一种基于DLP技术的成型粉末及粉末面成型装置的制作方法

本发明属于快速成型制造技术领域，具体涉及一种基于DLP技术的成型粉末及粉末面成型装置。

背景技术：

快速成型技术是一项诞生于20世纪80年代后期的高新制造技术，被广泛的认为是近20年来制造业的技术革命。该技术的基本原理是在计算机的控制下对三维模型进行切片分层处理，而后对每层轮廓截面进行逐层制造，最终成型出一个实体。目前比较成熟的快速成型工艺技术有熔融沉积成型(FDM)、分层实体制造(LOM)、立体光固化(SLA)、选择性激光烧结(SLS)等，它们各自成型原理的差别决定了使用材料的差异。FDM技术主要原料是可熔的丝状材料，如ABS丝；LOM技术主要使用的是纸片状材料如箔纸；SLA技术主要采用的是光敏树脂；SLS技术主要原料为热塑性粉末材料(PS、PA)。快速成型技术相比较传统的制造技术而言有着非常多的优点，如：(一)、任何一个复杂的零件均能加工制造，且一次成型，省去了多次加工工艺以及装配的过程；(二)、从模型的设计到加工出实体的过程只需数小时到几十个小时，大大缩短了零件的制造周期；(三)、在加工过程中原料的利用率高，制造过程中无废料的产生。

虽然上述快速成型技术有着诸多优点，但随着其付诸应用的进程一些问题也逐渐的暴露出来，比如：(一)、成型材料品种的单一，仅限热塑性粉末、光敏树脂、可熔丝材等；(二)、SLA技术中光敏树脂所制造出的零件翘曲现象较为严重，零件的成型质量有待提高；(三)、FDM技术中可熔的丝材在加工过程中发生了固-液-固的变化过程，材料的状态发生了较为复杂的变化过程，导致制造出的零件精度不高；(四)、SLS技术在粉末的烧结过程中采用的是激光的点扫描方式，并且存在工作台的上下移动和铺粉棍子的水平运动，导致成型效率较低；(五)、SLS技术下粉末烧结件强度不高。

DLP(Digital Light Processing)技术是一种名为数字光处理的先进投影技术，实现该技术的装置主要包括高亮光源、DMD芯片、出光镜头等，其核心部件是数字微镜元件——DMD芯片。当装置采集到的三维模型的信息后由计算机系统对其进行处理，将三维模型转换为二维模型，并通过数据线传送给DMD芯片，在其上面将会产生与计算机相同显示的图案。现有技术中，基于DLP技术下的光固化面成型方法与装置已有人提出，它们虽然实现了面成型的加工过程，但是其采用的是底部扫描的方式对树脂槽内的液态光敏树脂进行光固化作用，在加工过程中为了缓解制件的翘曲现象，需要设计支撑结构才能保证每个结构部分的可靠性，这样在加大了设计难度的同时亦使结构变得复杂；另外现有的基于DLP技术装置在结构设计方面尚不够优化，未设计树脂的自动添加过程，而采用的是人工手动添加，这也在无形中降低了加工效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，提供一种基于DLP技术的成型粉末及其制备方法，同时还提供一种采用该成型粉末制作三维零件模型的基于DLP技术的粉末面成型装置，采用本发明的技术方案可以在保证产品制件成型质量的同时大大提高产品的加工效率。

为实现本发明目的而采取的技术解决方案如下所述。

一种基于DLP技术的成型粉末，它由以下重量百分含量的组分组成：

制备该成型粉末的步骤为：

在PVC糊树脂中加入光引发剂，混合均匀后将其置于烘干箱中以120℃进行烘干处理1～3小时，通过球磨机进行粉碎球磨处理，再使球磨粉通过100目～150目的筛子筛选后，细粉备用；另取硅烷使其溶于无水乙醇中，经过5～10分钟的搅拌之后再往里加入碳酸钙粉末，混合均匀后置于烘干箱中以120℃进行烘干处理1～3小时，将烘干后的块状混合材料装入球磨机中，进行粉碎球磨处理，再使球磨粉通过100目～150目的筛子过筛处理，制得经过硅烷处理过后的碳酸钙粉末；将制备的PVC树脂粉与碳酸钙粉末放入高速搅拌机中，往里加入光吸收剂、流动剂、分散剂，以1000rpm速度搅拌运行30～40分钟，即得到所需的基于DLP技术的粉末材料。

构成本发明所述成型粉末的组分物中，PVC(聚氯乙烯)糊树脂系指PVC树脂以糊状形式来应用的(液体)产物，该结构物具有仅经加热(或紫外线照射)即可变为PVC制品的特性；光引发剂能够在紫外光区吸收能量，产生自由基，从而引发单体聚合交联固化的化合物，在PVC糊树脂中加入光引发剂可以使整个粉末体系能够在DLP发射出的紫外光作用下发生固化现象；碳酸钙是一种常用于塑料改性的添加剂，能有效的缓解制件的翘曲现象，改善成型精度；硅烷的作用在于加强高分子聚合物与无机填料之间的界面结合力，本发明中硅烷的加入加强了碳酸钙与PVC糊树脂之间的结合力；光吸收剂的加入可以加强粉末体系对紫外光的吸收，有利于产生较高强度的制件；流动剂的作用在于使粉末体系粘度降低，从而产生流动性能较好的粉末；分散剂的加入使得粉末颗粒之间的分散性能较好，有利于制件的成型。由上述各组分物制成的成型粉末材料能够在一定波长范围(100～400nm)紫外光照射下发生固化，完成产品制件的成型。

