数控塑料薄层沉积铸型机 【技术领域】
本发明属于零件三维模型快速成型技术，尤其涉及一种数控塑料薄层沉积铸型机。
背景技术
目前，快速成型应用的领域几乎包括了制造领域的各个行业，在医疗、人体工程、文物保护等行业也得到了越来越广泛的应用。零件三维模型快速成型技术属于离散/堆积成型。它从成型原理上提出一个全新的思维模式维模型，即将计算机上制作的零件三维模型，进行网格化处理并存储，对其进行分层处理，得到各层截面的二维轮廓信息，按照这些轮廓信息自动生成加工路径，由成型头在控制系统的控制下，选择性地固化或切割一层层的成型材料，形成各个截面轮廓薄片，并逐步顺序叠加成三维坯件.然后进行坯件的后处理，形成零件。快速成型的工艺过程具体如下：1)产品三维模型的构建。由于RP系统是由三维CAD模型直接驱动，因此首先要构建所加工工件的三维CAD模型。该三维CAD模型可以利用计算机辅助设计软件(如Pro/E，I-DEAS，Solid Works，UG等)直接构建，也可以将已有产品的二维图样进行转换而形成三维模型，或对产品实体进行激光扫描、CT断层扫描，得到点云数据，然后利用反求工程的方法来构造三维模型。2)三维模型的近似处理。由于产品往往有一些不规则的自由曲面，加工前要对模型进行近似处理，以方便后续的数据处理工作。由于STL格式文件格式简单、实用，目前已经成为快速成型领域的准标准接口文件。它是用一系列的小三角形平面来逼近原来的模型，每个小三角形用3个顶点坐标和一个法向量来描述，三角形的大小可以根据精度要求进行选择。典型的CAD软件都带有转换和输出STL格式文件的功能。3)三维模型的切片处理。根据被加工模型的特征选择合适的加工方向，在成型高度方向上用一系列一定间隔的平面切割近似后的模型，以便提取截面的轮廓信息。4)成型加工。根据切片处理的截面轮廓，在计算机控制下，相应的成型头(激光头或喷头)按各截面轮廓信息做扫描运动，在工作台上一层一层地堆积材料，然后将各层相粘结，最终得到原型产品。5)成型零件的后处理。从成型系统里取出成型件，进行打磨、抛光、涂挂，或放在高温炉中进行后烧结，进一步提高其强度。快速成型特术具有的重要特征：1)可以制造任意复杂的三维几何实体。2)快速性。通过对一个CAD模型的修改或重组就可获得一个新零件的设计和加工信息。从几个小时到几十个小时就可制造出零件，具有快速制造的突出特点。3)高度柔性。无需任何专用夹具或工具即可完成复杂的制造过程，快速制造工模具、原型或零件。4)快速成型技术实现了机械工程学科多年来追求的两大先进目标.即材料的提取(气、液固相)过程与制造过程一体化和设计(CAD)与制造(CAM)一体化。5)与反求工程(ReverseEngineering)、CAD技术、网络技术、虚拟现实等相结合，成为产品决速开发的有力工具。快速成型技术根据成型方法可分为两类：基于激光及其他光源的成型技术(Laser Technology)，例如：光固化成型(SLA)、分层实体制造(LOM)、选域激光粉末烧结(SLS)、形状沉积成型(SDM)等；基于喷射的成型技术(Jetting Technoloy)，例如：熔融沉积成型(FDM)、三维印刷(3DP)、多相喷射沉积(MJD)。其中FDM(熔融沉积成型)工艺是由美国学者Scott Crump于1988年研制成功。FDM的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、尼龙等。以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结。目前较常用的快速成型技术，尤其是国内是采用三维打印机的方式。