一種單噴頭多材料多尺度3d打印裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于增材制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種單噴頭多材料多尺度3D打印
目.ο
【背景技術(shù)】
[0002]新材料(復(fù)合材料、超材料、功能梯度材料、多孔輕量化材料、智能材料、非勻質(zhì)材料等)、組織工程、生物醫(yī)療、MEMS、4D打印、電子產(chǎn)品、柔性電子(可穿戴電子設(shè)備等)、航空航天、汽車等諸多領(lǐng)域?qū)τ诙嗖牧?、?微/納多尺度結(jié)構(gòu)一體化制造有著巨大的需求。例如，在生物醫(yī)療領(lǐng)域要打印一個(gè)既包含能隨膝蓋一起運(yùn)動(dòng)的柔軟材料，又包含堅(jiān)硬電子元件的設(shè)備，3D打印機(jī)應(yīng)具有如下能力:從柔軟材料無(wú)縫過(guò)渡到堅(jiān)硬材料，將不同電導(dǎo)率、不同電阻的墨水打印出電路，并能在各種墨水打印材料之間精確切換，而且在執(zhí)行所有這些任務(wù)時(shí)不間斷，這種在打印產(chǎn)品中整合不同材料和性質(zhì)的能力，該產(chǎn)品的打印需要多材料、多尺度3D打印。此外，功能驅(qū)動(dòng)的材料、結(jié)構(gòu)、功能部件一體化設(shè)計(jì)和制造，3D打印控形、控性技術(shù)的實(shí)現(xiàn)也需要多材料、多尺度增材制造技術(shù)和裝備的強(qiáng)有力支撐。
[0003]但是，目前現(xiàn)有的3D打印工藝大多是單材料打印，即使已有的一些多材料3D打印工藝也主要是基于多噴頭技術(shù)，然而基于多噴頭方法存在諸多不足和局限性:(1)無(wú)法實(shí)現(xiàn)多材料主動(dòng)混合；(2)無(wú)法實(shí)現(xiàn)多材料各組分的精確控制；(3)無(wú)法實(shí)現(xiàn)多材料間無(wú)縫過(guò)度(例如從柔軟材料無(wú)縫過(guò)渡到堅(jiān)硬材料)；(4)配置噴頭數(shù)量有限，可打印材料種類數(shù)量受限；(5)多噴頭結(jié)構(gòu)和操作復(fù)雜，設(shè)備成本高；(6)噴頭之間需要頻繁切換，打印效率低；
(7)高粘度液體材料打印困難，可供打印材料種類受限；(8)難以實(shí)現(xiàn)宏、微、納跨/多尺度一體化制造；(9) 3D打印控性能力非常弱。另外，多材料成形噴頭一般采用多個(gè)噴頭并行安裝在同一高度，每個(gè)噴頭可以處理一種材料，打印過(guò)程中一般只有一個(gè)噴頭在工作，同一高度處在待命狀的其他噴頭就可能存在對(duì)構(gòu)建組織成形面的干擾。因此，現(xiàn)有的3D打印技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)多材料、多尺度結(jié)構(gòu)一體化制造。
[0004]基于EHD微尺度3D打印(電噴印)亦稱為電流體動(dòng)力噴射打印(Electrohydrodynamic Jet Printing，E-jet)，是近年新出現(xiàn)的一種新型微納尺度3D打印技術(shù)，它是一種基于電流體動(dòng)力學(xué)(EHD)微液滴噴射成形沉積技術(shù)，與傳統(tǒng)噴印技術(shù)(熱噴印、壓電噴印等)采用“推”方式不同，EHD噴印采用電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)以“拉”方式從液錐(泰勒錐)頂端產(chǎn)生極細(xì)的射流。由于電噴印采用錐射流模式按需噴印的模式，能夠產(chǎn)生非常均勻的液滴并形成高精度圖案；打印分辨率不受噴嘴直徑的限制，能在噴嘴不易堵塞的前提下，實(shí)現(xiàn)亞微米、納米尺度分辨率復(fù)雜三維微納結(jié)構(gòu)的制造。而且可用于電噴印的材料范圍非常廣泛，包括從絕緣聚合物到導(dǎo)電聚合物，從懸濁液到單壁碳納米管溶液，從金屬材料、無(wú)機(jī)功能材料到生物材料等。因此，與現(xiàn)有的3D打印技術(shù)相比，它在成本、效率、可控性、打印面積(結(jié)合卷對(duì)卷工藝)等方面已經(jīng)顯示出突出的優(yōu)勢(shì)和潛能，而且還具有兼容性好(適用材料廣泛，特別是許多高粘度材料)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分辨率高的特點(diǎn)，尤其它是具有特別突出的多材料、跨尺度3D打印潛能。然而，現(xiàn)有多材料電噴印主要是基于多噴頭方案，存在現(xiàn)有多噴頭方案面臨的不足和局限性。
