专利名称：一种金属首饰快速设计与制造方法
技术领域：
本发明涉及一种设计与制造方法，特别是一种金属首饰快速设计与制造方法。具体是指金属首饰的逆向工程RE、快速成形RP和快速模具RT的制造方法。属于金属首饰产品的快速制模方法创新技术。
背景技术：
随着生活水平和审美观念的不断提高，消费者不仅看重金属首饰的保值功能，更注重其流行款式及制造精美程度。大部分的首饰设计师采用传统的正向设计，设计周期长、市场响应速度慢，难以适应消费者追求首饰款式流行时尚的要求。目前我国金属首饰加工行业的模具制造一般从起版、雕蜡或者首饰CAD建模开始，其制模流程图如图I。 起版和雕蜡主要是手工制作，起版师运用锯、锉、焊接和雕刻等传统工艺进行制作，将设计师设计的作品由图纸变为实物，起版质量的好坏直接关系到金属首饰制模质量，但制作的产品研制周期长，原模精度低和对称性差；首饰CAD建模的原模对称性好，但快速响应市场能力较差。另外在快速模具过程中没有经过铸造过程模拟和进行铸造工艺参数优化，容易造成铸造变形、缩孔和缩松等铸造缺陷。
发明内容
本发明的目的是克服上述金属首饰设计制造的缺点，发明一种制模精度高、可再创新设计和优化铸造结构的金属首饰快速设计与制造方法，原模精度高和对称性好，可以极大降低开发成本、缩短开发周期和快速响应市场。本发明的一种金属首饰快速设计与制造方法，其特征在于它包括以下步骤I.采用激光三维扫描仪测量和获取金属首饰的空间点云数据，并进行预处理，数据文件格式为ASC ；2.采用面向快速成形的逆向工程软件进行金属首饰逆向设计，建立金属首饰的精确CAD模型，模型文件格式是IGES ；3.根据流行趋势和设计风格，进行金属首饰正逆向混合建模实现再创新设计，得到金属首饰CAD模型，模型文件格式是IGES ；4.进行金属首饰CAD模型的铸造仿真模拟，修改铸模结构和优化铸造参数并进行结构优化设计，得到包含浇注结构的CAD模型，输出文件格式是IGES ；5.采用自适应直接切片方法，在相关的切片软件上进行金属首饰快速成形制造的切片处理、自动支撑设计和路径规划，输出文件格式是PRT ；6.采用不同溶点的复合蜡材料进行金属首饰快速成形原模制造，得到包含支撑结构、浇注和实体结构的蜡模组，采用化学浸泡法和加热法去除低溶点的支撑结构得到金属首饰的铸造原模组；7.采用已有方法完成快速模具的制造、真空铸造成形、冷却成形后破碎石膏模即得到金属首饰。上述步骤I金属首饰点云测量和获取方法包括接触式和非接触式采集，预处理包括点云去噪、拼合和对齐、数据精简、特征提取和数据分块等。上述步骤2金属首饰的逆向设计在逆向工程软件上进行，包括三角化剖分、逼近函数和插值点求取、曲面重构和CAD建模等步骤。步骤2采用延拓逼近曲面重构算法进行金属首饰逆向设计效果更佳。上述步骤3在计算机辅助设计软件对反求的CAD模型进行正向设计、修改再创新。上述步骤4利用铸造仿真软件进行铸造数值模拟，利用计算机辅助设计软件对金属首饰CAD模型进行修改。主要包括生成体网格、工艺参数设置、温度场的模拟与分析、凝固过程的模拟计算及分析和获得优化铸造模具结构等。
