一种立体模型的成型设备及其成型方法与流程

本发明涉及模型成型技术领域，具体涉及一种立体模型的成型设备及其成型方法。

背景技术：

现有技术中，美国发明专利US5,204,055公开了一种由粉末逐层结合形成立体实体的方法。虽然该专利给出了几个有效的实施方法，但是这些方法比较基础，在成本、速度和精度上还有待进一步改善。

美国发明专利US5,902,441公开了一种粉末含有粘合剂并通过添加液体激活粘合剂使所需粉末逐层粘合成实体的方法。该方法的成型分辨率取决于液体喷头的分辨率。分辨率要求高使得喷嘴尺寸减小，从而喷头的成本增加，可靠性降低，成型速度降低。

中国实用新型专利CN204095145U公开了一种光固化立体成型装置，包括喷粉末材料的长条型喷口、弹性刮片、喷液态光敏树脂的喷嘴、紫外光灯和支撑系统，计算机控制系统和置于粉末给料系统中的粉末，粉末给料系统、液态光敏树脂给料系统和可调紫外光输出系统均与计算机控制系统相连，弹性刮片固定在长条型喷口的下方，支撑系统位于弹性刮片、喷液态光敏树脂喷嘴和紫外光灯的下方。该装置虽然增加了紫外灯，但是并未提出提高成型分辨率的方案。

在以上几种发明中，液体喷头是成型设备的核心，它限制了设备成型分辨率、速度以及可以使用的固化液。高分辨率的液体喷头价格昂贵，而且因为其孔径的尺寸约几十微米，容易阻塞，对喷射的液体要求高。

技术实现要素：

为了克服现有技术中的缺陷，本发明提供立体模型的成型设备及其成型方法，通过低分辨率的喷头将固化液喷到成型粉末上形成固液混合物，然后通过高精度的能量投射装置对低分辨率的固液混合物进行固化，从而获得高分辨率的立体模型。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种立体模型的成型设备，包括成型粉末分散装置、液体喷射装置、成型腔、控制装置和驱动装置，所述成型粉末分散装置包括成型粉末仓、成型粉末输送装置和成型粉末推刮装置，所述成型粉末推刮装置包括与所述驱动装置连接的滚筒，所述液体喷射装置设置在成型腔的开口的上部，所述成型粉末仓和成型腔内分别设有升降装置，所述液体喷射装置至少包括一个液体喷头，成型腔上方设有按照设定的形状将特定固化能量以优于0.5毫米的分辨率尺寸投射到成型腔内成型粉末层上的能量投射装置。进一步地，所述能量投射装置和液体喷射装置设置在运动支架上。

进一步地，所述成型粉末仓和成型腔为开口向上的筒状结构，所述筒状结构的开口并排设置在同一水平面，所述滚筒设置在成型粉末仓和成型腔的开口的上部，所述成型粉末仓的升降装置为固装在第二推杆上沿成型粉末仓内侧壁做往返运动的料板，所述成型腔的升降装置为固装在第一推杆上沿所述成型腔内侧壁做往返运动的成型平台。

进一步地，所述能量投射装置为投影装置或扫描装置。

本发明还提供了一种立体模型的成型方法，所述方法至少包括：

步骤1：将立体模型按照预先设定厚度做切片分层，得到立体模型的若干个具有二维形状的层叠结构图层；

步骤2：在成型平台上按照步骤1所述预先设定厚度铺设成型粉末层；

步骤3：根据步骤1中最底层的具有二维形状的层叠结构图层，所述液体喷头将固化液喷在步骤2所述成型粉末层上以形成固液混合物，所述固液混合物的分辨率尺寸至少大于1.5倍的成型分辨率尺寸,并且所述固液混合物覆盖所述最底层的层叠结构图层的形状；

步骤4：根据步骤1中最底层的具有二维形状的层叠结构图层，所述能量投射装置将特定固化能量投射在所述固液混合物上，所述能量投射装置的投射分辨率尺寸与所述成型分辨率尺寸相等；所述特定固化能量使所述固液混合物中的液态成分固化并将成型粉末结合在一起，得到第一模型层；

步骤5：在所述第一模型层上铺设成型粉末层，得到后续成型粉末层；

步骤6：根据步骤1中得到的对应后续成型粉末层的层叠结构图层，所述液体喷头将固化液喷在所述后续成型粉末层上以形成固液混合物，同样，所述固液混合物的分辨率尺寸至少大于1.5倍的成型分辨率尺寸,并且所述固液混合物覆盖所述后续成型粉末层的层叠结构图层的形状；

