一種磁流變材料面成型的快速成型裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種磁流變材料面成型的快速成型裝置及方法，裝置包括轉移臺、隔板、控制電路、沉積臺、磁流變材料原料缸、轉移支架和永磁鐵，轉移臺的下端設置有布成面陣的電磁鐵組，電磁鐵組可在控制電路的作用下實現電磁鐵組中與成型截面形狀相對應的電磁鐵單體的線圈通斷；沉積臺的外側設置有磁極，轉移支架可將轉移臺從磁流變材料原料缸的上方移動至沉積臺上方的指定位置處，并循環往復實現整個零件的成型。本發明具有成型加工效率高，成型質量好，設備結構相對簡單，無復雜的控制系統，成本低，壽命長，操作簡單等優點，實施中不會發生噴頭堵塞影響加工進程和效率，更適用于大型零件的制備。
【專利說明】一種磁流變材料面成型的快速成型裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于先進制造技術的快速成型領域，特別涉及一種磁流變材料面成型的快速成型裝置及方法，具體涉及一種在磁場作用下的磁流變效應，通過磁場沉積臺一次直接成型一層面，逐層成型三維實體的裝置。
【背景技術】
[0002]快速成型技術(RapidPrototyping and Manufacturing)誕生于 20 世紀 80 年代后期，是基于材料堆積法的一種高新制造技術，被認為是近20年來制造領域的一個重大成果。其基本過程是在計算機控制下，根據零件三維模型的分層截面信息，在快速成型機的X-Y工作平面依次成型各層截面，然后通過在Z方向逐層累加，實現零件的三維成型。根據此原理，目前比較成熟的快速成型技術有光固化快速成型(SLA)、分層實體制造(L0M)、選擇性激光燒結(SLS)、熔積成型(FDM)等等。快速成型材料有光敏樹脂，纖維紙、石蠟粉末，熱塑性材料(蠟、ABS、PC、尼龍)、覆膜砂，電流變液相關材料也正在研究之中。快速成型技術相比于傳統的機械加工具有很大的優點，主要表現在以下幾點:(1)可加工任何復雜形狀的零件，制造工藝與零件的復雜程度無關，不受工具的限制，可實現自由制造，原型的復制性、互換性高，越是復雜的零件越能體現RP技術的優越性；(2)快速性，從CAD設計到完成原型制作通常只需幾個小時到幾十個小時，加工周期短，可節約70%時間，能夠適應現代競爭激烈的產品市場；(3)低成本，與產品的復雜程度無關，節省了大量的開模時間，制造過程無廢料；(4)成型過程中，信息過程和材料過程一體化，制作原型所用的材料不限，各種金屬和非金屬材料均可使用，尤其適合成型材料為非均質并具有功能剃度或有孔隙要求的原形。
[0003]但是目前的快速成型技術也還面臨著各種各樣的難題，主要有以下一些難題:
(I)目前快速成型材料種類單一，僅限于光敏樹脂，纖維紙、石蠟粉末，熱塑性材料等少數材料，并且這些材料未標準化；(2) FDM成型由于固-液-固的相變過程，溫度難以控制，且成型后易變性，精度不高，且伴有有毒難聞氣體產生，需要復雜的噴頭的控制系統，且噴頭易堵塞(3)SLS、SLA成型工藝使用激光作為能源，過于昂貴；而中國專利(CN103213281) “基于磁流變材料的3D打印快速成型裝置及方法”需要噴頭在磁場噴射磁流變材料，由于磁流變材料顆粒直徑大小及精度要求，噴頭設計較為復雜，磁流變材料未從噴嘴噴出就由于磁場影響固化進而堵塞噴嘴，并且成型采用點-線-面成型，速度較低。

【發明內容】

[0004]本發明的內容在于對現有技術存在的問題加以解決，進而提供一種磁流變材料面成型的快速成型方法，以及實施該方法的磁流變面成型快速成型裝置。采用本發明所述的成型方法和裝置可以顯著地縮短成型的時間并避免噴頭的使用、運動控制及堵塞問題，提高加工精度。
