形状为长方体或近似长方体；

步骤八

当把整个覆膜粉体材料按加热规范加热固化后，成型目标实体对应的覆膜粉体固结为一个整体，而待破碎体热固结后，则被辅助分隔线破碎为一系列独立的剥离体，形状为长方体或近似长方体；

步骤九

利用震动和适当的外力作用，可使构成待破碎体的剥离体依次脱落并与目标成型体相剥离，最终得到由覆膜粉体整体固结制成的成形目标体。

本发明的效果和益处是：与目前已有的方法及所得到的成型件相比，可以制造结构复杂的CAD模型，并且由于小块待破碎体的剥离体的引入，使得目标成型体可以整体脱开而不会与待破碎体发生干涉现象，解决了因几何结构限制无法一次性整体成型获得复杂形状几何体的难题；并且这种方法所得到的复杂模型的细节得到了很好的保护，完全实现了形状复杂几何体快速整体成型的特点。

附图说明

图1是使用本发明实际成型的目标成型体“叶轮”零件的小块剥离体脱落示意图。

图中：(a)是加热固结后“叶轮”零件和周围破碎体的完整示意图；

(b)是加热固结后“叶轮”零件和周围破碎体的半抛示意图；

(c)是加热固结后第一块小破碎体脱落示意图；

(d)是加热固结后三块小破碎体的脱落示意图；

(e)是加热固结后五块小破碎体的脱落示意图；

(f)是加热固结后七块小破碎体的脱落示意图。

图2是本发明的目标成型体“叶轮”零件计算机cad模型图。

图3是本发明实际成型的目标成型体“叶轮”零件的覆膜粉体加热固结后的零件图。

具体实施方式

以下结合技术方案及附图，详细叙述本发明的最佳实施例。

实施例：制造“叶轮”实体零件

首先在计算机中完成“叶轮”的三维CAD模型的造型设计和砂箱实体造型设计，并通过CAD软件系统的集成运算功能，在砂箱实体模型上减去“叶轮”实体，生成以“叶轮为空腔”的砂型三维几何模型。此时，在计算机系统中同时存在“叶轮”实体模型和以“叶轮为空腔”的砂型两个实体模型，这两个实体模型的并集就是整个砂箱。根据需要选择“叶轮”作为快速整体成型的目标实体，而把以“叶轮为空腔”的砂型作为待破碎体，再将待破碎体“叶轮”为空腔”的砂型有规律的破碎成一系列的小块剥离体，形状为小长方体和近似长方体。当计算机模型构造完成后，计算机进行Z向自动分层剖切，层厚为0.5毫米，剖切目标实体“叶轮”形成二维边界轮廓线，剖切待破碎体“以叶轮为空腔”的小块剥离体形成二维辅助分隔线，两者共同组成该切片层的激光加工轨迹线。

当激光加工轨迹线形成后，计算机控制运动系统在工作台上铺0.5厚度的覆膜粉体材料。并根据这一层片的加工轨迹线信息，控制激光光束对覆膜粉体材料进行扫描，使其失去热固结性能，形成该片层的二维轮廓失效线。重复以上步骤直至每个切片层的激光加工轨迹线全部扫描完毕。此时成型目标实体“叶轮”对应的覆膜粉体是一个被一系列二维轮廓失效线衔接而成的边界曲面所包围的三维实体；而待破碎体对应的覆膜粉体是被辅助分隔线包围形成的一个个独立的小块剥离体。如附图1所示。

对该覆膜粉体材料整体进行预热后，取出放在加热炉内加热强化，预热温度为200℃，加热温度为280℃，加热时间为3分钟。所得固结件取出并自然冷却，这时目标实体“叶轮”对应的覆膜粉体固结为一个整体，而待破碎体以“叶轮为空腔”的实体对应的覆膜粉体被辅助分隔线分隔为一系列独立的小剥离体。利用震动和适当外力便可以这一系列的独立的小剥离体依次脱落而与目标实体“叶轮”件相脱离，最后得到复杂几何形体“叶轮”件。如附图3所示。