多种材料快速原型成型装置及方法与流程

本发明涉及多种材料快速原型成型装置及方法，属于快速原型成型技术领域。

背景技术：

快速原型成型工艺广为人知，如采用己知的分层制造技术，以一层接一层顺序堆积的许多层逐渐形成制品，如金属铸模、原型件等。这种方法的一种变体被称为SLA系统，比如，中国专利《数字投影光固化快速成型装置及方法》，公开号为CN 1850494A；及中国专利《采用投影技术的快速成型的方法》，公开号为CN100391721C；它们采用计算机控制的聚焦UV激光扫描可光聚合液体聚合物，如光敏树脂的液面，选择性地使聚合物聚合，形成第一固体聚合物层。随后该固体聚合物层沉入聚合物池中，这样一层新的液体聚合物层覆盖了固体层。再次利用激光聚合工艺来产生第二固体聚合物层，如此往复，直到多次叠合的固体聚合物层形成所需的制品。

分层制造技术的另一种变体被称做选择性激光烧结SLS工艺，其中计算机控制的激光束使疏松压实粉末，如塑料、金属、陶瓷、蜡等的复合层选定区域逐层烧结，直至整个制品全部构造完成。公开号为CN1205951C的中国专利《一种直接制造金属零件的快速成形系统》认为，在上述制造过程中如果将金属粉末完全熔融，则该方法应与普通激光烧结区分开来，称为选择性激光融化SLM；也有文献中称其为直接金属激光烧结——Direct metal laser sintering，DMLS；此处对SLS和SLM不加区分，均称为选择性激光烧结。

分层制造的另外一种变体被称为三维打印快速造型——Three Dimensional Printing，3DP技术，也称为三维喷涂粘结，它是由计算机控制的喷墨打印设备实现，例如连续喷射型或按需滴落型打印设备，具体有两种实现形式：第一种方式中，设备根据计算机指定的图案从一个或多个喷嘴中将粘合剂流喷到第一层疏松颗粒的选定区域。然后，疏松颗粒的第二层置于第一层的顶上，同时随着第一层的形状，喷墨机有选择地喷出粘合剂流到第二层颗粒上。再加热或干燥使粘合剂固化后，即可形成所需的三维形体。第二种方式中，喷墨打印机直喷出的液滴，比如光敏树脂，通过光照、加热等方式直接逐层固化为三维形体。

分层制造技术的另一种变体被称做叠层实体制造LOM，原理是根据零件分层几何信息切割箔材，最常用的原料是纸，将所获得的层片粘接成三维实体。制造时首先铺上一层涂有热熔胶的箔材，然后用激光在计算机控制下切出本层轮廓，非零件部分全部切碎以便于去除。当一层完成后，再铺上一层箔材，用滚子碾压并加热，以固化黏结剂，使新铺上的一层牢固地粘接在已成形体上，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零件。分层制造的实现除了上述主要方式外，还有选择性融覆，也称焊接堆积。

传统的快速原型成型和制造方法存在以下问题：

产品材质单一：现有技术中，大多不能实现在同一成品中包含多种不同功能性材料。部分可以实现多材料成型的，材料种类也十分有限，选择性融覆方法只能在产品中使用熔点相近的金属材料，熔融沉积方法FDM则只能在同一产品中使用不同类型的热熔性高分子材料，但都无法实现材料类型的多样化，如金属-陶瓷复合材料。

成型形状受限：很多现有快速成型方法无法制造任意复杂形状的产品，如选择性熔覆受限于熔融金属液滴堆积的工艺，不能制造含有悬空结构的零件，比如悬臂梁、伞状结构；LOM方法不能制造含有复杂腔体的零件；这使得传统快速原型成型和制造方法能够生产的产品受到很大限制。

成型精度不高：传统快速成型的技术，例如选择性熔覆技术受限于液滴自由滴落的工艺，无法实现精确的三维成型，现有基于焊接堆积的多金属直接快速成型装置，要求在成型过程中同步进行高速铣削加工以提高产品精度，这又给成型形状带来了限制，并且增加了设备实现难度和成本。

