基於覆膜粉末材料輪廓線掃描的雷射快速成型方法
2023-05-15 09:59:01 4
專利名稱：基於覆膜粉末材料輪廓線掃描的雷射快速成型方法
技術領域：
基於覆膜粉末材料輪廓線掃描的雷射快速成型方法屬於雷射加工快速成型技術領域，特別涉及將計算機三維模型製作成零件或樣品的方法。
背景技術：
雷射快速成型技術是20世紀八十年代中後期發展成熟起來並開始商品化的一種高新製造技術。雷射快速成型技術能很快地將產品零件的計算機輔助設計模型(CAD模型)轉換為物理模型、零件原型或零件。雷射快速成型由CAD模型直接驅動，只需改變CAD模型，就可獲得相應的物理實體，大大縮短了從概念模型設計到生產出產品或樣品的生產周期。
目前典型的已商品化的雷射快速成型方法主要有以下三種(1)薄形材料選擇性切割LOM(Laminating Object Manufacturing)。該方法最早由成立於1985年的美國Helisys公司獲得專利。LOM方法主要以薄膜為材料，雷射沿著所需二維輪廓進行切割，將切割後所得薄膜層疊起來，即得到成型件。
(2)選擇性雷射燒結SLS(Selected Laser Sintering)，又稱雷射選區燒結。該方法由美國德州大學奧斯汀分校於1989年研製成功，並將此SLS專利轉讓給美國的DTM公司，從此SLS工藝得到了迅速發展。該工藝採用具有燒結性能的粉末材料，由計算機對三維CAD模型進行分層，得到一系列截面信息，雷射光束根據每一層的截面信息對該層粉末材料進行選擇性面域掃描，燒結出二維截面，相鄰的兩層截面之間燒結相連，如此循環，即可得到與CAD模型形狀一致的三維實體。
(3)光固化成型SL(Stereo Lithography)方法，又稱立體光刻、光成型等，是美國的C.Hull於1986年研製成功的一種快速成型方法，獲美國專利。1988年美國3D Systems公司推出第一臺商用樣機SLA？。SL方法藝的設備裝置跟SLS類似，省略了鋪粉工序，多了支撐機構。SL技術是基於液態光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態材料在一定波長和強度的紫外光照射下能迅速發生光聚合反應，相對分子質量急劇增大，材料也就從液態轉變成固態。
以上三種典型的雷射快速成型方法各有其優點，但是，以上三種方法都存在一些不足LOM方法除加工輪廓信息外，還需對輪廓外的「廢料」部分需要用雷射進行網格劃分以便於去除。這種方法材料浪費比較大，材料選擇範圍比較窄，一般只能採用紙張等連續的薄型材料，不能用覆膜粉末等粉體材料，而且每層厚度不可調整，這是其本身工藝所決定的。
SLS方法由於其需要對每一個層面的面域進行雷射掃描，使得成型時間較長，而且雷射燒結件普遍存在緻密度低、強度低、尺寸精度差及表面光潔度低等不足。
SL方法需要進行每一個截面的面域掃描，並且需要考慮添加支撐，所以成型工藝較複雜，成型時間較長，而且材料選擇面較窄。
發明內容
本發明的目的在於提供一種基於覆膜粉末材料輪廓線掃描的雷射快速成型方法；本發明能將計算機三維模型直接製作成三維實體，保留了SLS方法的優點，克服了SLS成型體強度低、LOM法無法加工粉體材料等不足；本發明的技術方案見附圖1，包括以下步驟(1)在計算機上完成三維CAD模型的造型，在Z向進行自動分層切片；計算機將切片所得每一層的二維輪廓線信息傳輸給二維光學掃描系統。
(2)二維光學掃描系統根據所得當前層面的二維輪廓信息，控制雷射光束對覆膜粉末材料進行輪廓掃描，被雷射掃描過的覆膜粉末材料受熱升溫至所用覆膜粉末材料固結溫度以上，使覆膜粉末材料的外表面覆膜層失去固結性能，形成與輪廓線一致的固結性能失效分割線。
(3)工作檯的活塞在計算機分層厚度的控制下，下降一個層厚，重新進行鋪粉，重複步驟(2)，直至成型所需的三維輪廓掃描完畢。
(4)將覆膜粉末材料用加熱板預熱後取出進行整體加熱固結強化，由於固結件內部包含有被雷射掃描過的失去了固結性能的三維輪廓界面，所以固結件將以此界面分離開來，得到跟三維CAD模型一致的三維實體。
本發明採用的覆膜粉末材料具有燒結性能，並且該覆膜粉末材料的表層膜受熱到一定溫度後將會被破壞，失去其燒結性能。
本發明中的雷射光束經聚焦後，雷射光斑能量及掃描速度控制在以下的效果範圍之內當前層上被該雷射光束掃描過的覆膜粉末材料的外表面覆膜層受熱升溫至破壞，失去其燒結性能；而掃描軌跡旁邊的覆膜粉末材料的燒結性能不受影響，處於鬆散或微燒結狀態。
