一种基于曲面切向壳型增长的增材制造方法与流程

本发明属于增材制造技术领域，涉及一种沿着曲面切向壳型增长的增材制造方法。

背景技术：

增材制造(也称3d打印)，一般是将一个形状复杂的三维几何实体，分割成一层层具有简单轮廓的薄层切片，先将最底层切片的形状制作出来，然后自下而上将切片逐层加工并叠加累积起来，即可制造出三维实体零件。

常见的增材制造方法有sla法、fdm法、sls法等，其主要工艺原理概述如下。

sla法，是最早发展起来的快速成型技术。它以光敏树脂为原料，通过计算机控制紫外激光，按零件的各分层截面信息在光敏树脂表面进行逐点扫描。被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。一层固化完成后，工作台下移一个层厚的距离，以使在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，如此重复，直至得到三维实体模型。

fdm法，将丝状的热熔性材料加热融化，同时三维喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息，将材料选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后，机器工作台下降一个高度(即分层厚度)再成型下一层，直至形成整个实体造型。、

sls法，将粉末铺平，激光束在计算机控制下，根据分层截面信息进行有选择地烧结，一层完成后再进行下一层烧结，全部烧结完后去掉多余的粉末，则就可以得到一个烧结好的零件。

基于“分层切片-逐层累加”原理，增材制造方法把零件形状的复杂性跟制造难度和成本割裂开来，在原理上可制备任意复杂形状。但是其制造周期较长，另外制品表面存在较为明显的台阶效应。为了减少台阶效应，一般采用减少层厚的方法，这又降低了成型效率，增加成型时间。在工业生产中，对于复杂曲面或结构产品，若能实现速度快、精度高，对于提高生产效率和产品质量，增强产品的市场竞争力，将具有重要意义。

技术实现要素：

本发明提供了一种沿着曲面切向进行壳型增长的增材制造方法。

本发明的技术方案包括以下步骤：

步骤1：应用三维造型软件，绘制产品的三维cad模型。

步骤2：对该三维cad模型进行处理，获得该三维cad模型轮廓面的各层加工轮廓线，加工工具侧面与轮廓面相切，加工轮廓线间距根据曲面特点和实际成型需要确定，轮廓线信息包括点的坐标值(x轮廓线、y轮廓线、z轮廓线)及加工方向等，各层加工轮廓线为后续加工时挤出口的运动轨迹线。

步骤3：成型机构具有多轴运动功能，可调节挤出口的坐标位置和角度，以及挤出口控制片的长度，在成型过程中，根据自下而上的顺序进行壳体成型；根据各层的加工轮廓线信息，调节成型装置各轴的运动，使得挤出口一侧控制片的端部与上一层已成型壳体顶部端点接触(若挤出口按第一层轮廓线运动，控制片端部则与基底接触)，另一侧控制片端部调整至上一层已成型壳体的上表面或其延长线位置，通过挤出口控制片(可看作成小线段)逼近曲线来形成产品轮廓，同时可以避免成型材料被挤出时从侧向流出。

步骤4：将壳体的成型材料(例如粉体、粘结剂等)混合均匀，通过挤出口将成型材料挤出，成型材料与上一层已成型壳体粘结(若挤出口按第一层轮廓线运动，挤出材料则与基底粘结)，成型材料将待成型空间填满后，挤出口向前移动，直至完成一层轮廓壳的成型；壳体的成型材料在粘结固化后具有一定的强度，以保证成型过程中壳体尺寸及结构的稳定性。

步骤5：重复步骤3至步骤4，完成整个模型的成型过程。

本发明的效果和益处是：

(1)成型速度快。该方法的成型区域为产品的轮廓，通过壳型方法实现，成型区域小，因此，成型速度快、效率高。

(2)成型精度高。成型轮廓的剖面，可以看作是由折线段连接而成，即通过逼近曲线的方法，实现曲面造型，避免了台阶效应，因此，曲面表面精度高。

(3)应用潜力大。在进行曲面切向壳型成型的同时，可将壳型内侧或外侧填充，以增强成型件的强度或扩大成型件的应用范围。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

图2为本发明的装备系统示意图。

图3为本发明的实施例的尺寸图(葫芦形复杂曲面)。

图4为本发明的实施例的制备过程示意图。

图中，1多轴运动系统；2成型原料供料系统；3成型材料混合挤出机构；4挤出口控制片；5成型平台；6成型材料混合挤出机构(实施例)；7待挤出成型材料(实施例)；8挤出口控制片(实施例)；9待成型区域(实施例)；10已成型壳体区域(实施例)；11壳体上下层交界面(实施例)；12壳体的内表面(实施例)；13壳体的外轮廓面(实施例)。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明，本发明包含但不仅限于下述实施例。

1、基于nx、creo等三维造型软件，设计某一产品的3d实体模型(图2)，由图示可知，该模型具有复杂的曲面形状。

2对该三维cad模型进行处理，得到该模型的外轮廓面的各层加工轮廓线，每层轮廓线包括各点的坐标值及加工方向等信息内容，加工轮廓线为后续加工时挤出口的运动轨迹线。

3、根据各层加工轮廓线信息，调节成型机构各轴的运动，该成型装备应具备多轴运动功能，以保证挤出口能够快捷的调整到指定的位置和角度。为了保证该产品外壳的精度和光洁度，将挤出口外侧控制片的端部调整至上一层材料外轮廓的顶点位置，挤出口内侧控制片端部对应调整至上一层已成型壳体的上表面或其延长线位置。

4、将混合好的待成型材料(可由小颗粒与粘结剂组成)从挤出口挤出，并与上一层已成型的壳体上表面粘结，待其将对应的需成型空间填满时，挤出口向前移动，成型材料随后逐步固化，成型的壳体具有一定的强度。

5、重复上述运动，直至将整个产品完成成型，获得如图3所示的产品成型件，该产品外表面尺寸精度、光洁度均较高。