本发明专利技术公开了一种基于柱坐标的泡沫塑料材料三维快速成形方法及装置，根据零件形状特征，生成加工旋转轴，建立坐标原点在旋转轴上的柱坐标系统，将零件的直角坐标系ＣＡＤ模型转换成柱坐标系下的模型；再将零件ＳＴＬ文件格式的柱坐标系下模型按照定角度或定厚度切层形成特定的多层切层轮廓数据；在计算机控制下，通过本发明专利技术快速成形装置，按照切层加工路径控制热刀平面二维运动和泡沫塑料坯件的绕旋转轴运动，逐层非接触气化切割，最终一次整体成形三维零件。本发明专利技术使得单件或小批量的复杂形状泡沫塑料零件制造成本大大降低、加工精度和效率得到提高。
Three dimensional rapid forming method and device for foam plastics based on column coordinate
The invention discloses a cylindrical foam material based on three-dimensional rapid forming method and device, according to the shape of the part feature, generating machining rotation axis, cylindrical coordinate system to establish the origin of coordinates on the axis of rotation, the parts of the Cartesian coordinate CAD model into cylindrical coordinates model; then the parts of STL file format the cylindrical coordinate system model in accordance with the fixed angle or the thickness shear layer formed a specific multi slice contour data; under the control of the computer, through the rapid forming device of the invention, according to control hot knife two-dimensional movement and foam blank around the axis of rotation motion layer processing path, layer by layer non contact vaporization, finally an integral forming three-dimensional parts. The invention makes the manufacturing cost of a single or a small number of complex shape foamed plastics parts greatly reduced, and the machining accuracy and efficiency improved.
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种应用于消失模铸造、广告、艺术造型及装饰装潢领域的 泡沫塑料高分子材料产品的三维加工方法及其加工设备。
技术介绍
泡沫塑料高分子材料具有密度小、保温隔热性能好、硬度低、稳定性好、 成本低及易于成形等特点。在消失模铸造、模具制造、广告、艺术造型、建 筑装饰装璜、电影戏剧道具及包装领域的应用颇为广泛。目前根据泡沫塑料高分子材料产品的批量可以分为发泡成型和加工成型 两大类。对于大批量制造采用金属模具，在高温高压下发泡成型，成型的精 度亦高，但成型过程需要制作金属模具，并且还需要相应的发泡设备。因此发泡成型的投资巨大，极大限制了单件、小批量产品的生产和制作；而对于 单件或小批量产品，则主要采用常规的机床加工或电热丝手工切割泡沫板制 成。由于泡沬质地较软，机床加工时刀具及加工参数可变范围小，易于发生 泡沫珠粒剥落的问题，常常增大了废品率和加工工时。采用电热丝手工加工， 加工精度及效率均很低，并且对加工人员的技术要求高，不适合标准化生产。 因此，泡沫高分子材料的快速制造问题，已成为限制其在消失模铸造、广告、 艺术造型及装饰装潢领域应用的瓶颈。针对泡沫塑料高分子材料产品的加工技术，国内外进行了大量的研究工 作，申请了众多专利。现对已有的泡沬高分子材料成形技术及设备专利的相 关内容引述如下1.中国专利ZL03134410.0，公开了一种三维聚苯乙烯泡沫塑料模型的快 速成型方法及设备，该专利涉及点热源气化聚苯乙烯泡沫塑料，采用固定加 工方向的逐层气化方法，实现泡沫塑料三维快速成形，但对于复杂的三维实体还需要先分块成形，再拼装。其加工策略与设备结构也与本专利技术不同；2. 中国专利CN88212774U，公开了一种热钼丝和加热钼刀具加工二维泡沬 塑料产品的设备，塑料块的移动运动是通过手工进行的；3. 中国专利ZL0320117245.X公开了一种CNC泡沫塑料切割机，刀具为电 热丝，可以完成二维切割加工，但不具备其它成形功能；4. 德国专利DE102004050867,公开了采用计算机控制的泡沬塑料合金热 丝切割机，可以完成板材在水平和垂直方向不同轮廓的切割，但不具有其它 成形功能；5. 日本专利JP1999-114899和JP2001-162597A公开了一种泡沫塑料模型 的数控加工技术和设备。该设备分别采用直线电热丝和回形电热棒作为泡沫 塑料的切割刀具，直线电热丝用于模型的外形加工，回形电热棒用于模型的 内腔加工，加工对象为泡沫塑料板或块。由于将直线电热丝作为切割刀具， 因此这两项专利技术的加工技术及设备仍然属于泡沫塑料的二维成形技术范畴。 但电热丝两端的固定机构可以独立运动，电热丝在加工过程中可以改变倾斜 角度，故加工出的二维模型两个端面形状可以不同，然而复杂形状三维模型 仍无法使用该技术加工。