步骤7：根据步骤1中得到的对应所述后续成型粉末层的层叠结构图层，所述能量投射装置将特定固化能量投射在所述固液混合物上，且所述能量投射装置的投射分辨率尺寸与所述成型分辨率尺寸相等；所述特定固化能量使所述固液混合物中的液态成分固化并将成型粉末结合在一起，得到后续模型层，所述固化液的喷量足够多且所述特定固化能量的强度足够大为条件，使得后续模型层与相邻的图层重叠部分固化并结合在一起；

步骤8：重复步骤5-7若干次，得到全部成型粉末层叠结构图层的模型层，即整体的立体模型坯体；

步骤9：去除所述立体模型坯体上未结合的成型粉末，得到包裹着所述固液混合物的立体模型实体；

步骤10：去除立体模型实体上未固化的所述固液混合物，得到最终的立体模型实体。

进一步地，所述特定固化能量为紫外光、可见光、红外线、微波、超声波、激光中的一种或几种。

进一步地，所述能量投射装置投射的特定固化能量能够使所述固液混合物在几秒到几十秒的时间内固化。

进一步地，所述固化液含有蛋白质。

进一步地，所述固化液为不含有光引发剂的光敏胶，且所述成型粉末层含有光引发剂。

进一步地，所述固化液为含有光引发剂的光敏胶。

进一步地，所述光引发剂为TPO，其化学名称为2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦。

与现有技术相比，本发明的优越效果在于：本发明提供的立体模型实体成型设备及方法能够根据计算机提供的立体模型的数据构造出立体模型实体，方便了产品设计初期的试制、客户专有模型定制、以及展示打样的过程，降低了成本。本立体模型实体成型设备及方法尤其适合形状复杂模型的成型。本发明能够使用低分辨率的液体喷头，从而提高速度和固化液选择的灵活性，并降低成本。另外，通过投射高精度的特定固化能量实现固化，能获得更高的分辨率，实现最优的成型效果。

附图说明

图1为本发明所述立体模型的成型设备结构示意图；

图2为本发明所述立体模型的层状结构分解示意图；

图3为本发明所述立体模型的成型设备投射特定固化能量的工作示意图；

图4为本发明所述立体模型的成型截面示意图；

图5为本发明所述立体模型的另一种更复杂的成型截面示意图。

附图标记如下：

1-成型平台，2-成型腔，3-成型粉末，4-成型粉末仓，5-第一推杆，6-第二推杆，7-滚筒，8-液体喷射装置，9-固化液，10-立体模型，10-1-第一图层，10-2-第二图层，10-3-第三图层，10-4-第四图层，11-未固化的固液混合物，12-能量投射装置，13-紫外光，14-料板，15-运动支架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。

如附图1-5所示，本发明提供的一种立体模型的成型设备，包括成型粉末分散装置、喷射装置8、成型腔2、控制装置和驱动装置，所述成型粉末分散装置包括成型粉末仓4、成型粉末输送装置和成型粉末推刮装置，所述成型粉末推刮装置包括与所述驱动装置连接的滚筒7，所述液体喷射装置8设置在成型腔2的开口的上部，所述成型粉末仓4和成型腔2内分别设有升降装置，所述液体喷射装置8包括一个液体喷头，成型腔2上方设有按照设定的形状将特定固化能量投射到成型腔内成型粉末层上的能量投射装置。能量投射装置12和液体喷射装置8设置在运动支架15上。虽然所述特定固化能量投射的分辨率尺寸和所述液体喷头的喷射分辨率尺寸之间不存在各自本身技术上的限定关系，通常所述特定固化能量投射的分辨率尺寸应当小于所述液体喷头的喷射分辨率尺寸的2/3，否则对成型分辨率的改善没有显著意义。所述成型粉末仓4和成型腔2为开口向上的筒状结构，所述筒状结构的开口并排设置在同一水平面，所述滚筒7设置在成型粉末仓4和成型腔2的开口的上部，所述成型粉末仓4的升降装置为固装在第二推杆6上沿成型粉末仓4内侧壁做往返运动的料板14，所述成型腔2的升降装置为固装在第一推杆5上沿所述成型腔2内侧壁做往返运动的成型平台1。所述能量投射装置12为投影装置或扫描装置，所述特定固化能量为紫外光、可见光、红外线、微波、超声波、激光中的一种或几种以适应不同性质的所述固化液，例如，如果所述固化液为光敏胶，可以使用紫外光固化；如果所述固化液要达到一定温度才引发固化反应，则可以使用红外线固化。

