基本信息
- 项目名称：
- 模具型腔激光三维蚀纹机
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品将三轴动态激光加工技术引入模具行业，利用激光对模具金属表面进行蚀刻的原理，对模具表面进行蚀纹加工。作品对激光三维动态调焦机理与纹理曲面映射算法进行研究，设计基于激光二维扫描系统的振镜式激光三维扫描系统，并针对模具型腔蚀纹进行了三维图形分层扫描算法研究。这一作品的难点和关键问题是三轴动态调焦机理、纹理曲面映射算法及模具型腔激光三维蚀纹软、硬件设计。
- 详细介绍：
- 目前传统的模具蚀纹方法普遍存在加工周期长，污染严重的缺点。本作品将三轴动态激光加工技术引入模具行业，利用激光对模具金属表面进行蚀刻的原理，对模具表面进行蚀纹加工。但模具型腔具有复杂的三维结构，采用通常的激光平面加工很难实现。作品对激光三维动态调焦机理与纹理曲面映射算法进行研究，设计基于激光二维扫描系统的振镜式激光三维扫描系统，并针对模具型腔蚀纹进行了三维图形分层扫描算法研究。这一作品的难点和关键问题是三轴动态调焦机理、纹理曲面映射算法及模具型腔激光三维蚀纹软、硬件设计。 设计和发明本作品，能对塑料模具的型腔表面进行指定纹理的激光蚀刻，在环境保护、加工效率和加工成本方面大大优于传统的化学蚀纹加工工艺，从根本上杜绝化学蚀纹企业的偷排现象，实现模具蚀纹加工工艺的“零排放”。 已完成的作品科技内容如下： 1）二维蚀纹图案数据库的建立。2）纹理映射算法研究。3）三维动态激光加工平台研发。4）三维动态激光加工系统硬件设计。5）三维动态激光加工系统控制算法研究和软件规划与实现。6）模具蚀刻加工工艺规划。7）基于搭建的三维动态激光加工平台，进行激光蚀纹DOE加工参数的优化。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 一、作品设计目的： 日常生活中大量使用塑料零件，而许多塑料零件因表面装饰有各类形状和图案的纹理，能满足视觉要求，显得高雅和美观。设计和发明本作品，能对塑料模具的型腔表面进行指定纹理的激光蚀刻，在环境保护、加工效率和加工成本方面大大优于传统的化学蚀纹加工工艺，从根本上杜绝化学蚀纹企业的偷排现象，实现模具蚀纹加工工艺的“零排放”。 二、作品技术路线和创新点 通过对模具型腔异形曲面识别，使三维振镜通过识别纹理映射后的模具异形曲面的软件控制，对被加工表面实现三维动态的调焦并进行激光蚀刻。我们参赛学生利用生产实训、毕业设计以及其他课外时间参与了该作品的研究和开发，涉及到激光蚀纹图案数据库的设计、DOE激光加工参数的优化、三维振镜软硬件的设计以及整机样机的调试等工作。 本项目的主要创新点在于：(1) 建立蚀纹图案数据库；(2) 丰富和扩充计算机图形学中现有的纹理映射技术，将其应用在模具激光蚀纹行业；(3) 三维动态激光加工硬件设计；(4) 三维振镜控制算法和三轴动态激光加工系统软件规划与实现；(5) 基于搭建的三轴动态激光加工平台的模具蚀刻工艺调试；(6) 利用市场经济的力量，取代传统的污染严重的化学蚀纹企业，实现清洁生产。
科学性、先进性
- 模具蚀纹的传统方法是化学腐蚀， 与其相比，模具激光蚀纹表现出巨大的科学性和先进性，具体如下： 1.排污量 如前所述，平均每个化学蚀纹企业每天“偷排”30公斤100%化学残液，全省仅此的偷排量达到万吨。而激光蚀纹技术依靠物理气化原理，不产生任何污染物，排污量为“零”！ 2.年电能消耗量 模具激光蚀纹机单机整机耗电功率仅500W, 能耗不及化学蚀纹的3.0%， 节能效果显著！ 3.产房面积 我省化学蚀纹企业平均产房面积在300平方米以上；而普通模具激光蚀纹机单机占地面积仅1-2平方米，特制模具激光蚀纹机（加工大型模具）的占地面积也不超过6-8平方米，在考虑到模具起吊机等设施，总作业面积不超过100平方米。 4.加工质量 模具激光蚀纹机依靠激光蚀刻，蚀刻的区域与计算机输入的图形格式完全吻合，不存在化学蚀纹常有的“偷蚀”现象。 5.生产效率 化学蚀纹的加工周期通常是3-5天，而模具激光蚀纹机加工小型模具在5分钟以内，大型模具也仅需30-50分钟。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 样机
