[发明专利]基于柱坐标的泡沫塑料三维快速成形方法及装置

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。由于泡沫质地较软，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。现对已有的泡沫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发明不同；

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沫塑料产品的设备，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沫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，因此这两项发明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。

发明内容

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。本发明在专利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，本发明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θ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，n＝180/θ，得到零件的所有定角度切层轮廓数据。