CN106048746A - 一种龙门式静电纺织3d打印装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种龙门式静电纺织3D打印装置，3D打印装置包括机架、工作台和打印头，工作台包括模具辊及驱动模具辊自转的模具辊驱动机构，打印头相对模具辊可沿模具辊的径向和模具辊的轴向往复移动。当需成型筒形产品时，模具辊提供一个附着基体，模具辊与打印头之间的径向移动可以实现产品厚度方向的打印，模具辊与打印头之间的轴向移动可实现产品高度方向的打印，而模具辊的自转则实现了产品周向的打印（相当于宽度方向），本发明中利用模具辊的自转实现一个方向的打印，自转的模具辊不需占用太大空间，因此减少了产品宽度方向对应的打印装置尺寸。

Description

一种龙门式静电纺织3D打印装置

技术领域

本发明涉及一种3D打印领域中的3D打印装置。

背景技术

3D打印作为一种新兴的技术，其应用领域非常广泛，应用市场也非常巨大。现有的3D打印装置包括具有工作台的机架及设置于机架上的打印头机构，打印头机构包括喷射头，喷射头可相对工作台进行x轴、y轴和z轴的移动。使用时，液态原材料或者粉末状原材料被熔融后经打印头流出至工作台上，流质的原材料在工作台上固化成一体结构，最终形成想要的产品形状。现有的这种常规3D打印存在的问题在于：3D打印装置的最终打印产品是流质的材料固化成的一体结构，这种产品韧性较差，不具有耐拉能力，不能应用于韧性、抗拉能力有需求的产品上使用，比如说医学领域中的支架等；此外，由现有3D打印装置打印出来的产品为一体结构，因此该类产品不具有过滤性能，这就导致现有的3D打印装置不能用来打印对过滤性有要求的产品中使用，比如说能够过滤气体的口罩、能够过滤相应分子的血管等。

纳米纤维束的纺织则可以很好的解决上述问题，因此如果能将纺织领域中的静电纺丝应用到3D打印装置上，那就是一项新的技术上的突破。中国专利CN100334268C公开了一种“纳米纤维长丝束的制备方法”，该文件中公开了打印头，该打印头包括一个纺丝箱体，纺丝箱体中设置有成对布置的电纺喷头即电极喷射头，使用时，将高聚物溶液输送给对应电纺喷头，对每一对电纺喷头中的两个喷头分别施加相反极性的直流高电压，电纺喷头顶端的高分子溶液拉伸、鞭动形成带有电荷的纳米纤维，喷口相对的电纺喷头喷出的纳米纤维带有相反电荷，在空中相互吸引、碰撞、形成复合纳米纤维，经导丝辊牵引、拉伸后形成长丝束，然后通过线辊对纳米纤维收集，等待在后续的纺织工艺中使用，因为在原材料中具有表面活性剂，因此收集起来的纳米纤维不会彼此粘连，可以在后续的纺织中使用。但是3D打印技术要求产品直接打印成型，因此需要纤维丝之间具有一定的连接力，而不能像纺织领域中一样先收集到一个线辊上，将原材料中的表面活性剂成分去除，纤维丝在纳米效应下聚集吸附，可以达到成型的效果，这一点在3D打印领域已有相应的研究。然而在试验中发现打印成品的x向尺寸通过打印头、工作台的相对x向移动实现，打印成品的y向尺寸通过打印头、工作台的相对y向移动实现，打印成品的z向尺寸通过打印头、工作台的相对z向移动实现，比如说要打印一个筒形产品，筒形产品的轴向对应z向，而筒形产品的径向成型需通过打印头、工作台之间的相对x向、y向往复移动来实现，筒形产品的直径有多大，打印头、工作台之间的相对x向、y向移动行程就有多大（因此我们常见的3D打印装置均为一个x、y、z向尺寸较为均衡的立方体结构），这样一方面会导致整个产品的尺寸较大，另外高压带电的打印头的频繁往复移动也带来一定的安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以减小x、y、z其中一个反向上占用空间的3D打印装置。

为了解决上述问题，本发明的技术方案为：

3D打印装置，包括机架、工作台和打印头，工作台包括模具辊及驱动模具辊自转的模具辊驱动机构，打印头相对模具辊可沿模具辊的径向和模具辊的轴向往复移动。

模具辊的轴向沿y向延伸，工作台还包括供模具辊转动设置的底座，底座沿y向导向移动装配于所述机架上以实现打印头相对所述模具辊可沿模具辊的轴向往复移动，打印头沿z向导向移动装配于所述机架上以实现打印头相对所述模具辊的径向往复移动。