在Z向自動分層切片獲取輪廓線方面，本發明採用了三次多項式分段擬合輪廓線的方法。在雷射掃描運動控制方面，採用了直線及圓弧插補運動控制技術來擬合任意曲線，保證了實際運動的精度。
本發明的效果和益處是與目前已有的方法及其所得成型件相比，成型速度及效率有了很大的提高，並且成型件的固結由常規方法整體加熱所得，具有精度高，表面光潔度高，緻密度及強度高等特點。
圖1為本發明的系統示意圖。
圖中1計算機；2雷射光束；3二維光學掃描系統；4三維輪廓；5工作檯；6活塞；7覆膜粉末材料；8加熱板。
圖2為使用本發明實際成型的「8」字型實體圖。
圖3為使用本發明實際成型的傘齒輪實體圖。
具體實施例方式
以下結合技術方案及附圖，詳細敘述本發明的最佳實施例。
實施例1製造「8」字型實體首先在計算機1中完成「8」字型的三維CAD模型的造型設計，再進行Z向分層，層厚為0.6毫米，並提取每一層的輪廓線信息。開啟雷射器並調整好雷射器的功率，啟動運動控制系統。在工作檯5上鋪上一個層厚的覆膜粉末材料，雷射光束2在計算機1的控制下，對該層粉末材料進行「8」字型的二維輪廓掃描，使當前層的二維輪廓線上的覆膜粉末材料升溫至失去燒結性能，然後計算機控制活塞6下降0.6毫米，進行下一層的鋪粉、輪廓線掃描，直至成型所需的三維輪廓4掃描完畢。將該覆膜粉末材料7整體進行加熱板預熱5分鐘後取出在加熱爐內加熱強化，預熱溫度為200℃，加熱溫度為280℃，加熱時間為3分鐘。所得固結件取出並自然冷卻後，稍微振動便以「8」字型的三維輪廓界面分離開來，得到成型件，如附圖2所示。
實施例2製造傘齒輪首先在計算機1中完成傘齒輪的三維CAD模型的造型設計，再進行Z向分層，層厚為0.6毫米，並提取每一層的輪廓線信息。開啟雷射器，啟動計算機控制系統。在工作檯5上鋪上一個層厚的覆膜粉末材料，雷射光束2在計算機的控制下，對該層粉末材料進行傘齒輪的二維輪廓掃描，使當前層的二維輪廓線上的粉末材料升溫至失去燒結性能，然後計算機控制活塞6下降0.6毫米，進行下一層的鋪粉、輪廓線掃描，直至成型所需的三維輪廓4掃描完畢。將該覆膜粉末材料7進行加熱板預熱5分鐘後取出在加熱爐內加熱強化，預熱溫度為200℃，加熱溫度為280℃，加熱時間為3分鐘。所得固結件取出後以傘齒輪的三維輪廓界面分離開來，得到傘齒輪，如圖3所示。
權利要求
1.一種基於覆膜粉末材料輪廓線掃描的雷射快速成型方法，其特徵在於以下步驟A、在計算機(1)上完成三維CAD模型的造型，在Z向進行自動分層切片；計算機(1)將切片所得每一層的二維輪廓線信息傳輸給二維光學掃描系統(3)；B、二維光學掃描系統(3)根據所得當前層面的二維輪廓信息，控制雷射光束(2)對覆膜粉末材料(7)進行輪廓掃描，被雷射掃描過的覆膜粉末材料(7)受熱升溫至所用覆膜粉末材料固結溫度以上，使覆膜粉末材料的外表面覆膜層失去固結性能，形成與輪廓線一致的固結性能失效分割線；C、工作檯(5)的活塞(6)在計算機(1)分層厚度的控制下，下降一個層厚，重新進行鋪粉，重複步驟(B)，直至成型所需的三維輪廓(4)掃描完畢；D、將覆膜粉末材料(7)用加熱板(8)預熱後取出進行整體加熱固結強化，由於固結件內部包含有被雷射掃描過的失去了固結性能的三維輪廓(4)，所以固結件將以三維輪廓(4)分離開來，得到跟三維CAD模型一致的三維實體。
2.根據權利要求1所述的基於覆膜粉末材料輪廓線掃描的雷射快速成型方法，其特徵在於採用的覆膜粉末材料具有燒結性能，並且該覆膜粉末材料的表層膜受熱到所用覆膜粉末材料固結溫度以上，覆膜粉末材料的外表面覆膜層受熱升溫至破壞，失去其燒結性能。
全文摘要
基於覆膜粉末材料輪廓線掃描的雷射快速成型方法，屬於雷射加工快速成型技術領域。本發明首先由計算機根據三維CAD模型的Z向分層輪廓線信息，控制雷射光束對覆膜粉末材料進行輪廓掃描；被雷射光束掃描過的覆膜粉末材料受熱升溫至該粉末材料固結溫度以上，該粉末材料的外表面覆膜層失去固結性能，形成與輪廓線相一致的失效分割線；然後工作檯的活塞下降一個層厚，再進行鋪粉、輪廓掃描直至三維輪廓掃描完畢；最後對覆膜粉末材料整體進行加熱，加熱後所得的固結件以失去固結性能的三維輪廓為界分離，得到三維實體。本發明可快速製造複雜形狀的三維實體，具有成型速度快、效率高，成型件緻密度及強度高，精度高，表面光潔度高等特點。
文檔編號G06F17/50GK1827281SQ200510200779
公開日2006年9月6日 申請日期2005年12月9日 優先權日2005年12月9日
發明者姚山, 曾鋒, 葉昌科, 陳寶慶 申請人:大連理工大學