专利名称：快速成形装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种快速成形装置，特别是一种反应注射式快速成形装置。
快速成形(Rapid Prototyping)是近几年发展起来的一种高新技术，它将计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机数字控制(CNC)、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体，依据计算机上构造的产品三维设计模型，对其进行分层切片，得到各截面的二维轮廓。按照这些轮廓，成形头(激光束或热喷头)选择性地使原材料(液态光敏树脂、塑料、纸等)构成二维成形片层，并逐步叠加成三维产品。
由于快速成形将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合，因此，它不必采用传统的加工机床和模具，只需传统加工方法30～50％的工时和20～35％的成本，就能直接制造产品样品或模具。所以，快速成形已成为现代先进制造的支柱技术，并行工程(CE)的必不可少的手段，又快、又省地试制高性能新产品的必需装备。运一技术的成功应用将极大地提升制造业的设计、制造水平，显著地增强企业的市场竞争能力。
现有的快速成形装置主要有以下几种(1)激光固化液态光敏树脂装置(SLA)；(2)激光切割纸装置(LOM)；(3)激光烧结粉末材料装置(SLS)；(4)热熔覆塑料丝装置(FDM)；和(5)喷射熔化塑料粉装置(TDP)。其中，激光切割纸装置的成形件为纸质，不能直接得到塑料产品；激光固化液态光敏树脂装置利用光化学作用，直接使特殊的单组份光敏树脂固化，其原材料价格昂贵，成形件看起来像塑料，但机械性能远不如真正工业塑料(例如ABS)；只有激光烧结粉末材料装置、热熔覆塑料丝装置和喷射熔化塑料粉装置的成形件可以达到如同ABS等工业塑料类似的机械性能。由于愈来愈多的工业产品的零件采用塑料件，因此，许多快速成形装置的用户对这后三种装置有很大的兴趣。
然而，激光烧结粉末材料装置、热熔覆塑料丝装置和喷射熔化塑料粉装置存在如下缺点(1)它们是用一种外加能源(激光或热)产生的高温，直接使原材料熔合成形，因此能源消耗较大(特别是制作中大型零件的装置更为突出)，从而使装置的制造成本和运行成本大大增加。例如，美国DTM公司生产的Sinterstation2000型装置仅能成形φ300mm×380mm的塑料件，但售价很高，难于推广应用。(2)采用的原材料价格昂贵。由于装置采用的塑料粉(或丝)并非普通热注塑用的工业塑料，而是特殊配置、生产的一种低熔点塑料，价格昂贵。例如，装置采用的类似于ABS的塑料丝原材料价格很高。
所以，上述三种快速成形装置比较适合制作小型塑料产品，不利于制作中大型塑料产品。
本实用新型的目的是提供一种快速成形装置，它不必采用外加激光源和热源，而是依靠两组分原材料的反应作用，就能够迅速地形成产品的二维截面轮廓，并且最终叠加成三维的塑料件。
为实现上述目的，本实用新型提供一种快速成形装置，包括一个第一液体原材料供应装置，用于存储和供应一第一液体原材料；一个具有一内腔和一注射头的成形头，该内腔接受来自第一液体原材料供应装置的第一液体原材料一驱动装置，用于可操控地驱动成形头在X-Y二维平面的运动，以及垂直于X-Y平面的Z方向的运动，其中，所述快速成形装置还包括一个第二液体原材料供应装置，用于存储和供应一第二液体原材料，其将第二液体原材料供应给所述成形头的内腔，使得第一和第二液体原材料在该内腔中混合并由成形头的注射头喷射出来，并快速反应固化。
上述快速成形装置可以包括一个废料收集装置，用于收集成形头注射的多余的液体原材料，以及堵塞的成形头。
最好是，所述成形头的内腔中还设有一混合装置，用以将所述第一和第二液体原材料均匀混合。该混合装置可以为一由电机驱动的螺旋件，其由电机经过一软轴带动旋转。
最好是，所述第一和第二液体原材料供应装置按照一预定的流量比将第一和第二液体原材料供应给成形头的内腔。
最好是，所述第一和第二液体原材料供应装置包括用于存储第一和第二液体原材料的储料箱；用于将储料箱中的液体原材料提供到成形头的第一和第二泵；用于将第一和第二泵分别与储料箱及成形头的内腔连通的管线；以及与所述第一和第二泵相连并用于驱动所述第一和第二泵的电机，其中，所述电机与所述第一和第二泵之间的传动采用可调节的啮合机构，以便调节所述第一和第二泵的流量比。最好是，所述可调节的啮合机构包括一个所述第一泵驱动轴上的可更换的齿形皮带轮；一个所述第二泵驱动轴上的可更换的齿形皮带轮；一个所述电机的齿形皮带轮；以及与各个齿形皮带轮啮合的齿形皮带。最好是，所述第一和第二液体原材料供应装置还包括一个与所述第一泵和成形头的内腔之间的管线相连的一个第一溢流阀及第一带电控触头的压力表；和一个与所述第二泵和成形头的内腔之间的管线相连的一个第二溢流阀及第二带电控触头的压力表，当成形头堵塞时，所述第一和第二泵与成形头连通的管线的压力迅速升高，第一和第二液体原材料分别从所述溢流阀流回各自的第一和第二储料箱，同时发出报警信号，控制成形头运动至废料收集装置的上方，以便更换成形头。