上述步骤5CAD模型文件导入快速成形切片软件，进行支撑设计、分层切片、数据精简和扫描路径生成等数据处理。步骤5采用自适应切片方法和水平层面的精确曲线轮廓重构算法，进行金属首饰快速成形制造的数据处理效果更佳。上述步骤6金属首饰的铸造原模组采用喷蜡快速成形系统进行快速成形加工。快速成形制造工艺为熔融沉积法，采用成形材料是复合蜡。步骤6采用本人自主开发的“一种珠宝首饰喷蜡快速成形系统”(专利号=ZL 201120135874. X)进行快速成形加工效果更佳。本发明的方法改变金属首饰传统的模具制造工艺，克服了手工制作起版和雕蜡工艺的与首饰CAD建模正向设计的缺点，采用正逆向混合设计建模方法，可以运用逆向工程并根据流行趋势和设计风格，迅速实现产品创新再设计，建模精度高和对称性好；通过铸造仿真软件优化铸造结构和浇注参数，得到金属首饰CAD优化设计模型，有效避免铸造缺陷；通过快速成形RP加工得到包含支撑结构、浇注和实体结构的精密蜡模组，最后进行金属首饰快速模具RT制造和真空铸造成形。形成包含逆向设计、快速成形和快速模具制造的闭环系统，可以极大缩短新产品的设计和研制周期，从而快速响应市场需求，提高产品竞争力。
图I是目前我国金属首饰加工行业制模流程图，图2是本发明一种金属首饰快速设计与制造方法的流程图。本发明的具体实施方法本发明的一种金属首饰快速设计与制造方法，其流程图如图2。具体实施步骤如下I.采用激光三维扫描仪测量和获取金属首饰原样的空间点云数据，进行数据预处理。其中包括激光三维扫描数据的采集、扫描数据预处理两个步骤。(I)激光三维扫描点云数据的采集。以款式日新月异的金属首饰为原件，使用具有强大数据采集功能的三维激光扫描系统进行旋转式和平面扫描，可对首饰棱角、指环上花纹等微小细节以及复杂曲面精确提取、快速获得高质量的点云数据。在测量过程中，为完整体现首饰几何特征和保持点云数据的完整性，注意反复试摆首饰，找到最佳测量视角；为了减少点云拼合复杂度，尽量减少调整首饰摆放位置的次数；另外要根据首饰形体曲率变化程度适当调整点云的采集密度。由于首饰体积小精度高，这里生成的是高密度点云即扫描线点云，点云间具有一定的拓扑关系O(2)扫描点云数据预处理。首饰原件经过扫描测量后，得到未经处理的高密度空间点云数据，由于测量误差、定位误差、待测物反射以及测量过程中随机因素等会对测量结果造成影响，利用这些数据进行后续的网格化、曲面重构和CAD模型时必然带来极大的设计误差，因此在CAD模型重构前应进行数据预处理，以保证采集数据的准确性。金属首饰测量点云的预处理主要包括点云滤波去噪、拼合和对齐、数据精简、特征提取和数据分块等。①点云去噪。不同类型的点云数据有不同的去噪方法，在选用时应该根据数据质量和建模方法 灵活选择滤波算法。目前点云去噪主要采用标准高斯、平均或中值滤波算法，其中高斯滤波能较好地保持原数据的形貌。对于金属首饰扫描线类型的点云数据，常采用半交互半自动的方法对测量数据进行调整处理。对首饰原件测量时的夹具或固定物等有明显形状特征点，以及明显的“跳点”和“坏点”等噪声点，需要人机交互剔除。首饰扫描线点云数据由于存在一定拓扑关系，属于有序点云，通常首饰存在大量间隙、棱角、花纹和台阶等细微结构，为了在滤波时能较好地保持原有数据的形状特征，这里采用高斯滤波去噪。应用高斯过滤时，远大于阈值的点被操作成固定端点，有助于识别间隙和端点。②点云拼合和对齐。被测原件通常要通过不同坐标系下三维扫描才能完成点云数据的测量工作，为了将数据点云重叠区域数据融合为一体，这些多视数据需要交换到同一个坐标系下进行多视数据的对齐。处理点云多视对齐的方式有两种，一是测量装置实现测量数据直接对齐，另一种是测量后数据处理对齐。因为采用金属首饰三维测量应用旋转式扫描，因此要采用第一种方式，即通过测量装置直接记录首饰扫描中的移动量和转动角度，通过测量软件直接对数据点进行运动补偿。