本发明中，所述成型平台1、成型腔2、成型粉末腔4、第一推杆5、第二推杆6、滚筒7和料板14构成粉末子系统，所述粉末子系统内各部件协同工作，实现储藏成型粉末和逐层铺设成型粉末的功能。本实施例中能量投射装置12采用紫外光投影机，所述紫外光投影机的投影器件可以采用数字微反射镜器件(DMD)，或采用硅基液晶器件(LCOS)，或采用透过式的投影液晶。若光引发剂采用TPO，紫外光13采用波长为395nm-405nm的蓝紫光，这样紫外光13采用成本较低的LED光源，而且投影器件可以使用低成本的投影液晶，如果使用更短波长的紫外光13，如采用365nm的紫外光，能量较高，长时间使用会缩短液晶屏的寿命，这时采用DMD为较佳的选择。在具体操作时，所述液体喷头的分辨率为48dpi，所述喷头的点直径约为0.5mm，即分辨率尺寸为0.5mm，投影的紫外光13采用395nm-405nm波长的LED光源，紫外光投影器件采用TI公司的DMD器件，型号DLP3010，其分辨率为1280x720，投影分辨率尺寸设计为0.1mm，单次投影覆盖面积为128mmx72mm，能通过移动投影的方式扩大其工作面积。

本发明中，所述成型腔是可以随所述立体模型实体一并构造出来的，例如在立体模型周围一并成型出筒形的所述成型腔，该成型腔内部的粉末能够按层整齐排列，成型腔外部的粉末可以不定型堆积，这种方式特别适合大型立体模型实体的成型。

本发明还提供了一种立体模型的成型方法，所述方法包括：

步骤1：将立体模型10按照预先设定厚度做切片分层，得到立体模型10的若干个具有二维形状的层叠结构图层；所述立体模型10的立体模型数据经过计算机分层切片处理后得到若干平面的具有二维形状的层叠结构图层数据，所述切片分层并不是物理切片过程，而是由计算机将立体模型数据分割成逐层重叠的平面图层数据，这些平面图层叠加后能够还原出原来的立体模型10；所述切片分层的具体算法有多种，这里不过多重复，基本操作是先确定一个切片的高度Z，也就是确定某个切片的水平面，立体模型数据通常为三维的包络面，由若干三角型构成，立体模型10与该平面相切，形成在该平面的二维的包络曲线，即所述的层叠结构图层；必要时根据立体模型10对应实体部分对包络曲线进行填充，例如图2的10-1至10-4所示，其中圆形的内部对应立体模型实体，可以进行填充，填充后各结构图层能更充分地表示所述立体模型10。

步骤2：在成型平台1上按照步骤1所述预先设定厚度铺设成型粉末层。在铺设成型粉末层时，所述第一推杆5带动成型平台1下降一层的距离，第二推杆6上升，使成型粉末3溢出成型粉末仓4，滚筒7自左向右运动，将成型粉末3平推至成型腔2，在成型平台1上平铺一层成型粉末层，滚筒7平推也能逆着推动方向转动，使成型粉末3平铺得更加均匀。

步骤3：根据步骤1中最底层的具有二维形状的层叠结构图层，所述液体喷头将固化液9喷在步骤2所述成型粉末层上以形成固液混合物，所述固液混合物的分辨率尺寸至少大于1.5倍的成型分辨率尺寸,并且所述固液混合物覆盖所述最底层的层叠结构图层的形状。

步骤4：根据步骤1中最底层的具有二维形状的层叠结构图层，所述能量投射装置12将特定固化能量投射在固液混合物上，所述能量投射装置12能够使所述固液混合物在几秒到几十秒的时间内固化；所述能量投射装置12的投射分辨率尺寸与成型分辨率尺寸相等；所述特定固化能量使所述固液混合物中的液态成分固化并将成型粉末结合在一起，得到第一模型层；所述成型腔2上方设有紫外光投影机，将特定图形的紫外光13投影到成型粉末层，特别是将图形投影到所述固液混合物上。喷射装置8包括一个喷头，能喷射较低分辨率(即较大分辨率尺寸)的固化液，如图4和图5所示。紫外光投影机具有更高的投影分辨率，所以能够使所述固液混合物的成型部分即立体模型10获得更高的分辨率。