[0005]為了實現上述目的，本發明采用的成型方法是首先在計算機中繪制零件三維實體模型，通過軟件對三維實體進行分層處理，得到的實體的各層截面信息，再利用控制電路控制的一組并行連接的電磁鐵組，將計算機中實體的截面信息在轉移臺上轉化為對應的磁場形狀，然后投射到原料缸，將原料缸的磁流變材料固化并吸附在轉移臺上，然后在計算機的控制下將轉移臺移動至成型缸的沉積臺(沉積臺的四周設置有磁極)，切斷線圈組電源，如此磁流變材料快速液化并脫離轉移臺，在沉積臺進行二次成型，如此便完成零件一層的成型。然后計算機再調用下一層截面信息，進行下一層的成型，如此循環往復，直至實現整個實體的成型。
[0006]在前述發明基礎上的一個創新方案是通過電磁鐵組產生與計算機中實體的截面信息輪廓相同的磁場，然后將磁場施加于磁流變材料中，實現一個整面的成型，然后將轉移臺移動到沉積臺進行二次成型，如此循環往復，直至整個實體加工完成。
[0007]本發明所述的磁流變材料面成型快速成型裝置包括轉移臺、隔板、控制電路、沉積臺、轉移支架、磁極和裝有磁流變材料的原料缸，所述轉移臺的下端設置有布成面陣的電磁鐵組，隔板設置在電磁鐵組的下部，電磁鐵組可在控制電路的作用下實現電磁鐵組中與成型截面形狀相對應的電磁鐵單體的線圈通斷；沉積臺的外側設置有磁極，轉移支架可將轉移臺從磁流變材料原料缸的上方移動至沉積臺上方的指定位置處，并循環往復。
[0008]上述磁流變材料面成型的快速成型裝置中，轉移支架上設置有可伸縮的移動臂，轉移臺設置在移動臂下端。
[0009]上述磁流變材料面成型的快速成型裝置中，磁流變材料為磁流變液、磁流體、磁流變彈性體或磁流變泡沫材料。
[0010]上述磁流變材料面成型的快速成型裝置中，隔板材料為軟磁材料或超導材料。
[0011]上述磁流變材料面成型的快速成型裝置中，軟磁材料為純鐵、低碳鋼、鐵硅系合金、鐵鋁系合金或導磁不銹鋼。
[0012]上述磁流變材料面成型的快速成型裝置中，超導材料為超導合金和超導化合物。
[0013]上述磁流變材料面成型的快速成型裝置中，電磁鐵的線圈電流大小及線圈匝數可調。
[0014]上述磁流變材料面成型的快速成型裝置中，磁極為永磁鐵或電磁鐵。
[0015]上述磁流變材料面成型的快速成型裝置中，電磁鐵的磁感線與磁流變材料原料缸的液面垂直。
[0016]本發明的磁流變材料面成型的快速成型方法，包括以下步驟:
[0017][I]獲取加工零件的三維實體模型，通過計算機軟件對三維實體進行分層處理，得到實體的各層截面信息；
[0018][2]控制電路控制電磁鐵組，使得電磁鐵組中與成型截面形狀相對應的電磁鐵單體的線圈導通；
[0019][3]轉移臺移動至磁流變材料原料缸上方，將原料缸的磁流變材料固化并吸附在轉移臺上；
[0020][4]轉移支架帶動轉移臺，移動至沉積臺上方約Imm處，控制器斷開電磁鐵單體的線圈，磁流變材料瞬間液化并脫離轉移臺，在沉積臺上二次成型，完成該層零件的成型；
[0021][5]轉移支架帶動轉移臺至原料缸上方，計算機再調用下一層加工實體的截面信息，進行下一層的成型，循環步驟[2]至步驟[5]，直至完成整個實體的成型。[0022]本發明具有的有益技術效果如下:
[0023]與現有的快速成型技術相比，本發明具有成型加工效率高，成型質量好，設備結構相對簡單，無復雜的控制系統，成本低，壽命長，操作簡單等優點。由于在采用本發明所述磁流變成型方法及裝置，沒有使用結構要求較高、較為精細復雜的噴頭，也沒有與射流有關的各種伺服機構與控制系統，更不會也不會發生噴頭堵塞影響加工進程和效率，正相反，該方法舍去復雜的控制系統，一次成型一個整面，提高了效率。總之，本發明方案的實施在快速成型技術尤其是磁流變材料快速成型的加工效率，整體完善性，結構簡單性都有所突破，更適用于大型零件的制備。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]附圖1為面成型磁流變材料的快速成型裝置示意圖
[0025]附圖2為電磁鐵組工作原理示意圖
[0026]附圖3為電磁鐵單體排布示意圖
[0027]附圖4為單個電磁鐵內部磁感線示意圖
[0028]圖中標號分別表示:1-控制電路，2-轉移支架，3-移動臂，4-轉移臺，5-隔板，6-原料缸，7-磁流變材料，8-沉積臺，9-磁極，10-計算機，11-纏繞線圈，12-鐵芯，13-磁感線。
