CN1481980A - 聚苯乙烯泡沫塑料模型的快速成型方法及其数控加工设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全新的聚苯乙烯泡沫塑料模型的快速成型方法及其数控加工设备，结合了快速成型技术和电热刀具切割原理，首先，使用通用CAD软件建立零件的CAD模型，通过CAD软件的接口输出零件的STL格式文件，由数据准备软件将零件的STL格式文件转变成多层加工数据文件，再由步进电机根据每层零件轮廓数据带动电热刀切割出一层聚苯乙烯泡沫塑料模型的轮廓，再将所有聚苯乙烯泡沫塑料层叠加在一起形成完整的零件聚苯乙烯泡沫塑料模型，使得模型的制造成本大大降低、加工精度得到提高，特别适合单件或小批模样的生产。

Description

聚苯乙烯泡沫塑料模型的快速成型方法及其数控加工设备
一、所属技术领域
本发明属于制造成型技术领域，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聚苯乙烯泡沫塑料模型三维加工的方法及其数控加工设备。
二、背景技术
目前，聚苯乙烯泡沫塑料模型的制造，通常可以分为发泡成型和加工成型两大类。对于大量模型制造多采用发泡成型机或发泡装置制得；而对于单件或小批量模型制作，则主要采用机械或手工，由泡沫塑料板加工制成。在大量、批量化中小模型制造时，模型制造设备的投资巨大，这是因为聚苯乙烯泡沫的成型，需要经过预发泡、熟化和二次发泡成型三个工艺过程，发泡成型过程必须借助于模具来完成，而一套发泡成型金属模具，设计及加工费用，少则需要上万元，多则需要数十万美元，且设计、加工周期长；由于聚苯乙烯泡沫塑料材料是多孔状蜂窝组织，比重轻，质地软，强度低以及导热性差等原因，使得小批制作模型的机械加工更加困难，普遍存在加工精度低、表面粗糙度大、加工周期长、难以加工三维复杂形状零件等缺点。此外，目前虽然国外已有准三维聚苯乙烯泡沫塑料热丝加工机，但对于加工三维复杂形状模型仍有相当大困难。因此，聚苯乙烯泡沫塑料三维模型快速制造，已成为限制消失模铸造、广告、艺术造型及装饰装潢领域应用轻质、廉价聚苯乙烯材料的瓶颈。
三、发明内容
针对上述聚苯乙烯泡沫塑料模型制造中存在的问题，本发明的一个目的在于，提供一种全新的聚苯乙烯泡沫塑料模型的快速成型方法，本发明的另一个目的是提供实现上述快速成型方法的数控加工设备。
实现上述发明目的的技术解决方案是：
聚苯乙烯泡沫塑料模型的快速成型方法，结合快速成型技术和电热刀具切割原理，采用计算机控制***在三维的加工平台上进行，其特点是，至少包括以下步骤：
1)首先，计算机控制***使用通用CAD软件建立零件的三维CAD模型，通过CAD软件的接口输出零件的STL格式文件；由设备的加工数据准备软件，将零件的STL格式文件转变成多层加工数据文件；
2)控制***通过步进电机根据每层零件轮廓数据，带动电热刀，采用非接触式、气化的原理，切割出该层聚苯乙烯泡沫塑料模样的轮廓；
3)随后，加工平台在Z轴方向移动一个微小距离，电热刀切割下一层轮廓，直到完成该厚层轮廓的加工成型；
4)将所有聚苯乙烯泡沫塑料厚层装配在一起，即可形成完整的聚苯乙烯泡沫塑料模型。
实现上述方法的聚苯乙烯泡沫塑料模型的快速成型方法的数控加工设备，包括，—带有计算机控制***、两台步进电机驱动、类似绘图仪的二维平面加工平台；加工平台上设有工作台升降装置、由第三台步进电机驱动，实现升降运动，与上述二维平面运动配合，以构成整个加工平台的三维运动；加工平台上还设有电热刀温度控制模块，其特点是：