步骤5：在所述第一模型层上铺设成型粉末层，得到后续成型粉末层。

步骤6：根据步骤1中得到的对应后续成型粉末层的层叠结构图层，所述喷头将固化液9喷在所述后续成型粉末层上以形成固液混合物，同样，所述固液混合物的分辨率尺寸至少大于1.5倍的成型分辨率尺寸,并且所述固液混合物覆盖所述后续成型粉末层的层叠结构图层的形状。

步骤7：根据步骤1中得到的对应所述后续成型粉末层的层叠结构图层，所述能量投射装置12将特定固化能量投射在固液混合物上，且所述能量投射装置12的投射分辨率尺寸与成型分辨率尺寸相等；所述特定固化能量使所述固液混合物中的液态成分固化并将成型粉末结合在一起，得到后续模型层，所述固化液的喷量足够多且所述特定固化能量的强度足够大为条件，使得后续模型层与相邻的图层重叠部分固化并结合在一起。

步骤8：重复步骤5-7若干次，得到全部成型粉末层叠结构图层的模型层，即整体的立体模型坯体。

步骤9：去除所述立体模型坯体上未结合的成型粉末，得到包裹着所述固液混合物的立体模型实体。

步骤10：去除立体模型实体上未固化的固液混合物11，得到最终的立体模型实体。

其中，所述设定厚度可以根据立体模型的形状而变化，例如，如果相邻的所述层叠结构图层变化较大，也就是说垂直曲面相对于垂直方向的斜率变化较大，例如在圆球形的顶部，所述设定厚度可以相对较小以改善所述立体模型实体成型表面的平滑度；反之所述设定厚度可以相对较大以提高成型速度。

其中，所述固化液9为含有光引发剂的光敏胶，所述光引发剂采用TPO。所述成型粉末包括50％以上的陶瓷粉末、金属粉末、塑料粉末和玻璃粉末中的一种或几种，例如，所述陶瓷粉末为含有80％以上的1000目高岭土陶瓷粉。

所述固化液9采用含有光引发剂的光敏胶，所述固化液9也能采用不含光引发剂的光敏胶，而所述成型粉末3含有光引发剂或者催化剂，这样光敏胶不含引发剂便于保存和输送。同类的固化液，能使用若干种，每种包含不同的颜色元素，并且由各自设置的喷头喷出，成型出彩色的立体模型实体。所述颜色元素是直接染料，例如，添加在固化液中，直接成型出彩色的立体模型实体；也能是间接染料，例如，重金属盐，添加在固化液中，并且成型粉末3为陶瓷粉末，经烧结后能呈现不同颜色。紫外线投影机发出的紫外光13能引发所述固液混合物中胶体的固化反应，具体过程是光引发剂(或光敏剂)在紫外线的照射下吸收紫外光后产生活性自由基或阳离子，引发单体聚合、交联化学反应，使所述固化液在数秒钟内由液态转化为固态，这样在每一层成型时，通过紫外光投影机在所述固液混合物上投影所述层叠结构图层的形状，使所述层叠结构图层的部分固液混合物得到足够的固化，而未被投影的所述固液混合物没有完成固化，同时不排除因为温度、时间、散射紫外线、或者漏光紫外线等因素导致的未被投影的固液混合物的缓慢部分固化，即在得到的整体的立体模型坯体上未被投影的所述固液混合物能够通过浸泡、冲洗或者空气吹等简单的物理或化学方法去除，从而未用于成型的粉末可以回收，仅损失少量的未被投影的固液混合物。以上实施例介绍的装置是基于笛卡尔直角坐标系，实际装置还能按极坐标系分层，并按照相同的方法构造立体模型实体。

本发明关于按照设定的形状向成型粉末喷射低分辨率液体然后通过高分辨率投射设定的形状的特定固化能量来逐层固化成型，同理，也可以按照设定的形状在成型液体表面喷洒固体粉末，特别是比重与所述成型液体相当的粉末，然后通过高分辨率投射特定固化能量来逐层固化成型，这样未用于成型的液体可以回收，仅损失少量的未被投影的固液混合物。

本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的保护范围。