上述的基于DLP技术的成型粉末中，所述的光引发剂为2-甲基-4’-(甲基硫代)-2-吗啉基苯丙酮，所述的硅烷为甲硅烷、乙硅烷、丙硅烷或丁硅烷，所述的光吸收剂为水杨酸酯类光吸收剂，所述的流动剂为聚丙烯，所述的分散剂为脂肪酸类分散剂。

进一步的，所述的光吸收剂为水杨酸苯酯，所述的分散剂为脂肪酸甘油酯。

采用上述成型粉末制作三维零件模型的基于DLP技术的粉末面成型装置包括PC机系统、DLP投影系统、长直水平导轨、铺粉辊子和工作缸，所述的工作缸由沿横向依次等高并排设置的左回收缸、左缸、右缸和右回收缸组成，在各缸内均设置有由PC机系统驱动的升降活动底板，所述的铺粉辊子可在PC机系统驱动下沿工作缸整体表面做平向往复移动，所述的长直水平导轨沿工作缸排列方向设置在工作缸的上方，所述的DLP投影系统设置在长直水平导轨上并可在PC机系统驱动下沿平面长直导轨往复移动，DLP投影系统的出射光由上向下对工作缸进行照射。在对三维零件模型的实际成型制作中，首先利用三维建模软件建立三维模型，通过专业的软件对模型进行分层，得到各层的截面轮廓信息，然后PC机系统将每层的截面轮廓信息通过传输线传送给DLP投影系统上的DMD芯片，由DLP投影系统按每层截面轮廓信息自上而下地对粉末床内的各粉末进行扫描照射，直至整个零件加工完成。

上述基于DLP技术的粉末面成型装置中，DLP投影系统由光源、透镜、色轮、DMD芯片和出光镜组成，由光源发射出的紫外光依次通过透镜、色轮、DMD芯片后传输至出光镜，再由出光镜对工作缸进行照射。

与现有快速成型技术相比，本发明具有的有益效果如下所述。

一、本发明在保证完整加工过程的基础上，通过将DLP光固化技术和SLS激光选区烧结技术相结合，首先利用一定的工艺和配比配制好所需的可用于快速成型技术中的新型粉末材料，扩大了成型材料的选材范围；其次将DLP投影系统应用到粉末快速成型中，将传统粉末成型工艺中的点-线-面成型的加工过程转换成直接的面成型加工过程，大大提高了加工效率。

二、本发明所用的成型材料为粉末材料，在加工过程中大量的粉末材料在一定程度上可以充当支撑作用，因此无需额外添加支撑结构。

三、在本发明装置加工过程中，通过DLP投影系统在长直水平导轨上的移动，实现两缸(供粉缸、成型缸)功能互换的作用，在减少了手工劳动量的同时实现了粉末的高利用率；此外在加工完之后需要清理回收缸内粉末时，左回收缸和右回收缸内的可升降活动板在PC机系统的控制下将缸内的粉末升高到一定高度，然后在铺粉棍子的推动下推送到左缸和右缸内，减小了手工劳动量的同时提高了加工效率。

附图说明

图1为本发明所述基于DLP技术的成型粉末的制备流程图。

图2为本发明所述基于DLP技术的粉末面成型装置的结构示意图。

图3为该粉末面成型装置中DLP投影系统的结构示意图。

图4为该粉末面成型装置处在第一种加工(左缸)过程的结构示意图。

图5为该粉末面成型装置处在第二种加工(右缸)过程的结构示意图。

图中各数字标号的名称分别是：1－PC机系统；2－DLP投影系统，2-1－光源，2-2－透镜，2-3－色轮，2-4－DMD芯片，2-5－出光镜；3－长直水平导轨；4－铺粉棍子；5－左回收缸；6－左缸；7－右缸；8－右回收缸。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例对本发明内容做进一步说明，但本发明的具体应用方式并不仅限于下述的实施例。

一种基于DLP技术的成型粉末，该粉末材料以PVC糊树脂(聚氯乙烯)为主体，2-甲基-4’-(甲基硫代)-2-吗啉基苯丙酮、碳酸钙、甲硅烷、水杨酸苯酯、聚丙烯、脂肪酸甘油酯为辅助添加剂，采用下述的重量百分比例配制而成：