[0005]因此，為了克服現(xiàn)有3D打印和增材制造在多材料、宏/微/納多尺度結(jié)構(gòu)一體化制造方面的存在的不足和缺陷，實(shí)現(xiàn)“功能驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)、材料、性能設(shè)計(jì)和制造一體化無(wú)縫集成”，將材料、微結(jié)構(gòu)、宏觀結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)要素與功能需求目標(biāo)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)控形、控性制造(尤其是通過(guò)多材料、微結(jié)構(gòu)布置改進(jìn)優(yōu)化產(chǎn)品的性能，增加新的功能)，滿足新材料開發(fā)、生物醫(yī)療、電子產(chǎn)品、組織工程、MEMS、可穿戴電子設(shè)備、4D打印等研發(fā)和規(guī)?；a(chǎn)的實(shí)際需求。迫切需要開發(fā)新的多材料、多尺度3D打印工藝和裝備。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006]本實(shí)用新型為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，提供一種單噴頭多材料多尺度3D打印裝置。該裝置實(shí)現(xiàn)了多材料、多尺度結(jié)構(gòu)的一體化制造，提高3D打印控形、控性的能力。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下:
[0008]—種單噴頭多材料多尺度3D打印裝置，包括用于將單種材料或多種材料進(jìn)行混合后進(jìn)行噴涂打印的噴頭，所述噴頭包括進(jìn)料室、設(shè)置在進(jìn)料室下端的混料室和設(shè)置在混料室下端的噴嘴，所述進(jìn)料室的側(cè)壁上設(shè)置若干個(gè)進(jìn)料口，混料室中設(shè)置用于對(duì)多種材料進(jìn)行攪拌的混合攪拌器。
[0009]優(yōu)選的，所述混料室內(nèi)設(shè)置用于將材料導(dǎo)出噴頭的廢液收集器，所述廢液收集器為廢液收集管路，內(nèi)置集成栗，廢液收集管路的一端設(shè)置于混料室內(nèi)部，另一端與外界連通。
[0010]廢液收集器用于通過(guò)真空負(fù)壓回收噴頭內(nèi)殘留的材料，在轉(zhuǎn)換材料時(shí)，開啟廢液收集器，將噴頭內(nèi)殘留的打印材料回收到廢液收集器中，廢液收集器內(nèi)的真空壓強(qiáng)-500mbar。
[0011]優(yōu)選的，所述噴頭設(shè)置進(jìn)氣口，進(jìn)氣口與壓力管路連接。進(jìn)氣口通入氣體，有助于將噴頭中的材料噴出。所述壓力管路的工作范圍是:0.Ι-lbar ;所述真空管路工作范圍是<-0.2bar。為整個(gè)噴印系統(tǒng)提供穩(wěn)定且精確可調(diào)的氣動(dòng)壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)流體。