根据本实用新型的快速成形装置，适合于成形各种尺寸的塑料产品，并且不需要额外的激光或热固化过程即可以获得所需的产品。
通过
以下结合附图对优选实施例的描述，本实用新型会更易于理解。附图中
图1示出了本实用新型的快速成形装置的优选实施例的结构示意图；图2A示出了本实用新型的快速成形装置的优选实施例的原材料供应装置的一种实施方式示意图；图2B示出了本实用新型的快速成形装置的优选实施例的原材料供应装置的另一种实施方式的示意图；图3示出了本实用新型的快速成形装置的优选实施例的成形头的结构示意图；图4A示出了本实用新型的快速成形装置的优选实施例的驱动装置的X和Y方向驱动方式的示意图；图4B示出了本实用新型的快速成形装置的优选实施例的驱动装置的Z方向驱动方式的示意图。
如
图1所示，本实用新型的快速成形装置包括一个第一液体原材料供应装置10A，用于存储和供应一第一液体原材料A；一个第二液体原材料供应装置10B，用于存储和供应一第二液体原材料B；一个具有一内腔31和一注射头32的成形头30，该内腔31接受来自第一和第二液体原材料供应装置10A和10B的第一和第二液体原材料A和B；以及一个驱动装置20，用于可操控地驱动成形头30在X-Y平面的二维方向运动。第一和第二原材料A和B是可以互相反应固化的，从而它们在内腔31内混合，并随着从注射头32排出快速固化。在此优选实施例中的快速成形装置还包括一个与驱动装置20相连的刮刀36，它能跟随成形头30作X方向的运动，以便刮平正在固化的原材料；和一个废料收集装置37，用于收集成形头30注射的多余的液体材料以及堵塞的成形头。
参见图2A，根据本实用新型的一个优选实施例的第一和第二液体原材料供应装置10A和10B分别包括用于存储第一和第二液体原材料的储料箱11A和11B；用于将储料箱中的液体原材料供应给成形头的第一和第二泵13A和13B；用于将第一和第二泵13A和13B分别与储料箱及成形头30的内腔连通的管线15A、15B、15C和15D；以及用于驱动所述第一和第二泵13A和13B的电机14。其中电机14与第一和第二泵13A和13B之间的传动最好采用可调节的啮合机构，以便调节所述第一和第二泵的流量比。例如，在图2A所示的实施例中，所述可调节的啮合机构包括一个第一泵驱动轴上的可更换的齿形皮带轮16A；一个第二泵驱动轴上的可更换的齿形皮带轮16B；一个电机驱动轴上的齿形皮带轮16；以及与各个齿形皮带轮啮合的齿形皮带18。通过更换齿形皮带轮16A和16B，可以方便地调节第一泵13A和第二泵13B的转速比和流量比。
在图2A中还示出了一个张紧轮17，其用于张紧齿形皮带18，以利于齿形皮带轮与齿形皮带之间的啮合以及齿形皮带轮的更换。
图2B示出了第一和第二液体原材料供应装置的另一种结构的原理图，这里也称为全液压式供应装置。该装置包括用于存储第一和第二液体原材料A和B的第一和第二储料箱11A和11B；由电动机14驱动的第一和第二泵13A和13B，储料箱11A和11B分别与所述第一和第二泵13A和13B相连的管线15A和15C，所述第一和第二泵13A和13B分别与成形头30的内腔连通的管线15B、15D；在第一和第二泵与成形头连通的管线15B和15D上设置的第一和第二溢流阀19C和19D，以及第一和第二带电控触头的压力表19A、19B。当成形头30堵塞时，所述第一和第二泵与成形头连通的管线15B和15D的压力迅速升高，第一和第二液体原材料A和B分别从所述溢流阀19C和19D流回各自的第一和第二储料箱11A和11B，同时发出报警信号，控制成形头30运动至废料收集装置的上方，以便更换成形头。
请参照图3，其示出根据本实用新型的一个优选实施例的快速成形装置的成形头30的结构示意图。该成形头30包括一个内腔31和注射头32，内腔31分别通过所述管线15B和15D接受来自第一和第二液体原材料供应装置10A和10B的原材料A和B。在该优选实施例中，内腔31中还设有一个用来混合第一和第二原材料A和B的混合装置33。在图示的结构中，混合装置由螺旋件33A和通过一软轴33B相连的电机(未图示)构成，从而使得第一和第二原材料A和B在内腔31中充分混合并向注射头32推进。注射头32与内腔31连通，并具有一合适的注射口34。成形头30还包括一个固定夹35，用来与驱动装置20相连。
下面结合
图1并重点参照图4A和4B来描述驱动装置20的基本结构。成形头30通过固定夹35与Y方向导轨25Y滑动连接，并与一Y方向齿形皮带23Y相连。Y方向步进电机21Y经Y方向传动机构24Y和方形轴22Y，驱动Y方向齿形皮带23Y，并操控成形头30在Y方向的运动。Y方向导轨25Y还与X方向导轨25X滑动连接，并与一X方向齿形皮带23X相连。X方向步进电机21X经X方向传动机构22X，驱动X方向齿形皮带23X，并操控成形头30在X方向运动。