该成型粉末的制备方法参见图1，其具体制备步骤是：在PVC糊树脂中加入2-甲基-4’-(甲基硫代)-2-吗啉基苯丙酮，混合均匀后将其置于烘干箱中以120℃进行烘干处理2小时，通过球磨机进行粉碎球磨处理，再使球磨粉通过100目～150目的筛子筛选后，细粉备用；另取甲硅烷使其溶于无水乙醇中，经过5分钟的搅拌之后再往里加入碳酸钙粉末，混合均匀后置于烘干箱中以120℃进行烘干处理2小时，将烘干后的块状混合材料装入球磨机中，进行粉碎球磨处理，再使球磨粉通过100目～150目的筛子过筛处理，制得经过硅烷处理过后的碳酸钙粉末；将制备的PVC树脂粉与碳酸钙粉末放入高速搅拌机中，往里加入水杨酸苯酯、聚丙烯和脂肪酸甘油酯，以1000rpm速度搅拌运行30分钟，即得到所需的基于DLP技术的粉末材料，该粉末材料能够在100～400nm的紫外光下发生固化。

由于本发明中采用的成型装置是粉末面成型装置，因此粉末的粒径大小对铺粉过程和成型制件的质量有着非常重要的影响。粉末粒径过大，为了保证铺粉过程的顺利性，单层加工的厚度相应的需要很大，这样就可能会出现紫外光能量不足以固化一层粉末而造成制件强度低的问题；粉末粒径过小，粉末与粉末之间的摩擦力会增大，流动性能变差，也不利于铺粉过程的进行。经本发明设计人所做的实验表明当粉末的平均粒径在100～150微米之间，有利于制件的成型质量和铺粉过程的进行，粉末制备中所需的粉末均位于此范围之间。

采用上述成型粉末制作三维零件模型的基于DLP技术的粉末面成型装置结构如图2所述，它包括PC机系统1、DLP投影系统2、长直水平导轨3、铺粉辊子4和工作缸。其中工作缸由沿横向依次等高并排设置且其内均盛装有成型粉末的左回收缸5、左缸6、右缸7和右回收缸8组成，在各缸内均设置有由PC机系统1驱动的升降活动底板，工作中，左缸6和右缸7起到供粉缸和成型缸的作用，左回收缸5和右回收缸8则在加工过程中起到多余粉末回收的作用。铺粉辊子4位于四个工作缸的上表面，可在PC机系统1的驱动下沿工作缸整体表面做平向的往复移动。长直水平导轨3沿工作缸排列方向设置在工作缸的上方，DLP投影系统2设置在长直水平导轨3上并可在PC机系统1的驱动下沿平面长直导轨3往复移动。DLP投影系统2的结构如图3所示，它由光源2-1、透镜2-2、色轮2-3、DMD芯片2-4和出光镜2-5组成，由光源2-1发射出的紫外光依次通过透镜2-2、色轮2-3、DMD芯片2-4后传输至出光镜2-5，再由出光镜2-5对工作缸进行照射。

本发明所述粉末面成型装置的工作原理如下所述。

图4所示为对左缸6内的粉末的加工过程，此时DLP投影系统2位于左缸6的正上方，加工之前右缸7内装有大量待加工的粉末，在PC机系统1的控制下使左缸6内的升降活动底板位于其运动行程的最上端，此时右缸7作为供粉缸，左缸6作为成型缸，铺粉棍子4位于右缸7的最右端；当接收到需要加工的信息时，左缸6在PC机系统1的控制下下降一个加工层厚，为了保证在铺粉过程中能使左缸6内的充足且被刮平，通常使右缸7上升的层厚稍大于一个加工层厚，并驱动铺粉棍子4从右端开始一次来回的水平运动，将右缸7内上升起来的粉末推送到左缸6内，同时将上工作面的粉末刮平，多余的粉末被刮送到左回收缸5和右回收缸8中；PC机系统1将第一层截面轮廓信息传输给DLP投影系统2，在DLP投影系统2内部一系列的过程之后，紫外光便开始按照该层的截面轮廓信息对左缸6内的粉末进行扫描照射，被照射到的粉末发生固化，未被照射到的粉末仍然是粉末颗粒态；当接收到加工下一层信息时，对新一层粉末的加工过程与上述过程一致，最终直至整个零件加工完成。

当上述零件被取出之后，右缸7中的粉末基本没有或者存在很少一部分，而左缸6内装有大量的粉末，左回收缸5和右回收缸8内装有少量粉末。此时在PC机系统1的控制下分别使左回收缸5和右回收缸8中的粉末上升到一定高度，左缸6下降一定高度，在铺粉棍子4的作用下上升起来的粉末被推送到左缸6内，此时便完成了粉末的自动清理过程。

在PC机系统1的控制下DLP投影系统2在长直水平导轨3上进行水平运动移至右缸7的正上方后，如图5所示，此时左缸6作为供粉缸、右缸7作为成型缸，左缸6内装有大量待加工的粉末，使其内部的活动板位于较为底部的位置，另使右缸7内的活动板位于较为顶部的位置，其加工过程与图4的加工过程类似，不同之处在于此时右缸7下降一个层厚，左缸6上升一个多层厚，同时铺粉辊子4从左缸6的最左端开始一次来回的水平运动，最终将整个零件加工制造完成。