CN106426911A - 一种高强度聚合物3d打印设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度聚合物3D打印设备及方法，属于3D打印领域。所述装置主要包括挤出机、料斗、加热装置、叠层器、薄膜定型装置、张紧轮、薄膜固定装置、静电喷胶装置、激光切割器、压板、废膜收集器和打印平台。处在同一水平面的有叠层器、薄膜定型装置、薄膜固定装置、打印平台以及废膜收集器，叠层器的挤出速度与薄膜定型装置的速度、张紧轮的上升速度、薄膜固定装置的速度以及废膜收集器的速度一致，打印平台在每次切割结束都会先上升将制品压实然后下降一定高度。通过叠层器产生的薄膜其力学性能显著提高，而层与层之间通过同材料的溶液粘结剂进行粘结并压实，本发明装置及方法解决了现在3D打印速度慢、冷却时间长及制品强度低的缺点。

Description

一种高强度聚合物3D打印设备及方法

技术领域

本发明涉及一种高强度聚合物3D打印设备及方法，属于3D打印领域。

背景技术

3D打印技术是指通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来制造三维实体的技术，跟传统的去除材料加工技术是不一样的，所以又被成为增材制造(AM，AdditiveManufacturing)。3D打印技术现阶段主要应用领域有模具制造、艺术创作、产品模型生物工程与医学等等，通过3D打印技术来代替传统的精细加工工艺。

3D打印技术目前已经取得了长足的进步，并可以实现彩印。比较出名的3D打印机制造商为美国3D Systems和Stratasys这两家公司，现阶段3D打印正处于迅速发展及整合阶段。国内的3D打印起步较慢，发展速度较慢，仅有部分企业开始了3D打印机的生产和销售。但是国产的3D打印机的产品相对技术含量较低，在打印速度、打印精度以及打印规模等方面很难满足商业需求。3D打印要想进一步扩展，仍面临着很多问题：一是成本方面，现在市面所售的3D打印机价格昂贵，对3D打印普及造成一定的困扰。二是打印的材料目前大多都是化学聚合物，制品的局限性较大，而且产品的机械性能较差，安全方面也存在风险。三是在打印速度和精度以及打印效率方面的最优化还没有解决，提高打印速度就会降低打印精度，从而影响产品合格率，但提高打印精度会导致打印速度降低，从而无法去大规模生产，这两者之间存在严重冲突。

目前能满足提高打印速度和打印制品强度需求的制备工艺和装置的文献和专利报道较少。

本发明中使用的聚合物纳米叠层装置,借鉴的是一项发明专利200910237622.5,将n层高分子熔体叠加，并经过双向拉伸形成一层具有高度结晶取向的纳米叠层薄膜,该纳米叠层薄膜具有良好力学性能,对3D打印制品的强度提升起到重要帮助。

本发明基于聚合物纳米叠层装置与3D打印中的薄片分层堆层成型法，通过设计实现聚合物纳米叠层薄膜逐层裁剪堆叠，从而获得高强度制品，同时提高了打印速度，为3D打印在更多领域应用提供了条件。

发明内容

本发明涉及一种高强度聚合物3D打印设备及方法，将叠层装置与3D打印装置结合起来，通过3D打印装置的激光切割器对叠层装置生产的纳米叠层薄膜进行切割来堆叠，提高了打印速度，减少了冷却时间，每层薄膜在切割前都会喷涂一层与薄膜材质相同的溶液粘结剂，通过一个压板将切割后的材料进行压实，使层与层之间能够紧密粘结，叠层装置生产的纳米叠层薄膜经叠层和双向拉伸后其力学性能显著提高，因此制品具有较高的力学性能。

本发明提出了一种高强度聚合物3D打印设备，其主要组成有：挤出机、料斗、加热装置、叠层器、薄膜定型装置、张紧轮、薄膜固定装置、静电喷胶装置、激光切割器、压板、废膜收集器和打印平台，其中挤出机与叠层器相连，叠层器往后的装置依次是薄膜定型装置、张紧轮、薄膜固定装置、静电喷胶装置、激光切割器以及废膜收集器，激光切割器的下方是一个可以伸缩的压板，压板的下方是打印平台；薄膜定型装置、张紧轮、薄膜固定装置放置在一起，薄膜定型装置、薄膜固定装置以及废膜收集器在将薄膜设定在同一水平面内，薄膜处在同一高度的有叠层器出口、薄膜定型装置进口，薄膜定型装置出口、薄膜固定装置进出口、接收平台以及废膜收集器滚轮等与薄膜接触的部位，叠层器的挤出速度与薄膜定型装置的运行速度、张紧轮工作时的上升速度、薄膜固定装置工作时的速度以及废膜收集器的速度要保持一致，打印平台在每次切割结束后都会先上升一段距离，使得制品经过压板挤压粘结后再下移一定距离。

