CN104099675B - 一种可用于3d打印的静电纺丝装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于3D打印的静电纺丝装置，主要包括球形高压电极、接收板、绝缘连接件、固定支架、机头、机头加热圈、微型螺杆、联轴器、步进电机、隔热垫片、堵头、纺丝喷头、纺丝喷头加热圈、接地电极、球形接地电极、工件和高压静电发生器等，工作时微型螺杆旋转，把熔体或者溶液输送到纺丝喷头处；纺丝喷头通过螺纹连接在机头上，球形接地电极半包裹在纺丝喷头下端，熔体或者溶液通过纺丝喷头下端的周向分布的豁口均匀地通过球形接地电极表面流到其下端。本发明中高压电极和接地电极同时采用球形电极的方式，避免了普通纺丝设备中针头或者小孔易堵的缺陷，并且和尖端电极相比，减轻了尖端放电，使得其在同等距离下，可以有更强的电压强度。

Description

一种可用于3D打印的静电纺丝装置

技术领域

本发明涉及一种可用于3D打印的静电纺丝装置，属于静电纺丝领域。

背景技术

3D打印(3Dprinting)，即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

运用塑料材料开发的3D打印设备具有设备小巧、价格低廉、应用广泛等优点，可以大规模应用于工业化生产，并且也是未来3D打印设备走入普通百姓家庭的最佳选择。但是目前所开发的熔融沉积法3D打印设备由于其喷嘴直径一般在0.2-0.6mm，并且由于材料的挤出胀大效应，使制成的成品精度不高，严重制约了3D打印机的发展。并且目前熔融沉积法3D打印设备大多采用特制丝状材料，原材料必须经过预加工成为成盘丝状形态才可以使用，使其材料费用较贵，这也是难以大规模应用的重要原因。另外，由于其原理和材料等的限制，使其无法打印微型零件。

静电纺丝技术的基本原理是熔体或者溶液在高压静电场的作用下逐渐发生形变，当电场力大于熔体或者溶液表面张力时，熔体或者溶液就会挣脱其表面张力形成纤维喷向接收电极。

典型的静电纺丝纤维直径为40-2000nm，所以把静电纺丝技术应用到3D设备便成为解决3D打印设备瓶颈的理想选择之一。中国发明专利一种结合静电纺丝技术的快速成型方法及装置(公开号CN101837642A)中采用了静电纺丝和快速成型技术结合的方法制备三维制品，但是专利中采用了毛细管作为喷丝头，虽然可以产生较细的纤维，但是毛细管带来了易堵塞等问题，并且毛细管部位也不便于加温，直接导致熔体在毛细管部位迅速冷却，使纺出来的丝粗细不均，导致制品质量不稳定。另外，尖端电极的运用也容易导致静电击穿，所以开发一种适用于3D打印技术的静电纺丝装置迫在眉睫。

发明内容

本发明提出了一种可用于3D打印的静电纺丝装置，把静电纺丝技术和3D打印技术有机结合，机头和球形高压电极通过绝缘连接件连接在一起，在工作的时候，机头带动球形高压电极在X、Y方向上移动，接收板在Z方向上移动，最大程度保证了纺丝喷头尖端的电场强度的均匀性，从而保证了沉积纤维的靶向性和稳定性，通过软件编程实现工件的逐层打印，进而达到精密零件3D打印的目的，并且可以通过调节高压静电和纺丝距离的大小调节丝的细度，进而调节零件的精度，也可以不加静电使其产生较粗的丝来填充零件的内部，进一步提高3D打印的效率，该装置在引发单根定向射流的前提下，对纺丝喷头进行独立控温，克服了常规针头纺丝中针头部位难于控温的缺点，并且解决了常规针头或者小孔纺丝中易堵塞的难题。