[0012]優(yōu)選的，所述混合攪拌器包括電機(jī)、螺旋葉片和端蓋，端蓋蓋合在所述進(jìn)料室的上端，電機(jī)安裝在端蓋的下端，螺旋葉片安裝在電機(jī)的下端的混料室內(nèi)，通過(guò)傳動(dòng)軸與電機(jī)連接。中部混料室設(shè)置的混合攪拌器用于對(duì)來(lái)自不同進(jìn)料口的打印材料充分?jǐn)嚢?，混合均勻?br>[0013]優(yōu)選的，所述噴嘴為導(dǎo)電噴嘴，所述導(dǎo)電噴嘴為金屬噴嘴或涂覆導(dǎo)電材料，噴嘴的內(nèi)徑為 0.5-100 μ??。
[0014]導(dǎo)電噴嘴可以實(shí)現(xiàn)利用高壓電場(chǎng)進(jìn)行電噴印，電噴印具有以下優(yōu)點(diǎn):打印液滴直徑小，可以實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)，納米級(jí)的噴印分辨率，可以對(duì)物體的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行打印，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了宏觀/微觀多尺度結(jié)構(gòu)的打??；打印材料廣泛。絕緣或?qū)щ娦再|(zhì)的液體、有機(jī)及無(wú)機(jī)材料、各種溶液或懸濁液都可以用來(lái)打印；噴頭不易堵塞。電噴印是使用強(qiáng)電場(chǎng)力將流體從噴嘴拉出，能夠克服因?yàn)榱黧w粘度太高而噴嘴堵塞的問(wèn)題；精度高。由于噴嘴與接收基板之間的距離很小，能夠減小因?yàn)榭諝鈹_動(dòng)等導(dǎo)致的定位誤差，精度高，可控性好；此外，電噴印非常適合于復(fù)雜和高精度噴印。
[0015]優(yōu)選的，所述進(jìn)料口的個(gè)數(shù)不少于2個(gè)，每個(gè)進(jìn)料口均與微量注射栗連接。進(jìn)料口的個(gè)數(shù)為多個(gè)，可以與多種材料的微量注射栗連接，實(shí)現(xiàn)多材料的3D打印。
[0016]所述單噴頭多材料多尺度的3D打印裝置，還包括底座、工作臺(tái)、承片臺(tái)、基材、電源、上述噴頭和支架，所述底座安裝在最下方，支架和工作臺(tái)均安裝在底座的上方，噴頭安裝在支架上；承片臺(tái)固定在工作臺(tái)上，基材固定在承片臺(tái)的上方；電源的正極和負(fù)極分別與上述噴頭的噴嘴和承臺(tái)片連接；通過(guò)工作臺(tái)和支架之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了噴頭和基材之間的X向、y向和z向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
[0017]噴頭和基材之間的三維相對(duì)運(yùn)動(dòng)，適用于準(zhǔn)確打印立體物體，實(shí)現(xiàn)了對(duì)物體的多軸向打印。
[0018]優(yōu)選的，所述工作臺(tái)為χ-y工作臺(tái)，所述支架為z向工作臺(tái)，噴頭安裝在z向工作臺(tái)上，基材固定在χ-y工作臺(tái)上；噴頭沿z向運(yùn)動(dòng)，基材沿X向和y向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了噴頭和基材之間的X向、y向和z向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；
[0019]或，支架的下端安裝x-y工作臺(tái)，所述支架為z向工作臺(tái)，噴頭安裝在z向工作臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了噴頭的X向、y向和z向運(yùn)動(dòng)。
[0020]優(yōu)選的，所述承臺(tái)片為金屬材質(zhì)的真空吸盤，真空吸盤的進(jìn)氣口與真空管路連接，承臺(tái)片通過(guò)真空負(fù)壓實(shí)現(xiàn)對(duì)基材的固定。
[0021]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述承臺(tái)片還設(shè)置有電加熱裝置，所述電加熱裝置為電加熱棒或電加熱片。電加熱裝置可以通過(guò)對(duì)打印材料進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)打印材料快速固化。