三维打印机都是国外品牌，按产品的强度和用途大致分为两个方向；一种用于模型展示，强度低，一般用淀粉或些柔软弹性较大材料做出成品，颜色多样可选择，如美国3D PRINTER等；另一种就是工业塑料模型，强度高，接近塑料件的强度，直接可使用，强调采用单一的工程塑料粉末做原料，原料价格昂贵，如DIMENSION。三维打印机采用工程塑料进行喷涂粉末，再加热成型的方式。优点是操作简单，一般办公室人员无须培训，只要有一定格式的三维建模图就可以操作；缺点是耗材价格昂贵，只能用指定的材料，必须要向专业生产的公司购买，打印成本高。虽然快速成型技术应用的领域非常广泛，但是快速成型设备使用的耗材成本昂贵，阻止了快速成型技术的推广。
【发明内容】
本发明的目地在于克服上述技术的不足，而提供一种数控塑料薄层沉积铸型机，成型可选用多种塑料的颗粒母料，克服必须指定材料，导致耗材价格昂贵的缺陷；采用原料垂直移动注塑并与工作台移动组成复合式空间运动轨迹，形成立体塑料堆积工件及伴随塑料模型。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种数控塑料薄层沉积铸型机，包括成型头和机床底座，其特征是：所述机床底座上固定带有横梁的垂直支架，所述垂直支架上设有X轴向移动及Z轴向移动的成型头，所述机床底座上设有Y轴向移动式工作台。
所述垂直支架的横梁上固接导轨，与导轨滑动连接的导板前端垂直固接有连接板，所述连接板上固接丝母，丝母与支承在横梁上的丝杠螺接呈X轴向传动，所述连接板上固接有拖板副，所述拖板副的上拖板固接成型头，下拖板与丝杠副传动连接呈Z轴向传动。
所述成型头由伺服电机和塑料挤出机构成，所述伺服电机输出轴与塑料挤出机的挤出绞龙轴连接。
所述成型头由注塑薄板内、外边界的挤出机和注塑薄板边界区域内的挤出机两个成型头构成。
所述移动式工作台上固接丝母，丝母与支承在机床底座上的丝杠螺接并通过导轨滑动呈Y轴向传动。
所述丝杠为滚珠丝杠。
所述垂直支架为龙门式支架或悬臂式支架。
本发明有益效果：铸型机采用原料垂直移动注塑并与工作台移动组成复合式空间运动轨迹，形成立体塑料堆积工件及伴随塑料模型。它可以直接使用PP、PE、ABS等多种塑料颗粒为原料，降低生产成本；同时还可以伴随塑料模具，使工件的尺寸精度提高(误差不大于0.04mm)；相对低温的工件在成型时产生缺陷可以利用伴随塑料模具进行烘烤，使工件在精确的伴随塑料模具内融化后又成型，消除了工件缺陷。原料也可以多次往复使用。
【附图说明】
图1是本发明的结构示意图。
图中：1.机床底座，2.龙门式支架，3.X轴向滚珠丝杠，4.横梁，5.导轨，5-1.导板，6.伺服电机，7.拖板副，7-1.上拖板，7-2.下拖板，8.塑料挤出机，8-1.挤出绞龙轴，9.工作台，10.Y轴向滚珠丝杠，11.Z轴向丝杠副，12.塑料挤出机，13.成型头，14.连接板。
【具体实施方式】
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
详见附图，一种数控塑料薄层沉积铸型机，包括成型头和机床底座1，所述机床底座上固定带有横梁4的垂直支架，所述垂直支架为龙门式支架2或悬臂式支架。所述垂直支架上设有X轴向移动及Z轴向移动的成型头13，所述机床底座上设有Y轴向移动式工作台9。所述垂直支架的横梁上固接导轨5，与导轨滑动连接的导板5-1前端垂直固接有连接板14，所述连接板上固接丝母(图中未示)，丝母与支承在横梁上的丝杠螺接3，可以带动连接板及固接起上面的成型头整体呈X轴向传动，所述连接板上固接有拖板副7，所述拖板副的上拖板7-1固接成型头，下拖板7-2与丝杠副11传动连接，可以带动成型头呈Z轴向传动。所述成型头13由伺服电机6和塑料挤出机构成，所述伺服电机输出轴与塑料挤出机的挤出绞龙轴8-1连接。所述成型头由注塑薄板内、外边界的挤出机8和注塑薄板边界区域内的挤出机12两个成型头构成。所述移动式工作台上固接丝母(图中未示)，丝母与支承在机床底座上的丝杠10螺接并通过导轨滑动，使工作台沿Y轴向移动。所述丝杠为滚珠丝杠。所述垂直支架为龙门式支架或悬臂式支架。