为了实现上述功能，本发明采用的技术方案如下：一种可用于3D打印的静电纺丝装置，主要包括球形高压电极、接收板、绝缘连接件、固定支架、机头、机头加热圈、微型螺杆、联轴器、步进电机、隔热垫片、堵头、纺丝喷头、纺丝喷头加热圈、接地电极、球形接地电极、工件和高压静电发生器等，机头上加工有料仓、步进电机安装孔、联轴器安装孔、微型螺杆孔等，步进电机和机头之间有隔热垫片用来隔热保护步进电机，料仓和微型螺杆孔相通，工作时微型螺杆旋转，把熔体或者溶液输送到纺丝喷头处，通过调节步进电机转速调节熔体或者溶液的输送量；纺丝喷头通过螺纹连接在机头上，球形接地电极半包裹在纺丝喷头下端，熔体或者溶液通过纺丝喷头下端的周向分布的豁口，均匀的通过球形接地电极表面流到其下端；球形高压电极通过绝缘连接件和机头相连，和机头同时随着固定支架在X、Y方向上移动；工件随着接收板在Z方向上移动，从而形成三维立体工件；机头和纺丝喷头外表面分别包裹加热圈进行独立控温。

本发明一种可用于3D打印的静电纺丝装置，料仓、步进电机、微型螺杆和纺丝喷头等都设置在机头上，在满足功能的同时，最大限度地减轻了机头部分的重量。

本发明一种可用于3D打印的静电纺丝装置，高压电极和接地电极同时采用球形电极，在保证纺丝喷头出口处电压强度和泰勒锥形成的同时，改善了了普通纺丝设备中针头或者小孔易堵的问题，而且更容易清理堵料，并且和尖端电极相比，减轻了尖端放电情况的发生，使得其在同等距离下，可以加到更高的电压，即有更强的电场强度，从而可以产生更细的纤维。

本发明一种可用于3D打印的静电纺丝装置，机头和纺丝喷头分别采用独立控温，在保证机头处熔体在熔融状态且不降解的温度状态下，同时纺丝喷头处温度控制在最佳工况状态。

本发明一种可用于3D打印的静电纺丝装置，球形接地电极可以采用金属材质，也可以采用非金属如陶瓷、玻璃等材质，并且根据不同的工作情况也可以采用不同直径的球形接地电极和球形高压电极。

本发明一种可用于3D打印的静电纺丝装置，工作时，工件随着接收板在Z方向上移动，机头和球形高压电极通过绝缘连接件相连，同时在X、Y方向上移动，既保证了3D打印效果，也保证了沉积纤维的靶向性和稳定性。

本发明一种可用于3D打印的静电纺丝装置，在其工作过程中，可以通过调节静电电压的大小来调节丝的细度，进而调节零件的精度，也可以不加静电使其产生较粗的丝来填充零件的内部，进一步提高3D打印的效率。

由以上技术方案可知，本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.高压电极和接地电极同时采用球形电极的方式，在保证纺丝喷头出口处电压强度和泰勒锥形成的同时，改善了普通纺丝设备中针头或者小孔易堵的问题，并且和尖端电极相比，减轻了尖端放电，使得其在同等距离下，可以有更强的电压强度。

2.机头和纺丝喷头分别采用独立控温设计，在保证机头处熔体在熔融状态且不降解的温度状态下，同时纺丝喷头处温度控制在最佳工况状态。

3.球形接地电极和球形高压电极的设计，使得装置可以在不同的工作情况下更加容易的更换不同材质和不同直径的电极，使其满足不同直径和速度等参数的纺丝要求。

4.工作时，工件随着接收板在Z方向上移动，机头和球形高压电极通过绝缘连接件相连，同时在X、Y方向上移动，既保证了3D打印效果，也保证了沉积纤维的靶向性和稳定性。

5.可以通过调节静电电压的大小来调节丝的细度，进而调节3D打印零件的精度，并且可以不加电压直接打印，产生的较粗的丝可以用来填充零件的内部，进一步提高3D打印的效率。

附图说明

图1是本发明一种可用于3D打印的静电纺丝装置的剖视示意图。

图2是本发明一种可用于3D打印的静电纺丝装置的纺丝喷头的球形接地电极部分的A向视图。

图中：1-球形高压电极，2-接收板，3-绝缘连接件，4-固定支架，5-机头，6-机头加热圈，7-微型螺杆，8-联轴器，9-步进电机，10-隔热垫片，11-料仓，12-堵头，13-纺丝喷头，14-纺丝喷头加热圈，15-接地电极，16-球形接地电极，17-工件，18-高压静电发生器，19-豁口。

