CN104626592A - 一种立体模型的成型设备及其成型方法 - Google Patents

Abstract

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。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、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，所述喷射装置设置在成型腔开口的上部，所述成型粉末仓和成型腔内分别设有升降装置，所述喷射装置至少包括第一喷头和第二喷头。本发明还提供一种立体模型的成型方法能根据立体模型的数据能制造立体模型实体，方便设计初期的试制、专有模型定制和展示打样的过程，尤其适用形状复杂模型成型。

Description

一种立体模型的成型设备及其成型方法

技术领域

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本，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。这种方法需要在基础粉末里添加粘合剂，降低了基础粉末的含量，增加成本，而且会使合成粉末不稳定，例如受热或受潮会使粉末发生固化，不利于保存。

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。该装置要额外的紫外光照系统，增加成本。

发明内容

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，通过喷射装置包括的第一喷头和第二喷头，先在立体模型的每层层状结构的形状上喷射第一固化液，再喷射第二固化液，两种固化液相遇后发生固化反应，实现成型粉末在立体模型的逐层固化，最后得到立体模型。

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、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，所述喷射装置至少包括第一喷头和第二喷头。

进一步的，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。

进一步的，所述成型腔或成型平台设有加热装置或者冷却装置。

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：在所述成型平台上按照步骤1所述预先设定厚度铺设一层成型粉末层；

步骤3：根据步骤1中最底层的所述具有二维形状的层叠结构图层，所述第一喷头和第二喷头分别将第一固化液和第二固化液喷在步骤2所述成型粉末层上，所述第一固化液在步骤2中所述成型粉末层上的形状与所述第二固化液在所述成型粉末上的形状重叠；所述第一固化液和第二固化液相遇后发生固化反应，并将所述第一固化液和第二固化液所在部位的成型粉末结合在一起，得到所述成型粉末层的形状模型层；

步骤4：在已完成的前一个步骤中所述模型层上再铺设一层成型粉末，得到待完成的后续成型粉末层；

步骤5：根据步骤1中所述层叠结构图层的待完成后续层的二维形状，所述第一喷头和第二喷头分别将所述第一固化液和第二固化液喷在步骤4中所述后续成型粉末层上，所述第一固化液在所述成型粉末上的形状与所述第二固化液在所述成型粉末上的形状重叠；所述第一固化液和第二固化液相遇后发生固化反应，并将所述第一固化液和第二固化液所在部位的成型粉末结合在一起，得到所述成型粉末层的后续模型层；以所述第一固化液和第二固化液的喷量足够多为条件，使得上、下相邻的两层图层重叠部分牢固固化在一起；

步骤6：重复步骤4和步骤5若干次，得到全部成型粉末层叠结构图层的模型层，整体固化后得到立体模型坯体；

步骤7：去除所述立体模型坯体上未结合的成型粉末，得到立体模型实体。

进一步的，所述第一固化液含有凝胶单体，所述凝胶单体包括丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺和亚甲基双丙烯酰胺的一种或几种混合物，所述第二固化液包括过硫酸铵、四甲基乙二胺或者双氧水的一种或几种混合物。

进一步的，所述第一固化液为质量百分比1.5％至10％的亚甲基双丙烯酰胺和质量百分比8％至30％的甲基丙烯酰胺的水溶液。

进一步的，所述第二固化液含有引发剂，所述引发剂为过硫酸铵，所述过硫酸铵的添加量为质量百分比0.5％至10.0％。

进一步的，所述第二固化液含有催化剂，所述催化剂为四甲基乙二胺，所述四甲基乙二胺的添加量为质量百分比不超过0.1％。

进一步的，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。

与现有技术相比，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。本发明使用的成型粉末简单，成本低、能根据不同材料实时调整第一固化液和第二固化液的比例，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示意图；

图3为本发明所述立体模型的成型设备第一工作状态示意图；

图4为本发明所述立体模型的成型设备第二工作状态示意图；

图5为本发明所述立体模型的成型设备第三工作状态示意图；

图6为本发明所述立体模型的成型设备第四工作状态示意图；

图7为本发明所述立体模型的成型设备第五工作状态示意图。

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-喷射装置，9-固化液液滴，10-立体模型，10-1-底层图层，10-2-第二图层，10-3-第三图层，10-4-第四图层，11-第一喷头，12-第一固化液的液滴，13-第一混合点，14-第二喷头，15-第二固化液的液滴，16-第二混合点，17-结合点，18-料板。

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。

实施例1

如图1至图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，所述成型粉末输送装置包括升降装置，所述升降装置能向上运动将成型粉末3推出成型粉末仓4，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18，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，所述喷射装置包括第一喷头11和第二喷头14。