三维扫描仪进行首饰旋转式扫描时，首饰放置于转盘上，转动转盘调整被测物体与视觉传感器的相对位置直至首饰扫描完毕，然后通过相关测量软件计算修正不同视图下的统一坐标数据，最后形成完整的首饰点云数据拼合和对齐。③数据精简。光学扫描设备常采集到大量密集的点云数据，但冗余数据在处理、存储、显示和传输过程中占用过多系统资源，减缓数据处理速度，严重影响后续相关算法的运算效率，故在满足一定的精度的条件下可以舍弃信息量小的数据点，实现点云数据精简。不同类型的点云可采用不同的简化方法，对扫描线点云可采取给定距离法简化、等量简化、弦偏差简化等方法。由于金属首饰属于曲率变化较大、细节特征多的点云，主要采用角度误差法和弓闻误差法进行精简。④特征提取和数据分块。特征提取就是将零件上的基本几何特征从空间点云中提取出来，特征提取主要根据给定曲率变化值，识别点云数据的棱边和坑孔等特征线，提取特征曲面之间的公共边界处的特征点。金属首饰属于扫描线点云，数据点之间已包含线性拓扑关系，扫描曲线上包含有反映首饰表面不连续变化的特征点。另外扫描曲线与毗邻扫描曲线的相关特征点存在一定几何关系，因此利用给定曲率变化值和扫描线点云的特征点关系，可容易提取首饰扫描点云的形状特征和界定边界。2.采用面向快速成形的相关曲面重构算法，在逆向工程软件上对经过预处理的金属首饰空间点云进行逆向设计，建立金属首饰的精确CAD模型，其中包括三角化剖分、逼近函数和插值点求取、曲面重构和CAD建模等步骤。经过步骤I预处理后的金属首饰空间点云数据导入逆向工程软件上对进行逆向设计。 首先，将经过预处理的点云数据映射到投影域进行三角化剖分，在定义域构造近似函数，先将定义域进行划分，得到η个互不重迭的子域，在不增加插值变量的情况下，令子域适当扩展到邻近的延拓域。为了能较好地反映逼近函数的趋势，在延拓域上构造逼近函数时，采用局部拟合逼近的方法。对边界上结点函数的逼近加以约束，使其在边界结点的逼近函数值与逼近函数已知值没有偏差，在延拓域上求得逼近函数。把这些逼近函数进行拼合，同样依次在每个区间上构造逼近函数，可以获得整域上的逼近函数，根据区间内的逼近函数和预处理后的扫描测量点求出的插值点，由这些点重构所需的首饰曲面，最后反求得到金属首饰CAD模型。3.根据流行趋势和设计风格，在计算机辅助设计软件对反求的CAD模型进行正向设计、修改再创新，得到创新的金属首饰CAD模型。将步骤2得到的金属首饰CAD模型文件导入正向设计软件，这里可以通过IGES格式进行交换。在对金属首饰模型要修改部分的基本曲面先构造出来，然后得出修改部分的特征曲线，最后利用工程软件的曲面功能得到修改后的首饰模型。计算机辅助设计软件提供了很多工具来建立和重新定义光滑的曲线和曲面，其中包括修改和定义曲面。在草图环境下，对金属首饰模型进行修改再创新，然后添加浇注系统等形成完整的首饰铸造CAD模型。4.首饰铸造CAD模型文件导入铸造仿真软件，对模型在铸造过程温度场和应力场进行数值模拟，得出了凝固曲线和铸模的应力变化趋势，结合铸模材料的力学性能，剖析铸模缺陷产生原因；利用计算机辅助设计软件优化设计铸模结构，得到新的金属首饰CAD模型。这里包括生成体网格、工艺参数设置、温度场的模拟与分析、凝固过程的模拟计算及分析和获得优化铸造模具结构等步骤。首先，首饰真空压铸实体模型的IGES格式文件导入进行网格划分和分析计算，在网格划分模块检查铸件CAD模型在导入过程中有无缺失部分，如有破面要进行修复。面网格检查无误后，生成体网格，文件格式是mesh。将生成的体网格文件导入到预铸造模块中，对材料、浇注温度和边界条件等工艺参数进行设置。