本发明提出了一种高强度聚合物3D打印设备，其中挤出机与联轴器通过四个螺栓进行轴向定位，叠层器与联轴器通过四个螺栓进行轴向定位连接，将供给的聚合物熔体制造成具有结晶取向的纳米叠层薄膜，该纳米叠层薄膜具有高力学性能，加强了3D打印制品的强度。

本发明提出了一种高强度聚合物3D打印设备，挤出机的电机为步进电机，通过485通讯接口与显示屏相连接，通过控制挤出机螺杆转速达到控制层叠挤出片材的速度。薄膜定型装置为三辊挤压机，用来调节制备的纳米叠层薄膜厚度，使挤出的片材达到所需厚度。

本发明提出了一种高强度聚合物3D打印设备，其打印方法步骤为：

第一步，将聚合物材料添加到料筒中，经挤出机塑化成熔体后，熔体流经叠层器及定型装置后成为n层薄膜，将n层薄膜双向拉伸后加工制成具有结晶取向的纳米叠层薄膜，纳米叠层薄膜经过薄膜定型装置达到需要厚度；第二步，纳米叠层薄膜经过静止的张紧轮到达薄膜固定装置，此时膜的制备速度与薄膜定型装置和薄膜固定装置的速度相同，薄膜固定装置能够在纳米叠层薄膜经过静电喷胶装置时，喷嘴将相同材质的静电粘合剂溶液喷淋到薄膜上，待薄膜到达打印平台，此时薄膜固定装置停止工作，张紧轮开始上升，激光切割器迅速切割打印平台上的薄膜，待切割结束后，压板从外侧到达打印平台上方，打印平台上升一定高度，将打印的制品进行挤压，然后打印平台下降一定高度，使制品顶端刚好位于薄膜下方，薄膜固定装置开始工作，张紧轮下降，废膜收集器开始收集废膜，此时三者速度相同并大于叠层挤出速度，如此反复运行直至3D制品被打印出来，然后将制品进行烘干和后处理。

本发明提出了一种高强度聚合物3D打印方法，其中张紧轮是在薄膜被切割时进行上升运动，其移动精度为0.01mm，避免前边产生的纳米叠层薄膜堆叠在一起，其上升速度与叠层器产出薄膜的速率相同，被切割的薄膜是静止的，但是叠层器是连续工作的，此时制造出来的薄膜需要张紧轮来进行收集，张紧轮将连续工作与间歇工作连接到了一起。

本发明提出了一种高强度聚合物3D打印方法，其中薄膜固定装置为双辊挤压机，在激光器切割纳米叠层薄膜时静止不动，起到固定作用，在切割完后运行速度与三辊挤压机一致，直至新的未切割的纳米叠层薄膜覆盖整个接收平台后再次停止运动，废膜收集器的运动状况与双辊挤压机相同，切割结束后打印平台先上升将制品压实再向下平移一个薄膜厚度。

本发明提出了一种高强度聚合物3D打印方法，其中层与层之间采用的粘结剂是聚合物材料制备的溶液，使用的溶剂具有较好的挥发性，在温控条件下具备挥发快，粘结性好的特点，提高了3D打印制品整体力学性能。

本发明提出了一种高强度聚合物3D打印方法，其中通过切割薄膜来缩减打印冷却时间，不用每层逐点进行打印冷却，解决了打印速度慢的问题，显著提高打印速度。

本发明通过将叠层装置与3D打印装置结合起来，使得3D打印变得更加便捷，通过叠层器产生的纳米叠层薄膜经叠层和拉伸后其力学性能显著提高，从而使3D打印制品强度增加，而层与层之间通过同材料的溶液粘结剂进行粘结和压紧，保证制品层与层之间的粘结性，不容易断开，由于激光切割器直接切割一层，使产品冷却时间减少，打印速度提高，这种设备及方法明显提升了打印速度和制品的强度，解决了现在3D打印速度慢，冷却时间长，制品强度低的缺点，为新技术的应用提供了更多的空间，从而满足了不同应用领域对3D打印的不同需求。

附图说明

图1是本发明一种高强度聚合物3D打印装置轴侧示意图；

图2是本发明一种高强度聚合物3D打印装置示意图；

图3是本发明一种高强度聚合物3D打印装置俯视示意图；

图4是本发明一种高强度聚合物3D打印装置的薄膜运行轨迹示意图；

图5是本发明一种高强度聚合物3D打印装置的激光切割部分示意图；

图6是本发明一种高强度聚合物3D打印装置的压板在外侧时的激光切割部分示意图；

图7是本发明一种高强度聚合物3D打印装置的压板在里侧时的激光切割部分示意图。

1-挤出机，2-料斗，3-加热装置，4-叠层器，5-薄膜定型装置，6-张紧轮，7-薄膜固定装置，8-静电喷胶装置，9-激光切割器，10-压板，11-废膜收集器，12-打印平台。