[0022]優(yōu)選的，所述單噴頭多材料多尺度的3D打印裝置的打印材料為溶液，包括有機(jī)聚合物、無(wú)機(jī)功能材料、生物材料、納米粒子、導(dǎo)電材料、石墨稀、碳納米管或者是含有納米粒子的液體復(fù)合材料。
[0023]優(yōu)選的，所述單噴頭多材料多尺度的3D打印裝置，還包括紫外固化光源，其置于基材正上方，曝光光源照射到打印材料沉積在基材上的區(qū)域，用于對(duì)UV光敏材料的固化。
[0024]優(yōu)選的，在所述噴頭的噴嘴附近設(shè)置攝像機(jī)或者視覺檢測(cè)模塊，監(jiān)控實(shí)際電噴印過(guò)程，以及噴印過(guò)程圖形的對(duì)準(zhǔn)。
[0025]上述單噴頭多材料多尺度的3D打印裝置的工作方法，包括如下步驟:
[0026]將基材固定在承片臺(tái)上，調(diào)整噴嘴與基材之間的工作距離，微量進(jìn)料栗將材料輸送進(jìn)入噴頭內(nèi)，噴頭內(nèi)的混合攪拌器對(duì)多種材料進(jìn)行充分混合后，在噴頭的進(jìn)氣壓力及噴嘴和承片臺(tái)之間的電場(chǎng)作用下，混合溶液自噴嘴中噴出，在基材表面進(jìn)行打?。?br>[0027]當(dāng)需要轉(zhuǎn)換打印材料時(shí)，廢液收集器啟動(dòng)，將噴頭內(nèi)多余的材料吸出后，更換為新的材料繼續(xù)打??；當(dāng)需要打印不同尺度的宏觀結(jié)構(gòu)或微米級(jí)結(jié)構(gòu)或納米級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)，通過(guò)改變噴嘴與基材距離、噴嘴和承片臺(tái)之間的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)；直至完成打印。
[0028]優(yōu)選的，噴嘴與基材之間的工作距離為0.01-3毫米。
[0029]優(yōu)選的，所述噴頭的進(jìn)氣壓力為0.Ι-lbar,廢液收集器內(nèi)部的真空壓強(qiáng)為-400—500mbar。
[0030]優(yōu)選的，噴嘴和承片臺(tái)之間的電源的輸出脈沖電壓為0.2-5KV，輸出脈沖頻率ΙΟΗζ-ΙΟΟΟΗζ，輸出波形為方形。
[0031]本實(shí)用新型適用于新材料(復(fù)合材料、超材料、功能梯度材料、多空輕量化材料、智能材料、非勻質(zhì)材料等)、組織工程、生物醫(yī)療、MEMS、4D打印、電子產(chǎn)品、柔性電子(可穿戴電子設(shè)備等)、航空航天、汽車等領(lǐng)域，尤其適合組織工程、功能梯度材料、多空輕量化材料、超材料、智能材料、可穿戴電子設(shè)備、消費(fèi)電子產(chǎn)品、嵌入式傳感器、MEMS等領(lǐng)域的工業(yè)級(jí)規(guī)模化生產(chǎn)。
[0032]本實(shí)用新型的有益效果為:
[0033](1)本實(shí)用新型的噴頭設(shè)置有多個(gè)進(jìn)料口，每個(gè)進(jìn)料口均與不同的微量進(jìn)料栗連接，多種材料進(jìn)入噴頭內(nèi)后，在攪拌器的作用下充分混合，實(shí)現(xiàn)了多材料的打?。槐緦?shí)用新型的噴頭和基材之間可以實(shí)現(xiàn)X向、y向和Z向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，合理控制了打印物體的宏觀幾何形狀、物體內(nèi)部和表面的微結(jié)構(gòu)。
[0034](2)本實(shí)用新型的噴頭的噴嘴為導(dǎo)電噴嘴，在高壓電場(chǎng)中采用電噴印的方式進(jìn)行打印，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物體微觀結(jié)構(gòu)的精確打印，通過(guò)調(diào)節(jié)噴嘴與基材之間的距離，實(shí)現(xiàn)了物體的宏觀