工作原理：将电脑CAM软件将模型虚拟分割成若干层后的轨迹运动程序文件输出到设备，利用两台或多台塑料炼化设备将不同的塑料颗粒原料加热并塑化到液态，与三轴数控联动设备空间轨迹运动形成立体塑料堆积工件及伴随塑料模型。
工作流程
电脑三维建模-电脑轨迹后处理程序输出-数控塑料薄层沉积铸型机接收-运行程序-产品成型-烘烤-剥离-最终产品。
先由电脑用三维绘图软件如MATSTECAM，UG，PRO/E等绘制出三维模型图，将X、Y、Z三个方向的运动轨迹后处理成为机床PLC所能接受的程序文件，用DNC的方式传递给数控塑料薄层沉积铸型机，安装在拖板上的塑料挤出机，在滚珠丝杠的带动下，在Z轴方向上下运动，安装在横梁滑动导轨5上的拖板7，在滚珠丝杠3的带动下，沿X方向左右运动，安装在机床底座1上的工作台9，在滚珠丝杠10的带动下沿Y方向前后移动，构成了三维空间运动。动力来源于伺服电机，由PLC控制系统控制，传动机构都为滚珠丝杠，在程序指令的控制下做三轴联动。将挤出机8和挤出机12按设定的温度升温，在温度达到设定温度后继续保温半小时至一小时，随后向挤出机8和挤出机1 2的进料口内由自动上料机(图中未示)注入不同材质的塑料(例如8里面加入LCP颗粒熔化温度300-425℃；12里面加入苯乙烯颗粒熔化温度：180-280℃，利用两种塑料的温差)颗粒，挤出机8和挤出机12在伺服电机的控制下使塑料塑化并熔融。挤出机8下降并喷出液态的塑料到工作台的拖盘(图中未示)上，迅速冷却形成薄层塑料薄板，该薄板的外沿作为内边界，挤出机8扩大挤出区域再次形成薄板，该薄板的内沿作为外边界，挤出机8上升，完成工作。挤出12下降并在挤出机8制造的两个薄板形成的内外边界内灌注不同材质的塑料，当厚度等同于挤出机8制造的薄板时停止并上升完成一次循环。如此多次的往复，累积叠加后成立体工件及由累积叠加的内外边界薄板则形成伴随塑料模具。随后，在烘箱里将该工件及伴随塑料模具按设定温度烘烤一小时后取出，剥离伴随塑料模具即得到替代模具注塑的塑料工件。
下面通过实施例，说明该项技术在产品开发过程中起的作用。
1.设计验证：用于新产品外观设计玲证和结构设计验证，找出设计缺陷，完善产品设计。在现代产品设计中，设计手段日趋先进，计算机辅助设计使得产品设计快捷、直观，但由于软件和硬件的局限，设计人员仍无法直观地评价所设计产品的效果和结构的合理性以及生产工艺的可行性。快速成型技术为设计人员迅速得到产品样品，直观评判产品提供了先进的技术手段。我公司为某摩托车生产厂新型250摩托车制作的覆盖件样件，包括油箱、前后挡板、车座和侧盖等共13件。采用AFS成型技术，仅用12天就完成了全部制作。设计人员将样件装在车体上，经过认真评价和反复比较，对产品的外观做了重新修改，达到了理想状态。这一验证过程，使设计更趋完美，避免了盲目投产造成的浪费。
2.装配验证：制出样品实件，进行装配实验。天津某公司委托我方加工传真机外壳及电话。用户不仅要进行外观评价，而且要将传真机的内部部件装入样件中，进行装配实验和结构评价。该公司首先选择传统加工方法，分块加工，手工粘结，仅加工一套电话听筒就耗资肆仟元，耗时20天。预计制作传真机样品需2个月，费用为2.5万元。我公司用快速成型技术，仅用15天就将该产品一套共六件交给委托方。用户在装配实验中发现了7处装配干涉和结构不合理处。将前后两种方法相比，传真机BABS塑料组装样件传统加工方法工序繁多，手工拼接费时、费力，材料浪费大、加工周期长。对复杂的结构和曲面，加工粗糙，尺寸精度低，制作的实物模型与设计模型之间不能建立一一对应的关系，因而在装配实验中很难检查出设计错误。而自动成型法，高度自动化，一次成型，周期短，精度高，与设计模型之间具有一一对应的关系，更适合样品组装件的生产和制造。