技术实现思路
针对上述所列专利中聚苯乙烯泡沫塑料成形过程中存在的不足，即二 维成形机速度快，但不具备三维成形功能；三维成形机虽具有三维形状零件 成形功能，但只能沿一个方向累积"生长"，即下一层实体轮廓必须大于等于 其上层轮廓，加工的实体更像"浮雕"。特别对于复杂的三维实体还需要先分 块成形，再拼装，存在成形效率低，形状精度误差大等问题。本专利技术在专利 ZL03134410.0的基础上，参考数控加工中心的原理，提出了一种基于柱坐标 的泡沫塑料三维快速成形方法及装置。为达到以上目的，本专利技术是采取如下技术方案予以实现的 一种基于柱坐标的泡沫塑料三维快速成形方法，包括下述步骤 (1)根据零件形状特征，生成加工旋转轴P，建立坐标原点O在旋转轴P上的柱坐标系统，将零件的直角坐标系CAD模型转换成柱坐标系下的模型；(2) 按照定角度或定厚度分层加工方式将零件的STL文件格式模型切分 生成多层加工轮廓数据；(3) 根据定角度或定厚度切层轮廓数据，将泡沫塑料坯件夹持在过旋转 轴P的坯料固定、旋转机构上，利用计算机进行控制，通过电热刀二维平面 运动和坯件绕旋转轴运动相配合，定角度或定厚度逐层切割泡沫塑料， 一次 完成三维零件整体成形。上述方法中，所述的定角度分层加工方式将零件的STL文件格式模型切 分生成多层加工轮廓数据的具体方法是以过零件旋转轴线的平面与零件的 ST文件模型的三角面片相求交，得到第一个切层轮廓；在切层轮廓获得后， 将模型绕旋转轴线旋转分层定角度e度，重复旋转轴线的平面与STL文件模 型的三角面片求交过程，得到下一切层轮廓；如此重复n次，11=180/0,得到 零件的所有定角度切层轮廓数据。所述定厚度分层加工方式将零件的STL文件格式模型切分生成多层加工 轮廓数据的具体方法是以一定层厚度d为间隔的一系列垂直于水平旋转轴 的平面与零件的STL文件模型求交，得到一组平行的定厚度切层轮廓数据。所述定角度逐层切割泡沬塑料的具体方法是1) 竖直导轨随水平滑动小车X向水平运动，固定支架带动电热刀Y向竖 直运动，使电热刀在热刀和旋转轴构成的平面内沿切层轮廓路径运动切割坯 料，完成一层轮廓的非接触加工；2) 当一层轮廓加工完毕，水平回转电机控制坯料旋转一个分层角度e ， 3) 重复步骤1)，电热刀进行下一层轮廓加工，如此重复，当坯料旋转 360度后，零件即加工完毕。所述定厚度逐层切割泡沫塑料的具体方法是1) 固定支架带动电热刀Y方向竖直运动，同时水平回转电机控制坯料绕 旋转轴P匀速旋转，使电热刀在垂直于水平旋转轴的平面内沿切层轮廓路径 运动切割坯料，完成一层轮廓的非接触加工；2) 当一层轮廓加工完毕，竖直导轨随水平滑动小车X向水平移动一个层厚d的距离；3)重复步骤1)，电热刀进行下一层轮廓加工，如此重复直到零件加工完毕。一种实现上述方法的快速成形装置，包括机架、电热刀、计算机控制系 统和受其控制的电热刀二维平面运动机构，其特征在于，该装置还包括一个 基于柱坐标系统的由一个计算机控制的坯料固定、旋转机构，该坯料固定、 旋转机构与电热刀二维平面运动机构配合，实现对复杂三维泡沫塑料模型定 角度或定厚度分层加工。上述方案中，所述坯料固定、旋转机构包括设置在机架一侧的水平回转 电机、尾架及尾架针盘，水平回转电机与尾架上的尾架顶针轴向之间形成加 工旋转轴P，泡沫塑料坯件通过该旋转轴装夹于回转电机轴与尾架顶针之间。 所述二维平面运动机构包括分别设置在上、下导轨上的两个水平滑动小 车，同边的上下水平滑动小车连接竖直导轨，竖直导轨上连接装有电热刀的 固定支架，电热刀水平运动是通过四个水平滑动小车内的水平驱动电机带动滑动小车及竖直导轨整体水平移动实现；电热刀的竖直运动是通过下导轨两 个水平滑动小车内的竖直驱动电机通过竖直同步齿轮带带动固定支架沿竖直 导轨上下移动实现。固定支架包括架体及架体两侧的圆钢导轨，圆钢导轨上设有滑架，电热刀 安装在滑架上，架体一端设有辅助步进电机通过同步带轮和同步带使电热刀 可沿圆钢导轨移动，用于辅助加工具有轮廓重叠的特殊三维模型。本专利技术装置的特点是1、 采用门式冷挤压铝合金型材构成的框架结构形式，三个方向分别由四根支撑梁组成，直接采用螺纹连接方式固定框架；运动导轨则利用钢元，镶 嵌于框架槽中。2、 釆用超静定结构设计热刀的二维平面运动机构在水平方向运动，采用四台步进电机(两两独立)，通过由四对滚动轴承组成的滑动小车、同步齿本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于柱坐标的泡沫塑料三维快速成形方法，其特征在于，包括下述步骤： （１）根据零件形状特征，生成加工旋转轴Ｐ，建立坐标原点ｏ在旋转轴Ｐ上的柱坐标系统，将零件的直角坐标系ＣＡＤ模型转换成柱坐标系下的模型； （２）按照定角度或定厚度分层加工方式将零件的ＳＴＬ文件格式模型切分生成多层加工轮廓数据； （３）根据定角度或定厚度切层轮廓数据，将泡沫塑料坯件夹持在过旋转轴Ｐ的坯料固定、旋转机构上，利用计算机进行控制，通过电热刀Ｘ、Ｙ二维平面运动和坯件绕旋转轴Ｐ运动相配合，定角度或定厚度逐层切割泡沫塑料，一次完成三维零件整体成形。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：孙琨，方亮，蔡洪能，赵嘉，叶庆光，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]
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