后处理繁琐：传统快速成型后的装置需要手工去除残余材料和支撑材料，效率较低且难以自动化。

技术实现要素：

本发明目的是为了解决现有快速成型技术的产品材质单一、成型形状受限并且成型精度低的问题，提供了一种多种材料快速原型成型装置及方法。

本发明所述多种材料快速原型成型装置，它包括机架、供料驱动机、输料头、料仓、回收腔、导轨、残料清除机、刮平机、成型腔、光源、导光系统、成像系统和控制器，

机架的中心区域设置成型腔，成型腔底部由可控制升降的活塞支撑；机架的一端靠近边框设置供料驱动机，供料驱动机的输出端连接输料头，输料头的出料口位置对应于成型腔；位于供料驱动机内侧，沿与所述边框平行的方向设置多个料仓与回收腔，每个料仓通过输料管路连接输料头；

机架的另一端靠近边框沿与边框平行的方向设置导轨，导轨上连接残料清除机，机架的另一端在成型腔外围框架上还设置刮平机；

与成型腔对应的上空设置光源、导光系统和成像系统，光源发出的光线依次经导光系统和成像系统后，照射成型腔上当前成型分层的待成型区；

控制器用于控制各受控组件的工作状态。

本发明所述多种材料快速原型成型方法，包括下面两种技术方案：

第一种为：多种材料快速原型成型方法，该成型方法基于多种材料快速原型成型装置实现，该成型方法为两种结构材料的成型方法；它包括以下步骤：

步骤一：使用图形软件生成待成型产品的三维模型，并将三维模型分割成多个分部，标记各分部采用的结构材料；

步骤二：将三维模型保存为标准的增材制造文件格式，并记录与三维模型对应的分部形状、材料及颜色信息；

步骤三：使用三维切片软件将步骤二中的三维模型切割分层，再根据各个分层的结构材料生成快速成型的分层控制指令文件，分层控制指令文件包括下述信息：

a.采用SLA方式对各分层进行固化或烧结时的光束扫描运动轨迹或光线投影图案；

b.各个分层的结构材料成型特性所决定的参数；

c.各个分层的结构材料物理化学特性所决定的参数；

步骤四：控制器控制供料驱动机驱动输料头，并控制输料头输送结构材料A至当前成型分层的工作区间并刮平，然后根据分层控制指令文件控制使光源通过导光系统和成像系统后确定当前待成型区，对当前待成型区进行烧结或固化；

步骤五：采用残料清除机清除残余结构材料A；

步骤六：控制输料头输送结构材料B至当前成型分层的当前剩余工作区间并刮平，然后根据分层控制指令文件控制使光源通过导光系统和成像系统后确定当前待成型区，对当前待成型区进行烧结或固化；

步骤七：采用残料清除机清除残余结构材料B；

步骤八：控制输料头输送支撑材料至当前成型分层的当前剩余工作区间并刮平，然后根据分层控制指令文件控制使光源通过导光系统和成像系统后确定当前待成型区，对当前待成型区进行烧结或固化；

步骤九：将成型腔下降一个分层高度的工作空间，重复步骤四至步骤八，直至完成待成型产品的全部成型过程；

步骤十：待成型产品的全部成型完成后，根据支撑材料的特性，通过加热、溶解、腐蚀、光照、剥离或敲碎，去除支撑材料，完成待成型产品的原型成型。

第二种为：多种材料快速原型成型方法，该成型方法基于多种材料快速原型成型装置实现，该成型方法为两种结构材料的成型方法；它包括以下步骤：

步骤一：使用图形软件生成待成型产品的三维模型，并将三维模型分割成多个分部，标记各分部采用的结构材料；

步骤二：将三维模型保存为标准的增材制造文件格式，并记录与三维模型对应的分部形状、材料及颜色信息；

步骤三：使用三维切片软件将步骤二中的三维模型切割分层，再根据各个分层的结构材料生成快速成型的分层控制指令文件，分层控制指令文件包括下述信息：

a.采用SLA方式对各分层进行固化或烧结时的光束扫描运动轨迹或光线投影图案；

b.各个分层的结构材料成型特性所决定的参数；

c.各个分层的结构材料物理化学特性所决定的参数；

步骤四：控制器控制供料驱动机驱动输料头，并控制输料头输送支撑材料至当前成型分层的整个工作区间并刮平，然后根据分层控制指令文件控制使光源通过导光系统和成像系统后，对整个工作区间进行烧结或固化；