加工平台包括一机架和移动加工面，在机架上还有定位挡板，机架上分别设置有一对纵向导轨和一横向导轨，在横向导轨上设置有滑块，纵向导轨、上分别有滑块和，构成二维平面移动***；
工作台升降装置由Z向升降导轨，同步齿轮带，Z向滑块，步进电机组成；
在纵向导轨的两端设置有限位挡板；在纵向导轨和横向导轨上分别安装有步进电机和一对纵向带轮和横向带轮；带轮上安装有同步齿轮带，在计算机控制下步进电机分别带动同步齿轮带，使滑块进行平面运动；滑块上设置有电热刀具。
当滑块带动电热刀具在计算机控制下加工完一层零件截面后，步进电机通过联轴器和一对带轮相连，带轮带动同步齿轮带，驱动加工平台沿Z向升降。主要作用是：工作台上升一个高度后，完成下一层截面加工。
本发明结合了快速成型技术和电热刀具切割原理，使得模型的制造成本大大降低、加工精度得到提高，特别适合单件或小批模样的生产。
三、附图说明
图1是本发明的设备结构示意图。
图2是电热刀具结构剖视图。
图中涉及的符号分别表示为：1.机架，2.纵向辅助导轨，3.纵向辅助滑块，4.同步带轮，5.同步齿轮带，6.横向滑块，7.电热刀具，8.移动加工面，9.步进电机，10.同步带轮，11.纵向导轨，12.同步齿轮带，13.纵向滑块，14.横向导轨，15.步进电机，16.限位挡板，17.Z向升降导轨，18.同步带轮，19.同步齿轮带，20.Z向滑块，21.步进电机，22.定位挡板，23.固定块，24.固定套，25.加热装置，26.加工刀具，27.保温套管。
四、具体实施方式
以下结合附图和发明人依照本发明的方法完成的设备实施例作进一步说明。
参见附图，图1是本发明的设备结构示意图，该设备由加工平台，工作台升降装置，电热刀具、温度控制模块和计算机控制***组成，加工平台包括一机架1和移动加工面8，在机架1上还有定位挡板22，机架1上分别设置有一对纵向导轨2、11和一横向导轨14，在横向导轨9上设置有滑块6，纵向导轨2、11上分别有滑块3和13，构成二维平面移动***；
工作台升降装置由Z向升降导轨17，同步齿轮带19，Z向滑块20，同步带轮18，步进电机21组成；
在纵向导轨11的两端设置有限位挡板16；在纵向导轨11和横向导轨14上分别安装有步进电机9、15和一对纵向带轮10和横向带轮4；带轮上安装有同步齿轮带12和5，在计算机控制下步进电机分别带动同步齿轮带，使滑块6进行平面运动；滑块6上设置有电热刀具7；
当滑块6带动电热刀具7在计算机控制下加工完一层零件截面后，步进电机21通过同步齿轮带19带动与移动加工面8连接的滑块20沿Z向升降导轨17移动，带动移动加工面8上升一个高度，再进行下一层截面加工。
电热刀具7包括加热装置25，加热装置25的一端安装加工刀具26，加工刀具26上设置有保温装置27，加热装置25的外径上包履有固定套24，固定套24通过固定块23与滑块6连接。
所述加热装置25与温度控制模块连接，加热装置25通过电阻热效应加热加工刀具26，并通过温度控制模块控制加热装置25的电流强度，确保刀具26的工作温度恒定。
实际工作时，在计算机控制下步进电机带动同步齿轮带，使滑块6进行平面运动。当滑块6带动电热刀具7在计算机控制下加工完一层零件截面后，步进电机21通过同步齿轮带19带动与滑块20连接的同步带轮18移动，带动加工面，沿Z向升降导轨17上升一个高度，再进行下一层截面加工。保温套管27用于减小刀具26与空气接触面积，降低刀具26的热损耗。