本发明还提供了一种立体模型的成型方法，所述方法包括以下步骤：

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形状的层叠结构图层；本实施例中提供的立体模型10，如图2所示，包括底层图层10-1、第二图层10-2、第三图层10-3和第四图层10-4；

步骤2：在所述成型平台1上按照步骤1所述预先设定厚度铺设一层成型粉末层；

步骤3：根据步骤1中所述第一层叠结构图层，即底层的形状，所述第一喷头11和第二喷头14分别将第一固化液的液滴12和第二固化液的液滴15喷在所述第一成型粉末层上，所述第一固化液的液滴12在步骤2中所述成型粉末层上的形状与所述第二固化液的液滴15在所述成型粉末上的形状重叠；所述第一固化液的液滴12和第二固化液的液滴15相遇后发生固化反应，并将所述第一固化液的液滴12和第二固化液的液滴15所在部位的成型粉末层结合在一起，得到所述第一成型粉末层的形状的第一模型层；

步骤4：在已完成的前一个步骤中所述模型层上再铺设一层成型粉末层，得到待完成的后续成型粉末层；

步骤5：根据步骤1中所述层叠结构图层的待完成的后续层形状,所述第一喷头11和第二喷头14分别将所述第一固化液的液滴12和第二固化液的液滴15喷在步骤4中所述的后续成型粉末层上，所述第一固化液的液滴12在所述成型粉末层上的形状与所述第二固化液的液滴15在所述成型粉末(层)上的形状重叠；所述第一固化液和第二固化液相遇后发生固化反应，并将所述第一固化液的液滴12和第二固化液的液滴15所在部位的成型粉末(层)结合在一起，得到所述的后续成型粉末层的后续模型层；并使所得到的上、下相邻两层的图层重叠部分牢固固化在一起；

步骤6：重复步骤4和步骤5若干次，得到全部成型粉末层叠结构图层的模型层，整体固化后得到立体模型坯体；

步骤7：去除所述立体模型坯体上未结合的成型粉末，得到立体模型实体。

其中，所述第一固化液含有凝胶单体，所述凝胶单体包括丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺和亚甲基双丙烯酰胺的一种或几种混合物，所述第二固化液含有引发剂或催化剂，包括过硫酸铵、四甲基乙二胺或者双氧水的一种或几种混合物。例如，所述第一固化液体为质量百分比1.5％至10％的亚甲基双丙烯酰胺和质量百分比8％至30％的甲基丙烯酰胺的水溶液；所述第二固化液含有过硫酸铵作为引发剂，例如，所述第二固化液体为质量百分比0.5％至10.0％的过硫酸铵水溶液，过硫酸铵干品具有良好的稳定性，易溶于水，在水溶液中能水解成硫酸氢铵和过氧化氢，用作高分子聚合反应的引发剂，所述第二固化液还优选含有催化剂，例如，所述催化剂为四甲基乙二胺，所述四甲基乙二胺的添加量为质量百分比不超过0.1％。，该催化剂降低了固化反应的活化能，从而加速固化反应。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，所述陶瓷粉末为氧化铝粉末，其中粒度范围在60目到400目的粉末占80％以上。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于，实施例2中的成型腔2或成型平台1设有温度控制装置，例如加热或者冷却装置，通过改变成型腔2或成型平台1的温度，即改变成型粉末3的温度，从而控制所述固化反应的速度。

本实施例提供的立体模型的成型方法中，所述步骤1的具体操作为：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；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；立体模型10成型时，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。喷射装置8包括第一喷头11和第二喷头14，所述成型腔2或成型平台1设有加热或者冷却装置，所述成型腔2上还能设有紫外线照射装置，所述加热装置或冷却装置使得成型粉末3保持在设定的温度，所述第一固化液的液滴12和第二固化液的液滴15相遇的固化反应为化学反应过程，温度对其反应速度会产生影响，通常温度升高会加快反应速度，降低温度能减慢反应速度，如果该固化反应的速度过快，固化液还未完全浸入所述成型粉末3，降低最终的成型强度，如果该固化反应的速度过慢，会直接降低成型速度，最佳的温度要根据具体的所述成型粉末3内容以及所述固化液的液滴成分确定，通常以不使任何一种所述固化液在未进行所述固化反应前结冰或沸腾为宜。喷射装置设置的喷头为至少两个，能喷射不同类型的固化液体，如图3所示，第一液体喷头11将第一固化液的小液滴12喷在所述成型粉末3上，液滴与成型粉末混合，如图4所示，形成第一混合点13，第二喷头14将第二固化液的小液滴15喷在所述成型粉末上，并且与第一类液体的小液滴12的位置重叠，也就是第二固化液的小液滴15与第一混合点13接触，形成第二混合点16。从宏观上看，即所述步骤3的所述第一固化液在成型粉末上的形状与所述第二固化液在所述成型粉末上的形状重叠。如图5所示，所述第一固化液和所述第二固化液相遇后产生固化反应。其中第一固化液含有凝胶单体，第二固化液为引发剂，两种液体接触混合后产生交联反应，产生固体凝胶。如图6所示，所述第一固化液和所述第二固化液所在部位，即第二混合点16的所述成型粉末结合在一起，如图7所示，形成粉末结合点17。由于所述第一喷头和第二喷头分别将所述第一固化液和第二固化液喷在成型粉末上，所述控制装置能够根据使用的成型粉末类型调整所述第一固化液和第二固化液的喷射量和喷射比例，实现最优的成型效果。所述第一固化液包括丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺和亚甲基双丙烯酰胺的一种或几种。所述第二固化液包括过硫酸铵、四甲基乙二胺或者双氧水的一种或几种。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。