步骤五：控制器根据分层控制指令文件通过控制使光源通过导光系统和成像系统后，对当前整个工作区间中结构材料A的成型区域进行选择性气化；

步骤六：控制器控制输料头输送结构材料A至当前成型区域并刮平，然后根据分层控制指令文件使光源通过导光系统和成像系统后，对当前成型区域进行烧结或固化；

步骤七：控制器根据分层控制指令文件通过控制使光源通过导光系统和成像系统后，对当前整个工作区间中结构材料B的成型区域进行选择性气化；

步骤八：控制器控制输料头输送结构材料B至当前成型区域并刮平，然后根据分层控制指令文件使光源通过导光系统和成像系统后，对当前成型区域进行烧结或固化；

步骤九：将成型腔下降一个分层高度的工作空间，重复步骤四至步骤八，直至完成待成型产品的全部成型过程；

步骤十：待成型产品的全部成型完成后，根据支撑材料的特性，通过加热、溶解、腐蚀、光照、剥离或敲碎，去除支撑材料，完成待成型产品的原型成型。

本发明的优点：本发明装置用于生产三维物体，突破了现有设备的局限性。它弥补了传统快速原型成型技术的不足，实现了任意形状高精度复合材料快速原型成型和制造，可以显著扩大快速原型成型方法生产产品的范围，极大提高产品性能。

本发明方法通过选区烧结、固化和气化及其组合的方式，可实现最终产品由多种材料组成的快速成型。

具体如下：

1、材料多样化：本发明可以自由组合多种结构材料制成产品，支持金属材料、可烧结的无机非金属材料、可烧结或固化的高分子材料间的组合，如多种金属复合材料，金属-陶瓷嵌合复合材料，金属-高分子嵌合复合材料，无机非金属-高分子嵌合复合材料等。

2、实现任意形状产品制造：本发明方法可以自动生成支撑材料，可以制造任意形状的产品，如包含复杂腔体或悬空部分的产品。

3、高精度成型：本发明的成型精度不低于传统SLS的典型精度约0.15mm和SLA的典型精度0.02mm，显著高于选择性熔覆的典型精度1mm，且由于使用烧结或固化工艺，没有FDM或LOM的阶梯效应。

4、后处理简单：本发明制造的产品支撑材料去除方法采用加热、溶解、腐蚀、光照、剥离或敲碎等，与铸造的脱模工艺基本相同，工艺简单，效率高且容易实现自动化。

附图说明

图1是本发明所述多种材料快速原型成型装置的结构示意图；

图2是具体实施方式二步骤四所述输送结构材料A至当前成型分层的工作区间并刮平的结构示意图；其中右斜线表示结构材料A；

图3是具体实施方式二步骤四中确定结构材料A的当前待成型区并进行烧结或固化的结构示意图；其中斜交叉线表示已固化的结构材料A；

图4是具体实施方式二步骤五中清除残余结构材料A后的结构示意图；

图5是具体实施方式二步骤六中所述输送结构材料B至当前成型分层的当前剩余工作区间并刮平的结构示意图；其中竖线表示结构材料B；

图6是具体实施方式二步骤六中确定结构材料B的当前待成型区并进行烧结或固化的结构示意图；其中网格线表示已固化的结构材料B；

图7是具体实施方式二步骤七中清除残余结构材料B后的结构示意图；

图8是具体实施方式二步骤八中所述输送支撑材料至当前成型分层的当前剩余工作区间并刮平的结构示意图；其中左斜线表示支撑材料；

图9是具体实施方式二步骤八中确定支撑材料的当前待成型区并进行烧结或固化的结构示意图；其中左斜线灰色区域表示已固化的支撑材料；

图10是具体实施方式二的两个成型分层成型后的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述多种材料快速原型成型装置，它包括机架1、供料驱动机2、输料头3、料仓4、回收腔5、导轨6、残料清除机7、刮平机8、成型腔9、光源10、导光系统11、成像系统12和控制器，

机架1的中心区域设置成型腔9，成型腔9底部由可控制升降的活塞支撑；机架1的一端靠近边框设置供料驱动机2，供料驱动机2的输出端连接输料头3，输料头3的出料口位置对应于成型腔9；位于供料驱动机2内侧，沿与所述边框平行的方向设置多个料仓4与回收腔5，每个料仓4通过输料管路连接输料头3；