机架包括左右间隔布置的z向导轨，打印头固定于移动横梁上，移动横梁的两端分别与对应z向导轨导向移动配合。

两个z向导轨的底部固设有底部横梁，底座导向移动装配在所述底部横梁上。

所述打印头为能够喷出纳米纤维丝的电纺喷头。

电纺喷头包括左右间隔布置的正极喷射头和负极喷射头，两个喷射头呈V形布置。

正极喷射头、负极喷射头之间设置有用于将正极喷射头、负极喷射头喷出的纳米纤维丝吹至所述模具辊上的气体导流管。

本发明的有益效果为：本发明中，当需成型筒形产品时，模具辊提供一个附着基体，模具辊与打印头之间的径向移动可以实现产品厚度方向的打印，模具辊与打印头之间的轴向移动可实现产品高度方向的打印，而模具辊的自转则实现了产品周向的打印（相当于宽度方向），本发明中利用模具辊的自转实现一个方向的打印，自转的模具辊不需占用太大空间，因此减少了产品宽度方向对应的打印装置尺寸。

进一步的，打印头为能够喷出纳米纤维丝的电纺喷头，纳米纤维丝在模具辊上缠绕成型，通过纳米纤维成型的筒形产品具有优质的挠性和抗拉能力，同时还具有很好的过滤性能，可以用于血管制造，从而满足医疗等一些特殊领域的使用。

附图说明

图1是本发明的实施例1的结构示意图；

图2是图1中打印头与推进器和高压静电发生器的配合示意图；

图3是本发明的实施例2的结构示意图。

图4是图3中打印头与模具辊的配合示意图。

具体实施方式

3D打印装置的实施例1如图1~2所示：包括设置有工作台的机架，机架上设置有左右间隔布置的z向导轨12，z向导轨12的导向方向为上下方向，z向导轨上导向移动装配有移动横梁13，z向导轨和移动横梁构成龙门式框架结构，两个z向导轨12的上端通过固定横梁11相连，固定横梁11和z向导轨构成门形结构。移动横梁13上设置有打印头14。两个z向导轨的底部设置有底部横梁17，底部横梁17上设置有y向导轨，y向导轨的导向方向为前后方向，工作台包括与y向导轨导向移动配合的底座18及转动设置于底座上的转动轴线沿前后方向延伸的模具辊15，机架上设置有驱动模具辊自转的模具辊驱动机构，模具辊驱动机构包括驱动电机，驱动电机通过传动带16与模具辊传动连接。

打印头为能够喷出纳米纤维丝的电纺喷头，打印头包括由绝缘材质制成的保护管5，保护管5的上端通过喷射头支架4连接有电极喷射头2，保护管5的下端通过电极板支架7连接有成丝电极10，成丝电极10上设置有与电极喷射头的喷口相对应的出丝口6，出丝口6的上端具有大口端朝向电极喷射头的锥形定心段。电极喷射头上同轴线固设有导流气体管1。电极喷射头2的外围设置有与保护管5连通的保护性气体通入管3，本实施例中，保护性气体通入管有四个，四个保护性气体通入管沿周向间隔布置。3D打印装置还包括推进器8和高压静电发生器9，推进器与电机喷射头相连，高压静电发生器的正极、负极分别与电极喷射头和成丝电极电连接。

使用时，将不含表面活性剂的液态高分子原材料置于推进器中，向电极喷射头和成丝电机上施加直流高电压，受电场力的作用，电机喷射头喷出的流体形成纳米级的纤维丝，由保护性气体通入管通入的惰性气体比如说氮气，使纤维丝周围形成一个稳定的环境，避免纤维丝被氧化而影响纤维丝的质量，由导流气体管通入的气体吹着纤维丝，可提高限位丝的成丝长度和出丝速度，出丝口设置的锥形定心段有利于保证纤维丝顺利由出丝口导出。当需要制作管形产品时，由出丝口吹出的纤维丝可周向的缠绕在模具辊上，根据设计程序，往复缠绕，工作台的y向移动实现打印头相对模具辊的轴向移动，打印头的z向移动实现打印头相对模具辊的径向移动，不含表面活性剂的纳米纤维在纳米效应作用不会松散，最终形成管状产品。比如说人造血管、支架等，对于支架而言，可以具有很好的挠性和抗拉能力，对于人造血管而言，纤维丝之间的间隙可以起到高级别的过滤作用，满足血管的使用要求；当需要非管状结构时比如说口罩，可以通过对成型后的管状产品裁剪获得，当然也可以通过设置设计程序，使模具辊仅进行正反往复转动，成型产品非周向封闭即可，也就是说通过模具辊的使用，使得本3D打印装置既可以成型管形产品，也可以成型非管形的片状产品，提高了本3D打印装置的通用性；此外，y向移动由工作台的移动而实现，工作台处于门形框架中，避免整个门形框架y向移动而导致整个3D打印装置占用空间较大的问题，由于打印头上要接高压电，y向移动是一个高频的移动工况，打印头不在y向上运动，通过工作台的y向移动来实现，可保证整个3D打印装置的使用安全性，同样的道理，出丝口相对模具辊的x向移动本来也是一个高频的移动工况，本发明中通过模具辊的转动来实现该过程，即减小了产品的整体尺寸，也避免了打印头移动而带来的风险问题。