首先进行温度场的模拟与分析，金属首饰的结构较细小和复杂，容易产生缩松和缩孔等缺陷，温度场的模拟有利于指导实际工艺。在铸造仿真软件的传热分析模块生成的温度场云图颜色表示温度数值的大小，图形显示金属首饰铸件材料的液相线和固相线。通过对铸件各部位的温度观察和分析，可以判断能够评价铸造工艺设计是否可行，包括浇注系统设计是否合理、是否容易出现卷气等铸造缺陷。然后进行凝固过程的模拟计算及分析，这里主要是分析是否容易出现缩松、缩孔、冷隔、热变形和气孔等铸造缺陷，以优化铸造工艺及改进模具结构。另外在凝固过程中还要考虑铸件工艺对凝固时间、力学性能和致密程度的影响，因为缩孔和热变形等铸造缺陷与凝固过程密切相关，一般情况下凝固完毕时瞬间固相率越低越好，瞬间温度差越小越好，另外减少凝固时间可以缩短单位生产周期，有效节省生产成本。然后得到最佳的铸造工艺参数、最优铸造工艺方案和优化铸造模具结构。最后导入计算机辅助设计软件优化铸模结构，经过修改得到新的金属首饰CAD模型。5.在快速成形制造之前，对金属首饰CAD模型进行支撑设计、分层切片、数据精简和扫描路径生成等数据处理。这里包括自适应分层切片、自动支撑设计和扫描路径规划等步骤。
首先CAD模型文件导入切片软件确定自适应分层厚度，以模型曲率变化最大方向作为成形件摆放方向，采用垂直切片轮廓线的点切线与水平分层面的切线角作为判断分层的依据，以提高分层精度与效率；然后根据确定的层厚切片得到离散数据点，重构水平分层面的精确曲线轮廓，考虑到后续数控插补的适应性，可以采用曲率连续的Clothoid曲线拟合算法重构曲线轮廓并得到拟合加工点，以精确逼近CAD层面轮廓。这里采用投影形状误差法进行自动支撑设计，当毗邻两层截面叠加时，其在投影域的形状误差超过一定阈值时，即在实体形成悬空部分就要设计支撑结构。因为每个分层截面的扫描加工可分为加工实体截面和加工支撑截面，即分层截面包括实体截面域和支撑体截面域，所以各层截面轮廓先进行内外边界的自动识别和提取。根据首饰每层实体域和支撑域的轮廓曲线、形状和面积等参数进行快速成形扫描路径规划，并优化扫描填充路径，最后生成的文件格式是PRT。6. PRT文件导入喷蜡快速成形系统，采用复合蜡材料进行层叠加工，最后得到金属首饰的铸造原模组。这里包括快速成形制造和蜡模后处理等步骤。将步骤5生成的文件导入喷蜡快速成形系统，对机器进行预热和调整，清洁和检测喷嘴，选择实体和支撑材料，设置环境温度、喷头温度和材料密度等工艺参数，然后开始加工。加工完毕后取下蜡模，放到配置好的溶蜡溶液中，在65°C -70°C之间进行加热，使溶点低的支撑蜡溶化，得到剩下实体和浇注结构的金属首饰的蜡模原模组。7.采用已有方法完成快速模具的制造、真空铸造成形、冷却成形后破碎石膏模即得到金属首饰。对所获得的蜡模原型组进行修模等后处理，使之达到作为母模所需的要求，完成快速模具的翻制。其中包括石膏灌浆、真空脱泡、自然干燥、焙烧、脱蜡和烘干等步骤。通过快速成形技术与传统的模具翻制技术相结合，进行间接快速模具制造，采用专门熔模铸造工艺以保证快速模具的表面质量、机械性能、使用寿命和经济性要求。进行石膏浆料的配置。对蜡模原型组进行称重，按I : 4的石膏和水的配比计算材料用量。先后把水和石膏放入搅拌机中，搅拌3分钟后，放入真空脱泡机进行脱泡。进行埋没作业。在蜡模原型组表面喷洒酒精，将不锈钢套筒套在蜡模原型组底座，将预先搅拌脱泡的石膏浆料倒入在不锈钢套筒内，并保持3分钟；为防止空洞的产生，增强快速模具的密度和强度，放入在真空脱泡机进行二次脱泡；将埋没好的石膏不锈钢套筒取出，在空气中自然干燥I到2个小时。