机架1的另一端靠近边框沿与边框平行的方向设置导轨6，导轨6上连接残料清除机7，机架1的另一端在成型腔9外围框架上还设置刮平机8；

与成型腔9对应的上空设置光源10、导光系统11和成像系统12，光源10发出的光线依次经导光系统11和成像系统12后，照射成型腔9上当前成型分层的待成型区；

控制器用于控制各受控组件的工作状态。

它还包括控温系统，控温系统用于成型腔9上待成型产品成型过程中的加热或冷却。

光源10可以包含一个或多个，光源可以是激光器，要求其波长在270nm——11μm；也可以是LED、金卤灯、高压汞灯或氙灯；导光系统11可通过折射、反射及分光方式实现光束的传递，其包含必要的扩束、准直及汇聚组件。成型腔9与成像系统12均属于成型装置，成像系统12可以为一套或多套，成型装置还包括带有加热和/或冷却功能的控温系统，以及空气净化系统。成像系统以扫描或投影方式工作，扫描可以通过振镜实现，也可以通过移动导光系统输出的光束位置实现；投影可通过对DMD、LCos及其他反射元器件成像，也可以通过对LCD透射元器件成像或OLED、荧光屏及其他自发光元器件成像。成型腔上表面为工作平面，工作平面上已成型部分的上表面空间为工作空间。刮平机8沿导轨往复运动将工作表面刮平。

供料装置包含一个以上料仓4，由控制器选择一个或多个料仓中的原料，控制供料驱动机2带动输料头3将原料输送到工作表面并由刮平机8刮平。原料可包含粉末、膏状材料和液体材料，其中一种或几种原料称为支撑材料，其他一种或多种材料用于形成产品结构，称为结构材料。支撑材料具有某些相变特性，可以在温度、光线、电磁场或溶剂作用下在粉末、固体、膏、液体及气体间发生转换，且这种转换不会影响已成型结构材料的稳定性。这些相变特性可包含较低的熔点、熔化热、较低的烧结温度或较小的烧结能量、较低的沸点或汽化热、容易被某些溶剂溶解、容易烘干形成固体，容易被某些溶剂浸泡软化，可在可见光或电磁场作用下分解，在可见光或电磁场作用下可由固体转化为液体等属性。

残料回收装置由回收腔5及残料清除机7组成，残料清除机7通过吹风、冲洗或吸附的方法将工作空间中保持原始状态的原料清除，送至回收腔中。吸附可以采用真空吸附，静电吸附或磁力吸附。控制器根据需要清除的残料种类，选择与之对应的清除残余原料的装置和方法。残料清除机7在导轨6上移动，完成各种运动功能。

控制器用于控制各组件的运动、光源的输出功率、成像系统的输出图形、控温系统的加热功率和冷却流量，吹风装置和冲淋装置的流量/压力以及吸附装置的输入功率。

具体实施方式二：下面结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式所述多种材料快速原型成型方法，该成型方法基于多种材料快速原型成型装置实现，该成型方法为两种结构材料的成型方法；它包括以下步骤：

步骤一：使用图形软件生成待成型产品的三维模型，并将三维模型分割成多个分部，标记各分部采用的结构材料；

步骤二：将三维模型保存为标准的增材制造文件格式，并记录与三维模型对应的分部形状、材料及颜色信息；

步骤三：使用三维切片软件将步骤二中的三维模型切割分层，再根据各个分层的结构材料生成快速成型的分层控制指令文件，分层控制指令文件包括下述信息：

a.采用SLA方式对各分层进行固化或烧结时的光束扫描运动轨迹或光线投影图案；

b.各个分层的结构材料成型特性所决定的参数；

c.各个分层的结构材料物理化学特性所决定的参数；

步骤四：控制器控制供料驱动机2驱动输料头3，并控制输料头3输送结构材料A至当前成型分层的工作区间并刮平，然后根据分层控制指令文件控制使光源10通过导光系统11和成像系统12后确定当前待成型区，对当前待成型区进行烧结或固化；

步骤五：采用残料清除机7清除残余结构材料A；

步骤六：控制输料头3输送结构材料B至当前成型分层的当前剩余工作区间并刮平，然后根据分层控制指令文件控制使光源10通过导光系统11和成像系统12后确定当前待成型区，对当前待成型区进行烧结或固化；

步骤七：采用残料清除机7清除残余结构材料B；

步骤八：控制输料头3输送支撑材料至当前成型分层的当前剩余工作区间并刮平，然后根据分层控制指令文件控制使光源10通过导光系统11和成像系统12后确定当前待成型区，对当前待成型区进行烧结或固化；