成型粉末3可以含有引发剂或者催化剂，这样能够减少液体数量或者加快固化速度。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，添加在第一固化液的凝胶单体中，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，添加在第一固化液或者第二固化液中，并且成型粉末3为陶瓷粉末，经烧结后能呈现不同颜色。同时，可以设置紫外线照射装置，紫外线照射装置发出的紫外线能促进胶体的固化反应，在每一层成型后，通过紫外光照射进一步促进所述固化反应。温度影响固化液的固化时间及强度，加热与冷却装置的设置，导致其中所述成型平台能够将所述成型平台加热到室温以上温度和将成型平台1冷却到室温以下温度，所以适当控制成型平台以及成型腔的温度，例如，加热或冷却，能够改善成型质量。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。

Claims (9)

1.一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，其特征在于，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，所述喷射装置(8)至少包括第一喷头(11)和第二喷头(14)。

2.根据权利要求1所述立体模型的成型设备，其特征在于，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(18)，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)，所述喷射装置(8)包括第一喷头(11)和第二喷头(14)。

3.根据权利要求1所述立体模型的成型设备，其特征在于，所述成型腔(2)或成型平台(1)设有加热装置或冷却装置。

4.根据权利要求1所述立体模型的成型设备的成型方法，其特征在于，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；

步骤2：在所述成型平台上按照步骤1所述预先设定厚度铺设一层成型粉末层；

步骤3：根据步骤1中底层的所述具有二维形状的层叠结构图层，所述第一喷头和第二喷头分别将第一固化液和第二固化液喷在步骤2所述成型粉末层上，所述第一固化液在步骤2中所述成型粉末层上的形状与所述第二固化液在所述成型粉末上的形状重叠；所述第一固化液和第二固化液相遇后发生固化反应，并将所述第一固化液和第二固化液所在部位的成型粉末结合在一起，得到所述成型粉末层的形状模型层；

步骤4：在已完成的前一个步骤中所述模型层上再铺设一层成型粉末，得到待完成的后续成型粉末层；

步骤5：根据步骤1中所述层叠结构图层的待完成后续层的二维形状，所述第一喷头和第二喷头分别将所述第一固化液和第二固化液喷在步骤4中所述后续成型粉末层上，所述第一固化液在所述成型粉末上的形状与所述第二固化液在所述成型粉末上的形状重叠；所述第一固化液和第二固化液相遇后发生固化反应，并将所述第一固化液和第二固化液所在部位的成型粉末结合在一起，得到所述成型粉末层的后续模型层；以所述第一固化液和第二固化液的喷量足够多为条件，使得上、下相邻的两层图层重叠部分牢固固化在一起；

步骤6：重复步骤4和步骤5若干次，得到全部成型粉末层叠结构图层的模型层，整体固化后得到立体模型坯体；

步骤7：去除所述立体模型坯体上未结合的成型粉末，得到立体模型实体。

5.根据权利要求4所述立体模型的成型方法，其特征在于，所述第一固化液含有凝胶单体，所述凝胶单体包括丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺和亚甲基双丙烯酰胺的一种或几种混合物，所述第二固化液包括过硫酸铵、四甲基乙二胺或者双氧水的一种或几种混合物。

6.根据权利要求5所述立体模型的成型方法，其特征在于，所述第一固化液为质量百分比1.5％至10％的亚甲基双丙烯酰胺和质量百分比8％至30％的甲基丙烯酰胺的水溶液。

7.根据权利要求4所述立体模型的成型方法，其特征在于，所述第二固化液含有引发剂，所述引发剂为过硫酸铵，所述过硫酸铵的添加量为质量百分比0.5％至10.0％。

8.根据权利要求4所述立体模型的成型方法，其特征在于，所述第二固化液含有催化剂，所述催化剂为四甲基乙二胺，所述四甲基乙二胺的添加量为质量百分比不超过0.1％。

9.根据权利要求4所述立体模型的成型方法，其特征在于，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。