石膏快速模具的焙烧、脱蜡和烘干。将自然干燥的石膏不锈钢套筒放入在回转式电炉中进行焙烧，注意要控制温度和时间。按照缓慢加热保温的原则，既彻底清除所有蜡的残留物，又要避免造成石膏模具变形或龟裂。停止加热后在炉子中自然降温，温度降至首饰铸造作业实用温度并保持。首饰金属材料加热熔化，将熔融金属浇注到石膏快速模型，进行真空浇铸得到金属首饰成品。这里包括真空浇铸、铸型冷却和去除和首饰毛坯后处理等步骤。根据蜡模原型组计算浇铸首饰金属材料用量，首饰金属放入坩埚充分熔解，这里要注意熔融温度控制。为了避免熔融金属的表面氧化，添加硼砂为覆盖物以隔离空气。设定真空铸造机的材料熔解温度、浇铸时间、浇铸压力和铸造后的静态保持时间等工艺参数。将预先加热至浇铸温度的石膏模具从回转式电炉中迅速取出放入铸造机，倒入熔融金属材 料进行浇铸作业。快速模具内的金属凝固后保持一定冷却时间，用油压机将石膏模型从石膏不锈钢套筒压出，敲碎石膏模具并取出首饰毛坯，投入冷却池里除去石膏。为彻底清除残存石膏，常用高压石膏清洗机进行冲刷。将清洗好的首饰毛坯用斜口钳子进行“摘果”，将单个首饰毛坯放入抛光机上进行打磨抛光，抛光盘上涂有抛光膏。然后将单个首饰毛坯挂在专用挂架，放入盛有专用洗涤剂的超声波清洗机进行清洗。经过严格质量检查，得到合格金属首饰成品。
权利要求
1.一种金属首饰快速设计与制造方法，其特征在于它包括以下步骤 (1)采用激光三维扫描仪测量和获取金属首饰的空间点云数据，并进行预处理，数据文件格式为ASC ； (2)采用面向快速成形的逆向工程软件进行金属首饰逆向设计，建立金属首饰的精确CAD模型，模型文件格式是IGES ； (3)根据流行趋势和设计风格，进行金属首饰正逆向混合建模实现再创新设计，得到金属首饰CAD模型，模型文件格式是IGES ； (4)进行金属首饰CAD模型的铸造仿真模拟，修改铸模结构和优化铸造参数并进行结构优化设计，得到包含浇注结构的CAD模型，输出文件格式是IGES ； (5)采用自适应直接切片方法，在相关的切片软件上进行金属首饰快速成形制造的切片处理、自动支撑设计和路径规划，输出文件格式是PRT ； (6)采用不同溶点的复合蜡材料进行金属首饰快速成形原模制造，得到包含支撑结构、浇注和实体结构的蜡模组，采用化学浸泡法和加热法去除低溶点的支撑结构得到金属首饰的铸造原模组； (7)采用已有方法完成快速模具的制造、真空铸造成形、冷却成形后破碎石膏模即得到金属首饰。
全文摘要
本发明一种金属首饰快速设计与制造方法，它改变金属首饰传统的模具制造工艺，克服了手工制作起版和雕蜡工艺的首饰CAD建模正向设计的缺点，采用正逆向混合设计建模方法，运用逆向工程RE对流行时尚的金属首饰快速提取点云数据并进行CAD建模，建模精度高且对称性好。设计师根据不同设计风格和审美习惯，迅速实现产品创新再设计；通过铸造仿真软件进行铸造模拟，优化铸造结构和浇注参数，得到金属首饰CAD优化设计模型；通过快速成形RP加工得到包含支撑结构、浇注和实体结构的精密蜡模组；最后进行金属首饰快速模具RT制造和真空铸造成形；形成包含逆向设计、快速成形和快速模具制造的闭环系统，可以极大缩短新产品的设计和研制周期，从而快速响应市场需求，提高产品竞争力。
文档编号B22C9/04GK102831262SQ20121027689
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月7日 优先权日2012年8月7日
发明者钟山 申请人:钟山