具体实施方式

实施例1

本发明提出了一种可用于3D打印的静电纺丝装置，如图1所示，主要包括：球形高压电极1、接收板2、绝缘连接件3、固定支架4、机头5、机头加热圈6、微型螺杆7、联轴器8、步进电机9、料仓11、纺丝喷头13、纺丝喷头加热圈14、球形接地电极16、工件17和高压静电发生器18，球形高压电极1固定在绝缘连接件3上，并且其底端和高压静电发生器18相连，绝缘连接件3和机头5相连，机头5固定在固定支架4上，这样，固定支架4在X、Y方向上移动，带动机头5和球形高压电极1同时移动，把步进电机9、联轴器8和微型螺杆7连接在一起，把微型螺杆7插入机头5上螺杆孔中，同时固定步进电机9，把球形接地电极16放到纺丝喷头13的孔中，然后通过螺纹固定到机头5底部，调节球形接地电极16最底端到接收板2的距离为5mm，纺丝喷头13通过螺纹连接在机头5上，球形接地电极16半包裹在纺丝喷头13下端，熔体或者溶液通过纺丝喷头13下端的周向分布的豁口19，均匀地通过球形接地电极16表面流到其下端；球形接地电极16和纺丝喷头13的结合部分的正面视图如图2所示，即为图1中的A向视图，纺丝喷头13下端往里凹用来包裹球形接地电极16，并且有均布豁口19，调节球形接地电极16和球形高压电极1的距离为15mm，在料仓11中加入聚丙烯(PP6820)颗粒，调节机头加热圈6温度到220℃，同时保持温度，调节纺丝喷头加热圈14温度到240℃，启动步进电机9，调节其转速为18转/分钟，等到球形接地电极16底部有熔体聚集启动高压静电发生器18，调节电压为7.5kv，同时启动X、Y和Z方向的预先设定好的模型的进给程序，经过一定时间，模型打印完毕，恢复原位，关闭高压静电发生器18，取出工件，完成精细工件3D打印。

实施例2

按照实施例一步骤安装好各个部件，调节好各个参数，按照设定好的程序打印模型零件的底面和侧面轮廓，轮廓厚度为1-2mm，然后按照程序自动关闭高压静电发生器18，同时步进电机9提高转速增加进给量，固定支架4按照程序设定在X、Y方向上移动，使较粗的丝填充零件内部腔体，填充完毕后，装置按照程序再次自动打开高压静电发生器18，调节电压为7.5kv，步进电机9降低转速减少进给量，按照程序自动调节球形接地电极16和零件顶部距离为2mm，然后根据设定程序打印零件的顶端结构，打印完毕，高压静电发生器18自动关闭，恢复原位，运用此种方法比实施例一约节省一半时间。

Claims (5)

1.一种可用于3D打印的静电纺丝装置，其特征在于：主要包括球形高压电极、接收板、绝缘连接件、固定支架、机头、机头加热圈、微型螺杆、联轴器、步进电机、隔热垫片、堵头、纺丝喷头、纺丝喷头加热圈、纺丝喷头接地电极、球形接地电极、工件和高压静电发生器，机头上加工有料仓、步进电机安装孔、联轴器安装孔、微型螺杆孔等，步进电机和机头之间有隔热垫片用来隔热保护步进电机，料仓和微型螺杆孔相通，工作时微型螺杆旋转，把熔体或者溶液输送到纺丝喷头处，通过调节步进电机转速调节熔体或者溶液的输送量；纺丝喷头通过螺纹连接在机头上，球形接地电极半包裹在纺丝喷头下端，熔体或者溶液通过纺丝喷头下端的周向分布的豁口均匀地通过球形接地电极表面流到其下端；球形高压电极通过绝缘连接件和机头相连，和机头同时随着固定支架在X、Y方向上移动；工件随着接收板在Z方向上移动，从而形成三维立体工件。

2.根据权利要求1所述的一种可用于3D打印的静电纺丝装置，其特征在于：料仓、步进电机、微型螺杆和纺丝喷头都设置在机头上。

3.根据权利要求1所述的一种可用于3D打印的静电纺丝装置，其特征在于：机头和纺丝喷头分别采用独立控温。

4.根据权利要求1所述的一种可用于3D打印的静电纺丝装置，其特征在于：球形接地电极采用金属材质，或采用陶瓷或玻璃。

5.根据权利要求1所述的一种可用于3D打印的静电纺丝装置，其特征在于：工件随着接收板在Z方向上移动，机头和球形高压电极通过绝缘连接件相连，同时在X、Y方向上移动，既保证了3D打印效果，也保证了沉积纤维的靶向性和稳定性。