步骤九：将成型腔9下降一个分层高度的工作空间，重复步骤四至步骤八，直至完成待成型产品的全部成型过程；

步骤十：待成型产品的全部成型完成后，根据支撑材料的特性，通过加热、溶解、腐蚀、光照、剥离或敲碎，去除支撑材料，完成待成型产品的原型成型。

图形软件可以采用CAD软件；结构材料成型特性所决定的参数包括：温度、光源功率、曝光时间、冷却时间和扫描光束移动速度等参数；结构材料物理化学特性所决定的参数包括：残料清除机7的运动速度、吸附功率、吹风或冲淋的压力和流量等。

本实施方式中，重复步骤四至步骤八，可在一个分层中完成多种结构材料的成型。如果成型的结构材料没有全部覆盖该层，则输送支撑材料至工作空间并刮平，对其进行烧结或固化，由于支撑材料的特性，这一过程不会影响本层的结构材料。使用扫描方式对支撑材料进行激光选区烧结或固化时，为提高效率，在支撑材料刮平后，可将成型腔活塞下降一段距离，以使激光光斑变大，迅速完成整个平面的扫描。

在工艺需要时，可使用残料清除机7清除刮平过程中粘附在结构材料表面的支撑材料，也可采用激光选区气化方式对其进行清除。

具体实施方式三：下面结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式所述多种材料快速原型成型方法，该成型方法基于多种材料快速原型成型装置实现，该成型方法为两种结构材料的成型方法；它包括以下步骤：

步骤一：使用图形软件生成待成型产品的三维模型，并将三维模型分割成多个分部，标记各分部采用的结构材料；

步骤二：将三维模型保存为标准的增材制造文件格式，并记录与三维模型对应的分部形状、材料及颜色信息；

步骤三：使用三维切片软件将步骤二中的三维模型切割分层，再根据各个分层的结构材料生成快速成型的分层控制指令文件，分层控制指令文件包括下述信息：

a.采用SLA方式对各分层进行固化或烧结时的光束扫描运动轨迹或光线投影图案；

b.各个分层的结构材料成型特性所决定的参数；

c.各个分层的结构材料物理化学特性所决定的参数；

步骤四：控制器控制供料驱动机2驱动输料头3，并控制输料头3输送支撑材料至当前成型分层的整个工作区间并刮平，然后根据分层控制指令文件控制使光源10通过导光系统11和成像系统12后，对整个工作区间进行烧结或固化；

步骤五：控制器根据分层控制指令文件通过控制使光源10通过导光系统11和成像系统12后，对当前整个工作区间中结构材料A的成型区域进行选择性气化；

步骤六：控制器控制输料头3输送结构材料A至当前成型区域并刮平，然后根据分层控制指令文件使光源10通过导光系统11和成像系统12后，对当前成型区域进行烧结或固化；

步骤七：控制器根据分层控制指令文件通过控制使光源10通过导光系统11和成像系统12后，对当前整个工作区间中结构材料B的成型区域进行选择性气化；

步骤八：控制器控制输料头3输送结构材料B至当前成型区域并刮平，然后根据分层控制指令文件使光源10通过导光系统11和成像系统12后，对当前成型区域进行烧结或固化；

步骤九：将成型腔9下降一个分层高度的工作空间，重复步骤四至步骤八，直至完成待成型产品的全部成型过程；

步骤十：待成型产品的全部成型完成后，根据支撑材料的特性，通过加热、溶解、腐蚀、光照、剥离或敲碎，去除支撑材料，完成待成型产品的原型成型。

本实施方式的步骤四中光源10可采用激光器，由激光器发出的激光经过导光系统后到达成型装置的扫描系统，对工作空间的全部原料进行烧结或固化。使用扫描方式对支撑材料进行激光选区烧结或固化时，为提高效率，在支撑材料刮平后，可将成型腔活塞下降一段距离，以使激光光斑变大，迅速完成整个平面的扫描。步骤五中由激光器发出的激光经过导光系统后到达成型装置的扫描系统，对工作空间中结构材料A的成型区域进行选择性气化。若前一步调整了活塞位置，在选择性气化前应首先将活塞恢复原位。重复步骤四至步骤八，可在一个分层中完成多种结构材料的成型。

具体实施方式二和三的两种成型模式在层内和层间可进行组合，例如一层内可先采用第一种模式完成若干种材料的成型，然后采用第二种模式继续完成若干种材料的成型；在一个产品中也可以使用一种模式完成某些层的成型，用另一种模式完成其他层的成型。

本发明方法用于超过两种结构材料成型产品时，成型过程与上述相类同。