專利名稱：基于覆膜粉末材料輪廓線掃描的激光快速成型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
基于覆膜粉末材料輪廓線掃描的激光快速成型方法屬于激光加工快速成型技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及將計算機三維模型制作成零件或樣品的方法。
背景技術(shù)：
激光快速成型技術(shù)是20世紀八十年代中后期發(fā)展成熟起來并開始商品化的一種高新制造技術(shù)。激光快速成型技術(shù)能很快地將產(chǎn)品零件的計算機輔助設計模型(CAD模型)轉(zhuǎn)換為物理模型、零件原型或零件。激光快速成型由CAD模型直接驅(qū)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(chǎn)出產(chǎn)品或樣品的生產(chǎn)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種(1)薄形材料選擇性切割LOM(Laminating Object Manufacturing)。該方法最早由成立于1985年的美國Helisys公司獲得專利。LOM方法主要以薄膜為材料，激光沿著所需二維輪廓進行切割，將切割后所得薄膜層疊起來，即得到成型件。
(2)選擇性激光燒結(jié)SLS(Selected Laser Sintering)，又稱激光選區(qū)燒結(jié)。該方法由美國德州大學奧斯汀分校于1989年研制成功，并將此SLS專利轉(zhuǎn)讓給美國的DTM公司，從此SLS工藝得到了迅速發(fā)展。該工藝采用具有燒結(jié)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，激光光束根據(jù)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(jié)出二維截面，相鄰的兩層截面之間燒結(jié)相連，如此循環(huán)，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于1986年研制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(gòu)。SL技術(shù)是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態(tài)材料在一定波長和強度的紫外光照射下能迅速發(fā)生光聚合反應，相對分子質(zhì)量急劇增大，材料也就從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。
以上三種典型的激光快速成型方法各有其優(yōu)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”部分需要用激光進行網(wǎng)格劃分以便于去除。這種方法材料浪費比較大，材料選擇范圍比較窄，一般只能采用紙張等連續(xù)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(diào)整，這是其本身工藝所決定的。
SLS方法由于其需要對每一個層面的面域進行激光掃描，使得成型時間較長，而且激光燒結(jié)件普遍存在致密度低、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，并且需要考慮添加支撐，所以成型工藝較復雜，成型時間較長，而且材料選擇面較窄。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于覆膜粉末材料輪廓線掃描的激光快速成型方法；本發(fā)明能將計算機三維模型直接制作成三維實體，保留了SLS方法的優(yōu)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(fā)明的技術(shù)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(tǒng)。
(2)二維光學掃描系統(tǒng)根據(jù)所得當前層面的二維輪廓信息，控制激光光束對覆膜粉末材料進行輪廓掃描，被激光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(jié)溫度以上，使覆膜粉末材料的外表面覆膜層失去固結(jié)性能，形成與輪廓線一致的固結(jié)性能失效分割線。
(3)工作臺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，重復步驟(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后取出進行整體加熱固結(jié)強化，由于固結(jié)件內(nèi)部包含有被激光掃描過的失去了固結(jié)性能的三維輪廓界面，所以固結(jié)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(fā)明采用的覆膜粉末材料具有燒結(jié)性能，并且該覆膜粉末材料的表層膜受熱到一定溫度后將會被破壞，失去其燒結(jié)性能。
本發(fā)明中的激光光束經(jīng)聚焦后，激光光斑能量及掃描速度控制在以下的效果范圍之內(nèi)當前層上被該激光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(jié)性能；而掃描軌跡旁邊的覆膜粉末材料的燒結(jié)性能不受影響，處于松散或微燒結(jié)狀態(tài)。
在Z向自動分層切片獲取輪廓線方面，本發(fā)明采用了三次多項式分段擬合輪廓線的方法。在激光掃描運動控制方面，采用了直線及圓弧插補運動控制技術(shù)來擬合任意曲線，保證了實際運動的精度。
本發(fā)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，并且成型件的固結(jié)由常規(guī)方法整體加熱所得，具有精度高，表面光潔度高，致密度及強度高等特點。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖。
圖中1計算機；2激光光束；3二維光學掃描系統(tǒng)；4三維輪廓；5工作臺；6活塞；7覆膜粉末材料；8加熱板。
圖2為使用本發(fā)明實際成型的“8”字型實體圖。
圖3為使用本發(fā)明實際成型的傘齒輪實體圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合技術(shù)方案及附圖，詳細敘述本發(fā)明的最佳實施例。
實施例1制造“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，并提取每一層的輪廓線信息。開啟激光器并調(diào)整好激光器的功率，啟動運動控制系統(tǒng)。在工作臺5上鋪上一個層厚的覆膜粉末材料，激光光束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(jié)性能，然后計算機控制活塞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分鐘后取出在加熱爐內(nèi)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(jié)件取出并自然冷卻后，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制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，并提取每一層的輪廓線信息。開啟激光器，啟動計算機控制系統(tǒng)。在工作臺5上鋪上一個層厚的覆膜粉末材料，激光光束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(jié)性能，然后計算機控制活塞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分鐘后取出在加熱爐內(nèi)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(jié)件取出后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(quán)利要求
1.一種基于覆膜粉末材料輪廓線掃描的激光快速成型方法，其特征在于以下步驟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(tǒng)(3)；B、二維光學掃描系統(tǒng)(3)根據(jù)所得當前層面的二維輪廓信息，控制激光光束(2)對覆膜粉末材料(7)進行輪廓掃描，被激光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(jié)溫度以上，使覆膜粉末材料的外表面覆膜層失去固結(jié)性能，形成與輪廓線一致的固結(jié)性能失效分割線；C、工作臺(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，重復步驟(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)預熱后取出進行整體加熱固結(jié)強化，由于固結(jié)件內(nèi)部包含有被激光掃描過的失去了固結(jié)性能的三維輪廓(4)，所以固結(jié)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(jù)權(quán)利要求1所述的基于覆膜粉末材料輪廓線掃描的激光快速成型方法，其特征在于采用的覆膜粉末材料具有燒結(jié)性能，并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(jié)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(jié)性能。
全文摘要
基于覆膜粉末材料輪廓線掃描的激光快速成型方法，屬于激光加工快速成型技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明首先由計算機根據(jù)三維CAD模型的Z向分層輪廓線信息，控制激光光束對覆膜粉末材料進行輪廓掃描；被激光光束掃描過的覆膜粉末材料受熱升溫至該粉末材料固結(jié)溫度以上，該粉末材料的外表面覆膜層失去固結(jié)性能，形成與輪廓線相一致的失效分割線；然后工作臺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；最后對覆膜粉末材料整體進行加熱，加熱后所得的固結(jié)件以失去固結(jié)性能的三維輪廓為界分離，得到三維實體。本發(fā)明可快速制造復雜形狀的三維實體，具有成型速度快、效率高，成型件致密度及強度高，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(yōu)先權(quán)日2005年12月9日
發(fā)明者姚山, 曾鋒, 葉昌科, 陳寶慶 申請人:大連理工大學