预分割快速原型制造方法

1、一种预分割快速原型制造方法，包括以下步骤：
(1)首先铺上一层层片材料；
(2)然后用刀具在计算机控制下，按照设定好的网格形式对该层进行预分割；
(3)用粘接的方法使新铺上的经过预分割后的一层牢固的固定在已成型体上；
(4)然后用刀具在计算机控制下切出本层轮廓，非零件部分全部切成网格小块以便 于切除；
(5)当本层完成后，再铺上一层新层片材料，(1)-(4)如此反复直到加工完毕；
(6)最后去除多余部分以得到完整的原型零件。

本发明属于快速原型工艺技术领域，特别涉及连续层片堆积的快速原型工艺的改良。
目前世界上连续层片堆积的快速原型工艺(Rapid Prototyping Technology)都遵 循着统一原理，即根据零件连续的分层几何信息切割箔材(如纸、陶瓷片、金属薄片等)， 将所获层片粘结成三维实体。具体工艺过程如图1所示，首先铺上一层箔材，然后用刀具 (如激光、刻刀等)在计算机控制下切出本层轮廓，非零件部分全部切碎成小块以便于 切除。当本层完成后，再铺上一层箔材，用粘接或连接的方法(如加热加压)，使新铺上 的一层牢固的固定在已成型体上，再切割该层的轮廓，如此反复直到加工完毕。最后去 除切碎部分以得到完整的原型零件。
在上述分层制造过程中，当新层21堆积在已存在旧层22上时，就在内部形成了残 余应力。这个残余应力的产生是由于新层21都要经过凝固和冷却的收缩过程或经过周期 性大压力施加的过程。于是已存在的层22中的残余应力和由于新层21的收缩就引起了 两层之间的弯曲，如图2所示。但是当型长小于400mm时，这个问题基本显现不出来， 而当型长增大，尤其是当型长超过800mm以后，由于零件的尺寸越大，层间的粘接面积 就越大，片层材料的可靠粘接与原型的变形控制就越困难。上述所示的变形就显得特别 突出，它不仅影响了零件的精度强度，而且会严重影响制造过程的正常进行，导致无法 做出符合要求的原型零件。
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种预分割快速原型制造方法，在 原有技术的基础上添加了一个预分割的工艺过程，使片层材料粘接可靠，原型的变形小， 生产的零件的精度高、强度大，可将快速成形技术应用在大型模具制造领域，具有广阔 的发展前景。
本发明提出的一种预分割快速原型制造方法，包括以下步骤：
(1)先铺上一层层片材料；
(2)然后用刀具在计算机控制下，按照设定好的一些网格形式对该层进行预分割；
(3)用粘接的方法使新铺上的经过预分割后的一层牢固的固定在已成型体上；
(4)然后用刀具在计算机控制下切出本层轮廓，非零件部分全部切成网格小块以便 于切除；
(5)当本层完成后，再铺上一层新层片材料，(1)-(4)如此反复直到加工完毕；
(6)最后去除多余部分以得到完整的原型零件；
本发明的成形材料可为箔材如纸、陶瓷片、塑料薄膜、金属薄片等。粘接方式可采 用预涂敷粘接剂、实时涂敷粘接剂、机械连接等多种方式。
本发明的优点是：在新层片材料与已有材料层粘接或连接之前，先用刀具将新层片 材料进行预分割成多个小部分。由于大的成型材料被间接的分成一些小的部分 (＜400mm)，所以就能较好的控制零件的变形，不再出现弯曲开裂等现象。
附图简要说明：
图1为已有的一种连续层片堆积的快速原型工艺方法流程图。
图2为采用已有的工艺方法中材料的变形示意图。
图3为本发明的一种预分割快速原型制造方法流程图。
图4为本发明进行预分割的层片材料实施方式例一示意图。
图5为本发明进行预分割的层片材料实施方式例二示意图。
图6为本发明进行预分割的层片材料实施方式例三示意图。
图7为本发明进行预分割的层片材料实施方式例四示意图。
图8为本发明进行预分割的层片材料实施方式例五示意图。
图9为本发明进行预分割的层片材料实施方式例六示意图。
图10为本发明进行预分割的层片材料实施方式例七示意图。
图11为本发明进行预分割的层片材料实施方式例八示意图。
图12为本发明实施预分割的成形件侧面示意图例。
图13为本发明进行预分割快速原形制造成形工艺过程示意图例。
本发明提出的预分割快速原型制造方法实施例结合各附图详细说明如下：
本实施例采用涂覆纸作为成形材料，采用热压板加热加压的粘接方式。
本实施例采用SSM1600超大型快速分层实体制造设备，此超大型快速成形系统采用 先进的并行加工方式，为世界最大的快速成型设备，可成型零件的最大尺寸为1600mm× 800mm×700mm(长×宽×高)，适用于制造大规模快速原型。该设备采用分布式控制系统， 两套独立的控制系统控制两套独立的激光系统，两套精巧设计的独立运动机构，并行扫 描加工。
本实施例的预分割快速原型制造方法如图3所示，包括以下步骤：
(1)首先铺上一层层片材料；
(2)然后用刀具在计算机控制下，按照设定好的网格形式对该层进行预分割；
(3)用粘接或连接的方法使新铺上的经过预分割后的一层牢固的固定在已成型体 上；
(4)然后用刀具在计算机控制下切出本层轮廓，非零件部分全部切成网格小块以便 于切除；
(5)当本层完成后，再铺上一层新层片材料，(1)-(4)如此反复直到加工完毕；
(6)最后去除多余部分以得到完整的原型零件；
本发明的预分割的网格形式可采用多种具体的实施方案，归纳起来，比较典型的可 有如下一些网格形式，分别描述如下：