【具體實施方式】
[0029]以下將結合附圖和實施例對本發明的內容作進一步的說明，但本發明的具體工作方式和實際制作結構并不僅限于下述的實施例。
[0030]磁流變材料在零磁場條件下表現為流動性能良好的液體，其粘度很小；而在強磁場作用下，可在毫秒級很短時間內黏度增加幾個數量級以上，轉變為具有高強度的固體。同時這種變化是可逆的，即去掉磁場后又恢復原來的狀態。磁流變材料包括磁流變液、磁流體、磁流變彈性體或磁流變泡沫材料。
[0031]如圖1所示，本發明的磁流變材料面成型快速成型裝置包括轉移臺4、隔板5、控制電路1、沉積臺8、轉移支架2、磁極9和裝有磁流變材料7的原料缸6，轉移臺4的下端設置有布成面陣的電磁鐵組，隔板5設置在電磁鐵組的下部，電磁鐵組可在控制電路I的作用下實現電磁鐵組中與成型截面形狀相對應的電磁鐵單體的線圈通斷；沉積臺8的外側設置有磁極9，轉移支架2可將轉移臺4從原料缸6的上方移動至沉積臺8上方的指定位置處，并循環往復。
[0032]電磁鐵組由許多并行連接的小電磁鐵單體組成，各電磁鐵單體的排列方式視空間安排而定，其數目視成型工件尺寸及精度要求而定，單體磁鐵線圈繞組形狀，匝數及鐵芯材料和形狀選擇視磁流變材料性質及工作效率而定，磁鐵單體鐵芯直徑為0.5_-5_，工作中通過對電磁鐵施加電信號，產生需要加工截面輪廓的磁場。
[0033]沉積臺8外側的磁極9為永磁鐵或電磁鐵若為電磁鐵,其磁場強度可調；若為永磁鐵，則可更換不同強度的永磁鐵，永磁鐵或電磁鐵磁場強度為0.0l-1T0
[0034]隔板5材料為軟磁材料或超導材料，軟磁材料為純鐵、低碳鋼、鐵硅系合金、鐵鋁系合金或導磁不銹鋼，超導材料為超導合金和超導化合物。[0035]裝備了以上電磁系統的磁流變材料快速成型裝置的工作過程是這樣的:控制電路I共輸出兩條控制線，一條控制線將計算機10中的實體截面信息轉化為相應的電信號，進而控制電磁鐵組4中電磁鐵單體電路的接通，最終控制磁場的產生。如圖2所示；另一條控制線控制移動臂3的收縮及在轉移支架2上的往復運動，成型過程如下:
[0036][I]計算機獲取加工零件的三維實體模型，軟件對三維實體進行分層處理，得到實體的各層截面信息；
[0037][2]控制電路控制電磁鐵組，使得電磁鐵組中與成型截面形狀相對應的電磁鐵單體的線圈導通；
[0038][3]轉移臺4移動至原料缸6上方，將原料缸6的磁流變材料7固化并吸附在轉移臺4上；
[0039][4]轉移支架2帶動轉移臺4，移動至沉積臺8上方約Imm處，控制電路I斷開電磁鐵單體的線圈，磁流變材料7瞬間液化并脫離轉移臺4，在沉積臺8上二次成型，完成該層零件的成型；
[0040][5]轉移支架2帶動轉移臺4至原料缸6上方，計算機再調用下一層加工實體的截面信息，進行下一層的成型，循環步驟[2]至步驟[5]，直至完成整個實體的成型。
[0041]下面結合圖1對成型流程進行詳述。如圖1所示，工作開始后，在計算機控制線2的控制下，電磁鐵組移動至原料缸6上方一定位置處，然后在計算機控制線I的控制下，對相應的電磁鐵單體發出電信號，產生相應輪廓的磁場，此時原料缸6中磁流變材料7在磁場的作用下發生磁流變效應迅速固化，并吸附于電磁鐵組下方的隔板5上，然后通過移動臂3在轉移架2運動的帶動下按圖中虛線箭頭所示的路線運動至距離沉積臺8上方很小距離(約Imm)的某一位置處，控制線I控制關閉電信號輸出，電磁鐵組產生的磁場消失，利用磁流變效應的可逆特性，磁流變材料7瞬間變為液體，脫離隔板5，進入磁場區9，在磁場9的作用下，磁流變材料7在大約毫秒的極短瞬間內由液態轉變為固態，脫落的磁流變材料與上一層磁流變材料結合，并快速二次固化為一個整體，如此便完成一個整面的加工，隨后電磁鐵組又返回至原料缸6上方，進行下一層的加工，循環往復直至整個實體加工完成。因為磁流變效應為可逆過程，故零件成型后，可以通過維持原磁場，或者低溫保存的方法，使得零件保持其形狀。