本发明的优点：(一)加工材料选用商品聚苯乙烯泡沫塑料板料，原材料成本低，并且可以和真空消失模铸造工艺实现无缝连接，实现净成形铸造；(二)采用电热刀，完成气化成型，实现低成本、高精度、高稳定性的加工；(三)根据零件形状特征，采用灵活的分割成型及分层加工策略，再将各厚层装配在一起的方法，能够保证三维复杂聚苯乙烯泡沫塑料模型的加工成型；(四)支持目前大多数商用三维CAD造型软件，通过本发明支撑软件，完成分层加工代码转换；(五)由于采用了分割成型、组合装配方法，使本发明的设备可以摆脱工作台尺寸限制，用小工作台完成大模型的成型；(六)由于三维复杂聚苯乙烯泡沫塑料模型的加工成型成为可能，将大大拓展聚苯乙烯泡沫塑料的应用领域，特别是可应用到艺术造型、广告装饰等方面，并大幅度降低造型成本。

Claims (4)

1.一种聚苯乙烯泡沫塑料模型的快速成型方法，结合快速成型技术和电热刀具切割原理，采用计算机控制***在三维的加工平台上进行，其特征在于，至少包括以下步骤：
1)首先，计算机控制***使用通用CAD软件建立零件的三维CAD模型，通过CAD软件的接口输出零件的STL格式文件；按被加工的模型数据设计软件，将零件的STL格式文件转变成多层加工数据文件；
2)控制***通过步进电机根据每层零件轮廓数据，带动电热刀，采用非接触式、气化的原理，切割出该层聚苯乙烯泡沫塑料模样的轮廓；
3)随后，电热刀相对在纵向移动一个微小距离，切割下一层轮廓，直到完成该厚层轮廓的加工成型；
4)将所有聚苯乙烯泡沫塑料厚层装配在一起，即可形成完整的聚苯乙烯泡沫塑料模型。
2.实现权利要求1的聚苯乙烯泡沫塑料模型的快速成型方法的数控加工设备，包括一带有计算机控制***、两台步进电机驱动、类似绘图仪的二维平面加工平台；加工平台上设有工作台升降装置，由第三台步进电机驱动，实现升降运动，与上述二维平面加工平台的运动配合，以构成整个加工平台的三维运动；加工平台上还设有温度控制模块；其特征在于：
加工平台包括一机架【1】和移动加工面【8】，在机架【1】上还有定位挡板【22】，机架【1】上分别设置有一对纵向导轨【11】、【2】和一横向导轨【14】，在横向导轨【14】上设置有滑块【6】，纵向导轨【11】、【2】上分别有滑块【13】和【3】，构成二维平面移动***；
工作台升降装置由Z向升降导轨【17】，同步齿轮带【19】，Z向滑块【20】，同步带轮【18】，步进电机【21】组成；
在纵向导轨【11】的两端设置有限位挡板【16】；在纵向导轨【11】和横向导轨【14】上分别安装有步进电机【9】、【15】和一对纵向带轮【10】和横向带轮【4】；带轮上安装有同步齿轮带【12】和【5】，在计算机控制下步进电机分别带动同步齿轮带，使滑块【6】进行平面运动；滑块【6】上设置有电热刀具【7】；
当滑块【6】带动电热刀具【7】在计算机控制下加工完一层零件截面后，步进电机【21】通过同步齿轮带【19】带动与滑块【20】连接的同步带轮【18】移动，带动移动加工面【8】沿Z向升降导轨【17】上升一个高度，再进行下一层截面加工。
3.如权利要求2所述的聚苯乙烯泡沫塑料模型的快速成型设备，其特征在于，所述电热刀具【7】包括加热装置【25】，加热装置【25】的一端安装加工刀具【26】，加工刀具【26】上设置有保温装置【27】，加热装置【25】的外径上包履有固定套【24】，固定套【24】通过固定块【23】与滑块【6】连接。
4.如权利要求3所述的聚苯乙烯泡沫塑料模型的快速成型设备，其特征在于，所述加热装置【25】与温度控制模块连接，加热装置【25】通过电阻热效应加热加工刀具【26】，并通过温度控制模块控制加热装置【25】的电流强度，确保刀具【26】的工作温度恒定。
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