技术转让方式
- 深圳信息职业技术学院和深圳市海目星激光科技有限公司分别拥有各自开发的知识产权。
作品可展示的形式
- 实物、产品；现场演示；样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 一、 适用范围： 用于塑料模具表面装饰的各类形状和图案的纹理蚀刻，满足人类视觉要求，如汽车内饰件塑料零件表面大量使用皮纹、手机外壳塑料零件使用射纹、家具塑料零件使用树纹、普通电子产品使用标准纹和其他皮革纹、橘皮纹、木纹、雨花纹、亚光面等装饰花纹。 三、 市场分析与经济效益： 广东有3000家以上模具企业，其中70%以上需要将模具外发蚀纹加工。通过既定的市场营销策略，形成一定的作品产品盈利模式，达到公司和客户的双赢局面。具体的市场开拓按以下三个阶段实现： 第一阶段是模具型腔激光三维蚀纹技术推广阶段。 第二阶段是模具型腔激光三维蚀纹技术应用相对普及阶段。 第三阶段是模具型腔激光三维蚀纹技术全面应用。 本作品模具型腔激光三维蚀纹机未来的发展趋势，是进一步完善3D纹理映射算法和三维振镜的软硬件设计，在此基础上，将三维激光雕刻、三维激光标记整合捆绑，实现激光三维综合加工。
同类课题研究水平概述
- 近年来国内外学者从金属激光毛化现象中获得启发，开始了模具型腔表面激光处理的研究和设备开发工作。 芬兰VVT技术研究中心的Pantsar, H.和Ruusu, R.等人，于2006年开始进行了激光技术对塑料注塑模具进行蚀纹工艺的开发，其侧重点在于纹理图案由2D图形向适应模具曲面的3D形状转变算法的研究。但芬兰VVT技术研究中心仅将此技术成果转让给了其合作伙伴，目前此类产品还没有上市。 瑞士阿奇-夏米尔（Agie-Charmilles）公司在去年推出了+GF+ Laser500等系列激光蚀纹机床。该机器在五轴数控机床的基础上，将激光光学组件（含激光发生器）安装在机床原刀具的位置，将激光当作刀具，使用数控机床的加工程序控制激光轨迹，达到激光加工金属零件的目的。该机器能实现对包括模具在内的金属表面进行蚀纹、雕刻和标签与文字打标等二维和三维加工，工作区域和原数控机床相同，但其机器售价太高，动辄几百万元，国内模具企业宁愿外发给家庭式作坊式的化学蚀纹企业蚀纹处理，也不愿购买此类昂贵的机器。 本作品申报书的附件“查新报告”显示，国内目前尚没有机构或个人开展模具型腔激光蚀纹技术的研究和开发。但国内与此略有类似的研究工作主要集中在三维激光打标的开发，如深圳泰德激光科技有限公司于近期开展的三维动态变焦激光标记系统的研究，主要用于零件的三维动态打标，该公司已经将此作品申报了2010年深圳市科技研发资金一般作品，2011年1月14日，深圳市科技工贸和信息化委员会在其网站对该作品进行了资助公示；天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术科学教育部重点实验室许宝忠博士和刘铁根教授等人，采用动态调焦三轴光束控制技术。分析了动态扩束调焦的原理,从离焦量与像场腰斑位置和大小的关系确定了调焦范围，给出了动态扩束聚焦镜的设计方法。将动态聚焦镜与X , Y 方向扫描振镜一起搭建了三维激光标刻系统，在自由曲面上的标刻实验验证了系统的可行性，这种标记方式同样适用于其他二维平面的加工。
