基于CNC 的自适应直接分层制造方法研究

术的增材制造理念与数控铣削加工技术相结合,提出了基于CNC机床的金属零件分层制造方法。为解决等厚分层方法存在的缺陆,提出了基于相邻层面积变化比率和轮廓法向矢量的自适应直接分层算法,并在Pro/E软件平台上,利用Pro/TOOLKIT进行了系统的开发。该方法采用定厚摄材作为造型材料,在等厚分层的基础上对分层板进行自适应分层切削,有利于保证成型精度和提高成型效率,为复杂形面功能零件的快速成型制造提供了一种有效的方法。

快速成型技术(RapidPrototyping,RP)经历近20年的发展,应用领域不断扩大。但是,目前开发的比较成熟的RP技术采用的造型材料主要是塑料、木材和纸张等,仅部分采用了粉末烧结材料。由于采用材料的限制,RP技术所成形的零件往往只能作为概念原型和功能原型零件,用于展示产品设计的整体概念和布局安排,以及进行产品的结构设计检查、装配干涉检查和静力学测试等。随着需求的增加和技术的不断发展,RP技术正在向金属及其他类型功能零件的快速成型制造技术(RapidPrototyping&Manufacturing,RP&M)发展。

目前RP&M技术主要集中在金属零件的激光快速成形技术的研究。美国Stanford大学的RP实验室开发出了形状沉积制造工艺,将金属粉末熔化分层沉积,并用铣削方法去除冗余部分,经反复沉积和去除,逐层堆积成形,已经成功制成具有复杂内通道的且精度较高的不锈钢叶片零件。MIT则开发了液态金属微滴沉积技术,利用偏转电场控制金属液滴直接成形,生成金属零件。该技术被认为是很有前途的金属零件直接成形技术。这些技术尚处于研究阶段,并且存在制造工艺的复杂性和成形尺寸的局限性,很难满足金属功能零件快速成型制造的要求。

相比之下,利用金属板材作为造型材料的分层实体制造技术(LaminatedObjectManufacturing,LOM)是实现金属功能零件快速制造的较为有效方法之一。在该方面日本学者ObikawaT利用0.2mm厚的两面涂覆低熔点合金的薄钢板,采用LOM法快速制造金属零件；重庆大学的易树平等提出了新LOM层算法,并采用该方法,直接用1mm钢板作造型材料,在电火花线切割机床完成分层片的切割,最后利用真空扩散焊接粘结分层片的方法制造金属零件。

但是,用金属板材作造型材料的LOM法在技术上还存在许多需要解决的问题,主要是分层切片的堆积成形精度和分层金属板材间的粘结问题。显然,造型板材越薄,成形精度越高。现有的以纸张、树脂板等作为造型材料,板材厚度仅为0.05-0.1mm,且采用的是等厚分层算法。对于金属零件来说,采用如此薄的金属板材堆积成形,则造型时间会很长,而且零件的强度也很难保证。

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