在本发明的其它实施例中：高压静电发生器和推进器也可以不作为本3D打印装置的一部分（也就是说可以不随本3D打印装置一起销售），比如说消费者在购买3D打印装置后可自行另配高压静电发生器和推进器；出丝口也可以不设置于成丝电极上，比如说出丝口设置于成丝电极旁；出丝口上的锥形定心段也可以不设；保护管也可以由金属材质制成，此时需保证电极喷射管和/成丝电机与保护管之间的绝缘；还可以电极喷射头上接负极，成丝电极上接正极；保护性气体通入管的个数还可以根据需要进行选择，比如说一个、两个或其它个数，当然当对产品成型质量要求不是很高时，比如说对口罩产品而言，保护性气体通入管也可以不设。

本发明的实施例2如图3~4所示：实施例2与实施例1不同的是，打印头14包括左右间隔布置的正极喷射头14-1和负极喷射头14-2，正极喷射头、负极喷射头属于现有技术，在此对其具体结构不再详述，两个喷射头呈V形布置，正极喷射头14-1、负极喷射头14-2之间设置有用于将正极喷射头、负极喷射头喷出的纳米纤维丝吹至模具辊上的气体导流管25。使用时，正极喷射头与高压静电发生器的正极相连，负极喷射头与高压静电发生器的负极相连，将不含表面活性剂的液态高分子原材料置于推进器中，推进器与正极喷射头和负极喷射头相连，受电场力的作用，喷射头喷出的流体形成纳米级的纤维丝，在气体导流管吹出气体的作用下，纤维丝可周向缠绕在模具辊15上，根据设计程序，往复缠绕，工作台的y向移动实现打印头相对模具辊的轴向移动，打印头的z向移动实现打印头相对模具辊的径向移动，不含表面活性剂的纳米纤维在纳米效应作用不会松散，最终形成管状产品。图中项13表示移动横梁。

在本发明的其它实施例中，打印头也可以不是能够喷出纳米纤维丝的电纺喷头，比如说打印头是一个常规的能够喷出热熔原料的普通喷头；模具辊还可以竖向布置，此时模具辊的轴向沿z向布置，模具辊沿z向移动可以实现产品长度方向的打印，打印头沿模具辊径向上的移动可以实现产品厚度方向的打印。

Claims (7)

1.3D打印装置，包括机架、工作台和打印头，其特征在于：工作台包括模具辊及驱动模具辊自转的模具辊驱动机构，打印头相对模具辊可沿模具辊的径向和模具辊的轴向往复移动。

2.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于：模具辊的轴向沿y向延伸，工作台还包括供模具辊转动设置的底座，底座沿y向导向移动装配于所述机架上以实现打印头相对所述模具辊可沿模具辊的轴向往复移动，打印头沿z向导向移动装配于所述机架上以实现打印头相对所述模具辊的径向往复移动。

3.根据权利要求2所述的3D打印装置，其特征在于：机架包括左右间隔布置的z向导轨，打印头固定于移动横梁上，移动横梁的两端分别与对应z向导轨导向移动配合。

4.根据权利要求3所述的3D打印装置，其特征在于：两个z向导轨的底部固设有底部横梁，底座导向移动装配在所述底部横梁上。

5.根据权利要求1~4任意一项所述的3D打印装置，其特征在于：所述打印头为能够喷出纳米纤维丝的电纺喷头。

6.根据权利要求5所述的3D打印装置，其特征在于：电纺喷头包括左右间隔布置的正极喷射头和负极喷射头，两个喷射头呈V形布置。

7.根据权利要求6所述的3D打印装置，其特征在于：正极喷射头、负极喷射头之间设置有用于将正极喷射头、负极喷射头喷出的纳米纤维丝吹至所述模具辊上的气体导流管。