另外，工件(未示出)一层层地逐步在一个工作台26上叠加成形，见图4B。工作台26通过丝杆22Z、导轨25Z，被Z方向步进电机21Z驱动，从而正在成形的工件可通过控制步进电机21Z，可操控地在Z方向逐步向下运动。
下面描述本实用新型的操作过程。通过事先设计的程序，可以控制成形头30首先在X-Y平面内按照预定的轨迹和预定的速度作二维的运动，然后工作台在Z方向自上向下移动一定的距离，并重复上述过程，从而进行快速成形。当成形头在X-Y平面移动的同时，经混合的第一和第二液体原材料A和B从注射头32射出，并因互相反应而迅速固化，从而形成一个二维截面轮廓。然后工作台在Z方向自上向下移动一定距离后，成形头30再在X-Y平面以相同或不同的轨迹运动，形成又一层二维截面轮廓。从而可根据预先设计实现快速成形。
本实用新型不局限与上述优选实施例，本领域的技术人员可以在此基础上作出各种变形，例如两种液体原材料可以改为可能的三种或多种等等，其也应当在本实用新型的保护范围内。
权利要求1.一种快速成形装置，包括一个第一液体原材料供应装置，用于存储和供应一第一液体原材料(A)；一个具有一内腔和一注射头的成形头，该内腔接受来自第一液体原材料供应装置的第一液体原材料(A)；一套驱动装置，用于可操控地驱动成形头在X-Y二维平面的运动，以及一工作台面垂直于X-Y平面的Z方向的运动，其特征在于，所述快速成形装置还包括一个第二液体原材料供应装置，用于存储和供应一第二液体原材料(B)，其将第二液体原材料(B)供应给所述成形头的内腔，使得第一和第二液体原材料在该内腔中混合并由注射头喷射出来，并快速反应固化。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述成形头的内腔中还设有一混合装置，用以将所述第一和第二液体原材料均匀混合。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述混合装置为一由电机驱动的螺旋件，其由电机经过一软轴带动旋转。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第二液体原材料供应装置按照一预定的流量比将第一和第二液体原材料供应给成形头的内腔。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第二液体原材料供应装置包括用于存储第一和第二液体原材料的储料箱；用于将储料箱中的液体原材料提供到成形头的第一和第二泵；用于将第一和第二泵分别与储料箱及成形头的内腔连通的管线；以及通过一传动机构与所述第一和第二泵啮合并用于驱动所述第一和第二泵的电机，其中，所述电机与所述第一和第二泵的啮合采用可调节的啮合机构，以便调节所述第一和第二泵的流量比。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述可调节的啮合机构包括一个安装在所述第一泵驱动轴上的可更换的齿形皮带轮；一个安装在所述第二泵的驱动轴上的可更换的齿形皮带轮；一个安装在所述电机的驱动轴上的齿形皮带轮；以及与各个齿形皮带轮啮合的齿形皮带。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第二液体原材料供应装置包括用于存储第一和第二液体原材料的储料箱；用于将储料箱中的液体原材料提供到成形头的第一和第二泵；用于将第一和第二泵分别与储料箱及成形头连通的管线；与所述第一和第二泵相连并用于驱动所述第一和第二泵的电机；以及在第一和第二泵与成形头的连通管线上设置的溢流阀和带电控触头的压力表。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述快速成形装置包括一个废料收集装置，用于收集成形头注射的多余的液体原材料，以及堵塞的成形头。
9.根据权利要求1或8所述的装置，其特征在于，所述快速成形装置包括一个与驱动装置相连的刮刀，以跟随成形头作X方向的运动而刮平正在固化的原材料。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，在第一和第二泵与成形头的连通管线上设置有溢流阀和带电控触头的压力表。
专利摘要一种快速成形装置，包括第一液体原材料供应装置，用于存储和供应第一液体原材料；具有内腔和注射头的成形头，该内腔接受来自第一液体原材料供应装置的原材料；一套驱动装置，用于可操控地驱动成形头在二维平面的运动，以及一工作台面在垂直方向的运动，其中该装置还包括第二液体原材料供应装置，其将第二液体原材料供应给成形头的内腔，使得第一和第二液体原材料在内腔中混合并由注射头喷射出来，并快速反应固化。
文档编号B29C69/02GK2335774SQ9820907
公开日1999年9月1日 申请日期1998年4月8日 优先权日1998年4月8日
发明者王运赣, 林国才, 尹希猛, 骆际焕, 杨贺彤, 刘皓, 秦钢林, 牧青 申请人:精技私人有限公司