3.功能验证：我公司为某摩托车厂制作250型双缸摩托车汽缸头。这是一款新设计的发动机，用户需要10件样品进行发动机的模拟实验。该零件具有复杂的内部结构，传统机加工无法加工，只能呆用铸造成型。整个过程需经过开模、制芯、组模、浇铸、喷砂和机加等工序，与实际生产过程相同。其中仅开模一项就需三个月时间。这对于小批量的样品制作无论在时间上还是成木上都是难以接受的。我们采用选区激光烧结技术，以精铸熔模材料为成型材料，在快速成型机上仅用5天即加工出该零件的10件铸造熔模，再经熔模铸造工艺，10天后得到了铸造毛坯。经过必要的机加工，30天即完成了此款发动机的试制。
4.翻模成型：实际应用上，很多产品必须通过模具才能加工出来。用成型机先制作出产品样件再翻制模具，是一种既省时又节省费用的方法。发动机泵壳原型件产品用传统机加工方法很难加工，必须通过模具成型。据估算，开模时间要8个月，费用至少30万。如果产品设计有误，整套模具就全部报废。我们用快速成型法为该产品制作了塑料样件，作为模具母模用于翻制硅胶模。将该母模固定于铝标准模框中，浇入配好的硅橡胶，静置12-20小时，硅橡胶完全固化，打开模框，取出硅橡胶用刀沿预定分型线划开，将母模取出，用于浇铸泵壳蜡型的硅胶模即翻制成功。通过该模制出蜡型，经过涂壳、焙烧、失蜡、加压浇铸、喷砂，一件合格的泵壳铸件在短短的两个月内制造出来，经过必要的机加工，即可装机运行，使整个试制周期比传统方法缩短了三分之二，费用节省了四分之三。
5.样品制作：制造产品替代品，用于展示新产品，进行市场宣传，如通讯、家电及建筑模型制作。
6.工艺和材料验证：快速制作各种蜡模，用于精铸新工艺和新型材料的摸索、验证以及新产品制造所需辅助工具及部件的试验。近无余量精铸叶片的实验品。首先按不同收缩率用成型机一次制作几个叶片蜡模，然后涂壳、编号、失蜡铸造。将所得叶片铸件进行测量，反复几次即可确定不同材料无余量精铸收缩率，为批量生产奠定基础。如果用开模具的办法进行此项试验，其费用和周期都将大大增加。发动机高速涡轮，要求材质高，铸件密实。使用激光快速自动成型机，制作精铸用蜡模四个，编号涂壳，使用不同配比特殊合金，分别浇铸，对所得四件样品进行测试，分别加以比较分析，即确定材料最佳配方。从制模到取得结果仅需一个月。
7.反求工程与快速成型：成型机成型的一件摩托车的前面板样件，面板上包含了一个前大灯和二个侧灯的外罩，它们与面板构成一个完整的曲面。这是一个用反向工程进行零件详细设计的典型实例。整个工艺过程是首先由模型工根据摩托车的整体形象要求用油泥制作概念模型，经评审满意后用三座标测量仪进行数值化，测量数据用Pro/E软件的Scantools模块进行整理并转换成曲面模型，再转换成实体模型并进″细节″计。糟加筋、孔和车孔的轮廓等结构，最后由成型机制作出样件模型，经过打磨和喷漆的处理后装在摩托车上进行外观、装配等检验，整个过程从完成三座标测量到得到样件仅用一周时间。此时得到的样件模型不同于最初的油泥模型，而成为与实际零件壁厚、尺寸一致，筋、孔等结构齐全的零件模型，这比油泥模型无疑是一个很大的进步。如果这时需对模型进行修改，只需在CAD系统上就可完成。当模型的外观和细部结构确定无误后，就可利用最后的模型数据进行模具设计和加工。
以上所述，仅是发明的较佳实施例而已，并非对发明的结构作任何形式上的限制。凡是依据发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于发明的技术方案的范围内。