实施方式例一如图4所示，为纵向连续分割网格形式，图中41为新的一层层片材 料，42为预分割网格线，它是使用刀具对新的一层层片材料沿纵向方向进行连续切割， 形成多条间隔一定距离的连续的直线型刀缝，43为成形件边框位置(此时还未切割，为 双点划线)，尺寸L1为网格线42的纵向间距，可根据具体情况在程序中设定为任意值。
实施方式例二如图5所示，为纵向间断分割网格形式，图中51为新的一层层片材 料，52为预分割网格线，它是使用刀具对新的一层层片材料沿纵向方向进行间断切割， 形成多条间隔一定距离的间断的点划线型刀缝，53为成形件边框位置(此时还未切割， 为双点划线)，尺寸L2、L3为网格线52的纵向和横向间距，可根据具体情况在程序中 设定为任意值。
实施方式例三如图6所示，为横向连续分割网格形式，图中61为新的一层层片材 料，62为预分割网格线，它是使用刀具对新的一层层片材料沿横向方向进行连续切割， 形成多条间隔一定距离的连续的直线型刀缝，63为成形件边框位置(此时还未切割，为 双点划线)，尺寸L4为网格线62的横向间距，可根据具体情况在程序中设定为任意值。
实施方式例四如图7所示，为横向间断分割网格形式，图中71为新的一层层片材 料，72为预分割网格线，它是使用刀具对新的一层层片材料沿横向方向进行间断切割， 形成多条间隔一定距离的间断的点划线型刀缝，73为成形件边框位置(此时还未切割， 为双点划线)，尺寸L5、L6为网格线72的纵向和横向间距，可根据具体情况在程序中 设定为任意值。
实施方式例五如图8所示，为斜向连续分割网格形式，图中81为新的一层层片材 料，82为预分割网格线，它是使用刀具对新的一层层片材料沿斜向进行连续切割，形成 多条间隔一定距离的连续的斜直线型刀缝，83为成形件边框位置(此时还未切割，为双 点划线)，尺寸L7为网格线82的斜向间距，A1为预分割网格线的倾斜角度，可根据具 体情况在程序中设定为任意值。
实施方式例六如图9所示，为斜向间断分割网格形式，图中91为新的一层层片材 料，92为预分割网格线，它是使用刀具对新的一层层片材料沿斜向进行间断切割，形成 多条间隔一定距离的间断的斜点划线型刀缝，93为成形件边框位置(此时还未切割，为 双点划线)，尺寸L8、L9为网格线92的交叉间距，A2为预分割网格线的倾斜角度，可 根据具体情况在程序中设定为任意值。
实施方式例七如图10所示，为交叉连续分割网格形式，图中101为新的一层层片 材料，102为预分割网格线，它是使用刀具对新的一层层片材料沿纵、横、斜的交叉方 向进行连续切割，形成多条间隔一定距离的连续的交叉直线型刀缝，103为成形件边框 位置(此时还未切割，为双点划线)，尺寸L10、L11为网格线102的交叉间距，可根据 具体情况在程序中设定为任意值。
实施方式例八如图11所示，为交叉间断分割网格形式，图中111为新的一层层片 材料，112为预分割网格线，它是使用刀具对新的一层层片材料沿纵、横、斜的交叉方 向进行间断切割，形成多条间隔一定距离的间断的交叉点划线型刀缝，113为成形件边 框位置(此时还未切割，为双点划线)，尺寸L12、L13、L14、L15为网格线112的交叉 间距，A3、A4为预分割网格线的倾斜角度，可根据具体情况在程序中设定为任意值。
本发明根据实际工艺的不同要求，可采用不同的网格形式来进行预分割，更多的网 格形式在此不再列举，可根据具体情况灵活划分。
图12为预分割后成形件的侧面示意图，图中121为工作台基底，122为已成形件， 尺寸H1，H2表示在成形件高度方向上可采取的相同预分割网格的层数，可根据具体情况 在程序中设定为任意值。尺寸L1，L2表示在成形件长度方向上可采取的不同的预分割网 格间距，也可根据具体情况在程序中设定为任意值。L1，L2应取为不同的值，防止在成 型后零件被分割。
本实施例的工艺过程如图13所示，包括以下步骤：
(1)料带移动，使新的料带131移到已成形工件132上方，如图13(a)所示；
(2)工作台往上升，CO2双激光系统133按上述预分割方式，对新铺上的料带进行预 分割，如图13(b)所示；
(3)热压板134移到工件上方；当工件顶起新的料带，并由位移传感器测量所应移动 到的位置，既焦点平面后，工作台停止移动；热压板单向碾压新的堆积材料，将 最上面的一层新材料与下面的工件粘接起来，添加一层新层，如图13(c)所示；
(4)系统根据工作台停止的位置，测出工件的高度，并反馈回计算机；计算机根据当 前零件的加工高度，计算出三维形体模型的交截面；交截面的轮廓信息输入到控 制系统中，控制CO2双激光系统沿截面轮廓切割，如图13(d)所示，激光的功率 设置在只能切透一层材料的功率值上。轮廓外面的材料用激光切成方形的网格， 以便在工艺完成后分离；
(5)工作台向下移动，使刚切割的新层与料带135分离，如图13(e)所示；
(6)料带移动一段比切割下的工件截面稍长一点的距离，并绕在复卷辊上，如图13(f) 所示；
重复上述工艺过程，直到所有的截面都切割并粘接上，所得到的是包含零件的方 体。零件周围的材料由于激光的网格式切割，而被分割成一些小的方块条，能容易从零 件上分离，最后得到三维的实体零件。
利用此方法，在上述条件下，一次性成形了零件尺寸为1300mm×300mm×50mm(长 ×宽×高)的世界上最长的纸原型。