[0042]圖3給出了電磁鐵組其中4只磁鐵單體排布方式，磁場單體按正方形緊排密布，電磁鐵單體使用正方形線圈，以便能夠使磁場區域遍布整個工作區，不留空隙，但排布方式并不僅于此種方式，在滿足加工要求的前提下，其他排布方式及線圈形狀均可使用。鐵芯12選用硅鋼材料，但不僅限于此種材料，具體情況視工作要求而定。線圈電流大小及線圈匝數可調，以便于磁場強度大小的控制。單個電磁鐵形成的磁場如圖4所示，磁感線13幾近垂直于原料缸中磁流變材料的液面，更便于滿足高精度加工的要求。
[0043]本發明已經達到了實驗驗證，驗證中磁流變材料7為水基磁流變液，隔板為不銹鋼材料；沉積臺8外周的磁極9采用磁場強度為0.5T的永磁鐵，轉移臺上磁鐵單體鐵芯直徑為3mm，通電電壓為48V，轉移臺上包含200X200只磁鐵單體，最大可加工的截面尺度為600X600mmo
【權利要求】
1.一種磁流變材料面成型的快速成型裝置，其特征在于:包括轉移臺(4)、隔板(5)、控制電路(I)、沉積臺(8 )、轉移支架(2 )、磁極(9 )和裝有磁流變材料(7 )的原料缸(6 )，所述轉移臺(4)的下端設置有布成面陣的電磁鐵組，所述的隔板(9)設置在電磁鐵組的下部，所述的電磁鐵組可在控制電路(I)的作用下實現電磁鐵組中與成型截面形狀相對應的電磁鐵單體的線圈通斷；所述沉積臺(8)的外側設置有磁極(9)，所述的轉移支架(2)可將轉移臺(4)從原料缸(6)的上方移動至沉積臺(8)上方的指定位置處，并循環往復。
2.根據權利要求1所述的磁流變材料面成型的快速成型裝置，其特征在于:所述的轉移支架(2)上設置有可伸縮的移動臂(3)，所述的轉移臺(4)設置在移動臂(3)下端。
3.根據權利要求1所述的磁流變材料面成型的快速成型裝置，其特征在于:所述的磁流變材料(7)為磁流變液、磁流體、磁流變彈性體或磁流變泡沫材料。
4.根據權利要求1所述的磁流變材料面成型的快速成型裝置，其特征在于:所述的隔板(5)由軟磁材料或超導材料制成，所述的軟磁材料為純鐵、低碳鋼、鐵硅系合金、鐵鋁系合金或導磁不銹鋼，所述的超導材料為超導合金和超導化合物。
5.根據權利要求1所述的磁流變材料面成型的快速成型裝置，其特征在于:所述磁鐵單體的線圈電流大小及線圈匝數可變。
6.根據權利要求1所述的磁流變材料面成型的快速成型裝置，其特征在于:所述磁鐵單體鐵芯直徑為0.5mm-5mm。
7.根據權利要求6所述的磁流變材料面成型的快速成型裝置，其特征在于:所述磁鐵單體鐵芯直徑為3mm。
8.根據權利要求1所述的磁流變材料面成型的快速成型裝置，其特征在于:所述的磁極(9)為永磁鐵或電磁鐵，磁場強度為0.0l-1T0
9.根據權利要求1所述的磁流變材料面成型的快速成型裝置，其特征在于:所述的電磁鐵的磁感線(13)與磁流變材料原料缸的液面垂直。
10.利用權利要求1所述的磁流變材料面成型的快速成型裝置實現磁流變材料面成型的快速成型方法，其特征在于，包括以下步驟: [1]獲取加工零件的三維實體模型，通過計算機軟件對三維實體進行分層處理，得到實體的各層截面信息； [2]控制電路控制電磁鐵組，使得電磁鐵組中與成型截面形狀相對應的電磁鐵單體的線圈導通； [3]轉移臺(4)移動至原料缸(6)上方，將原料缸(6)的磁流變材料(7)固化并吸附在轉移臺(4)上； [4]轉移支架(2)帶動轉移臺(4)，移動至沉積臺(8)上方約Imm處，控制電路(I)斷開電磁鐵單體的線圈，磁流變材料(7)瞬間液化并脫離轉移臺(4)，在沉積臺(8)上二次成型，完成該層零件的成型； [5]轉移支架(2)帶動轉移臺(4)至原料缸(6)上方，計算機再調用下一層加工實體的截面信息，進行下一層的成型，循環步驟[2]至步驟[5]，直至完成整個實體的成型。
【文檔編號】B29C67/00GK103817941SQ201410102405
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月19日 優先權日:2014年3月19日
【發明者】楊來俠, 劉旭 申請人:西安科技大學