具体实施方式

本发明提出一种高强度聚合物3D打印装置，其主要组成有：挤出机1、料斗2、加热装置3、三个叠层器4、薄膜定型装置5、张紧轮6、薄膜固定装置7、静电喷胶装置8、激光切割器9、压板10、废膜收集器11和打印平台12，各零部件的位置及连接关系如图1-图3所示。本发明提出一种高强度聚合物3D打印方法，将聚合物材料添加到料斗2中，经挤出机1及其加热装置3和三个叠层器4，将2层薄膜叠加和双向拉伸后加工制成128层超薄具有结晶取向的纳米叠层薄膜，纳米叠层薄膜经过薄膜定型装置5达到0.5mm的厚度，然后经过静止的张紧轮6到达薄膜固定装置7，此时薄膜的制备速度与薄膜定型装置5和薄膜固定装置7的速度相同，在纳米叠层薄膜经过静电喷胶装置8时，喷嘴将相同材质的静电粘合剂溶液喷淋到薄膜上，然后薄膜到达打印平台12上方，此时薄膜固定装置7停止工作，张紧轮6开始上升，激光切割器9迅速切割打印平台12上方的薄膜，如图5-图7所示，待切割结束后，原本停留在外侧的压板10迅速移到内侧，打印平台12先上升一定高度将制品顶到压板上进行压实，然后向下移一定高度，使制品顶端位于整个薄膜下方，此时薄膜固定装置7开始工作，张紧轮6下降，废膜收集器11开始收集废膜，此时三者速度相同并大于叠层挤出速度，如此反复运行直至3D制品被打印出来，然后将制品进行烘干和后处理。薄膜运行轨迹示意图如图4所示。

Claims (4)

1.一种高强度聚合物3D打印设备，其特征在于：主要包括挤出机、料斗、加热装置、叠层器、薄膜定型装置、张紧轮、薄膜固定装置、静电喷胶装置、激光切割器、压板、废膜收集器和打印平台，其中挤出机与叠层器相连，叠层器往后的装置依次是薄膜定型装置、张紧轮、薄膜固定装置、静电喷胶装置、激光切割器以及废膜收集器，激光切割器的下方是一个可以伸缩的压板，压板的下方是打印平台；薄膜定型装置、张紧轮、薄膜固定装置放置在一起，薄膜定型装置、薄膜固定装置以及废膜收集器在将薄膜设定在同一水平面内，薄膜处在同一高度的有叠层器出口、薄膜定型装置进口，薄膜定型装置出口、薄膜固定装置进出口、接收平台以及废膜收集器滚轮等与薄膜接触的部位，叠层器的挤出速度与薄膜定型装置的运行速度、张紧轮工作时的上升速度、薄膜固定装置工作时的速度以及废膜收集器的速度要保持一致，打印平台在每次切割结束后都会先上升一段距离，使得制品经过压板挤压粘结后再下移一定距离。

2.一种高强度聚合物3D打印方法，其特征在于其打印方法步骤为：

第一步，将聚合物材料添加到料筒中，经挤出机塑化成熔体后，熔体流经叠层器及定型装置后成为n层薄膜，将n层薄膜双向拉伸后加工制成具有结晶取向的纳米叠层薄膜，纳米叠层薄膜经过薄膜定型装置达到需要厚度；第二步，纳米叠层薄膜经过静止的张紧轮到达薄膜固定装置，此时膜的制备速度与薄膜定型装置和薄膜固定装置的速度相同，薄膜固定装置能够在纳米叠层薄膜经过静电喷胶装置时，喷嘴将相同材质的静电粘合剂溶液喷淋到薄膜上，待薄膜到达打印平台，此时薄膜固定装置停止工作，张紧轮开始上升，激光切割器迅速切割打印平台上的薄膜，待切割结束后，压板从外侧到达打印平台上方，打印平台上升一定高度，将打印的制品进行挤压，然后打印平台下降一定高度，使制品顶端刚好位于薄膜下方，薄膜固定装置开始工作，张紧轮下降，废膜收集器开始收集废膜，此时三者速度相同并大于叠层挤出速度，如此反复运行直至3D制品被打印出来，然后将制品进行烘干和后处理。

3.根据权利要求2所述的一种高强度聚合物3D打印方法，其特征在于：张紧轮是在薄膜被切割时进行上升运动，其移动精度为0.01mm，避免前边产生的纳米叠层薄膜堆叠在一起，其上升速度与叠层器产出薄膜的速率相同，被切割的薄膜是静止的，但是叠层器是连续工作的，此时制造出来的薄膜需要张紧轮来进行收集，张紧轮将连续工作与间歇工作连接到了一起。

4.根据权利要求2所述的一种高强度聚合物3D打印方法，其特征在于：薄膜固定装置为双辊挤压机，在激光器切割纳米叠层薄膜时静止不动，起到固定作用，在切割完后运行速度与三辊挤压机一致，直至新的未切割的纳米叠层薄膜覆盖整个接收平台后再次停止运动。