CN106926455B - 一种层级多孔材料的3d打印方法及装置 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种层级多孔材料的3D打印方法及装置。专利基于巴西果效应，即把多种尺寸的颗粒混合物置于容器中，施加外加震荡，体积较大的颗粒会上浮，较小的颗粒会下沉，形成高度方向的梯度分布。基于此效应，本专利在粉末床3D打印工艺中增加了振荡装置。铺料之前，通过震荡使造孔颗粒按照体积大小有序分层；每铺完一层造孔颗粒，再于其上铺设一层液态光敏树脂材料；运用数字掩模技术选择性光固化；层层堆叠，固化成型；通过加热或溶解等后处理工艺去除造孔颗粒，形成分层多孔材料。通过此种方法得到的多孔材料，孔径尺寸沿着层厚方向有序变化，可产生梯度力学和声学性能，用于人造生物组织支架、吸声材料及减震缓冲材料等领域。

Description

一种层级多孔材料的3D打印方法及装置

技术领域

本发明属于快速成型与数字制造领域，具体涉及一种层级多孔材料的3D打印方法及装置。

背景技术

多孔结构材料作为一种典型生物结构材料，普遍存在于自然中，如树木、岩石、蝶翅、骨骼及蜂巢等。多孔的构造减轻了结构的重量，同时又发挥着不可替代的承载和多功能特性。如蝶翅的多孔结构可以有效增加材料的光捕获效率，骨骼的多孔结构可以提高骨骼的强度和抗冲击性能，蜂巢的多孔结构使蜂巢具备天然的吸声能力。因此，多孔结构在航空航天、人造支架、吸声材料、减震材料、分离提纯、选择性吸附、催化剂装载、光电器件及传感器研制等多个领域具有重要的研究和应用价值。

然而，目前制造的多孔结构，孔的尺寸多为随机或均一分布，难以满足特定条件下我们对相关性能的要求。例如骨的结构，其由内而外呈层级孔结构,最外层的骨密质孔径较小空隙率低，具有很高的力学性能；内部的骨松质孔径较大孔隙率较高，力学性能相对较低。当人体骨骼由于疾病和外伤等因素缺损时,就要求修复材料由内而外具备与人体骨骼相似的层级多孔结构。

巴西果效应是一种古老的动力学机制。通过施加外部震荡，体积大的上浮，体积小的下沉，使颗粒按照体积大小分层。巴西果效应是一种简单高效的分层手段，根据此原理，我们在粉末床工艺的基础上，增加了颗粒震荡装置，使颗粒按照体积大小有序分层。

本发明的显著优点在于：1.可打印沿高度方向有序分布的层级多孔结构2.孔隙的大小及分布可通过调整造孔颗粒粒径及分布调节3.分层方法仅靠物理震荡，方法简单，通用型强。

发明内容

本发明提出了一种打印层级多孔材料的3D打印方法及装置。该方法基于粉末床工艺，在供料缸侧面设置2个震荡器，供料缸与机架之间的间隙通过u型密封圈密封。使用刮刀铺料之前，以一定的频率和振幅震荡供料缸特定时间，大体积颗粒材料上浮，小体积颗粒材料下沉，形成层级分布；另设有携带液态光敏基质的料箱，每铺完一层颗粒，成型台高度保持不变，料箱带动液态基质，经成型台，使液态基质渗透于颗粒中；层层堆叠，固化成型；通过加热、溶解等后处理工艺去除造孔颗粒，形成层级多孔材料。

如图1、图2、图3和图4所示，本发明的主要部件包含主机架1、料箱2、成型平台3、控制系统4、供料平台5、供料缸6、振荡器7、u型垫圈8、刮刀9、数字掩膜光固化系统10。本装置共有两个振荡器7，分别位于供料缸6的两侧；u型垫圈8用于供料缸6和主机架1之间的密封；由步进电机带动滑块沿导轨运动，实现料箱、刮刀X向运动；数字掩膜光固化系统10固定于主机架1的顶部，位于成型平台3正上方。

本发明之料箱2的前后壁(长边)底部截面形状为V型，便于铺粉定向。其两边与基面夹角为α和β，α＝30-60°，β＝30-60°。

本发明之造孔颗粒材料形状为类球形，体积大小不一，粒径范围在50μm-5000μm；粒径分布与粒径大小呈线性关系，即粒径越小，颗粒数目越多；粒径越大，颗粒数目越少。且为易升华、易溶解和/或易熔化材料，如碘颗粒、糖、石蜡等，可通过加热、溶解等后处理工艺去除。

本发明之液态基质为光敏树脂，需具有良好的流动性使其均匀渗入颗粒材料中，粘度范围为50-3000CPS(20℃)。

本发明之单层层厚应大于最大造孔颗粒直径的1.2倍。

具体实施工艺步骤如下：

步骤1：运用3D建模软件(如SolidWorks)建立实体模型，导出STL文件至切片软件，经过该系统的数据分析，生成刮刀9、料箱2沿X轴的移动数据，供料平台5、成型平台3沿Z轴移动数据、数字掩膜光固化系统10的图片信息以及曝光时间t。

步骤2：选择粒径分布梯度较为均匀的造孔颗粒，加入到供料平台5中，并以一定的振幅和频率施加外部震荡，使颗粒按照体积大小在高度方向有序分层；将液态基质注入到料箱中；对供料缸6、刮刀9、料箱2、成型平台3进行机械调零，如图5所示。

步骤3：根据步骤2得到的数据，控制系统4控制供料缸6内供料平台5上升1.2倍层厚的厚度，成型平台3下降1倍层厚的厚度，刮刀9从左至右铺粉一定的距离。如图6所示。

步骤4：刮刀9回复原位，如图7所示。

步骤5：保持成型平台3高度不变，根据步骤2得到的数据，控制系统4控制料箱2向左移动一定距离，移动过程中带动液态光敏树脂，经成型平台时，液态光敏树脂渗入造孔颗粒，如图8所示。

步骤6：料箱2回复原位，如图9所示。

步骤7：根据步骤2得到的数据，数字掩膜光固化系统10开启，选择性照射15-20S，如图10所示。

步骤7：重复步骤3-7，层层堆叠成型。

步骤8:将立体模型从成型平台3上取出，进行加热或浸渍等处理2h，去除造孔颗粒；利用异丙酮溶液清洗多余的光敏树脂；将制品放入UV灯室，固化处理10min。

本发明的益处在于：

1.可打印沿高度方向分布的层级多孔结构，同一层颗粒较为均一，层间颗粒体积由下至上依次增大。

2.测量造孔颗粒粒径分布，更换某一粒径范围的颗粒，可调节孔洞大小。

3.分层方式仅靠物理震荡，方法简单，通用型强。

附图说明

图1是本专利一种层级多孔材料的3D打印装置的主视图。包含主机架1、料箱2、成型平台3、控制系统4、供料平台5、供料缸6、振荡器7、u型垫圈8、刮刀9及数字掩膜光固化系统10。其中，供料缸6内圆形区域为造孔颗粒，料箱2内填充区域为液态光敏树脂，箭头方向为机构运动方向。

图2是图1对应俯视图。

图3是图1中Ⅰ局部放大图。

图4是图1中Ⅱ局部放大图，其中α为刮刀前角，β为刮刀后角，箭头方向为铺粉方向。

图5、6、7、8、9、10是本专利一种层级多孔材料的3D打印方法步骤图。详细步骤见发明内容。其中，供料缸内圆形区域为造孔颗粒，料箱内填充区域为液态光敏树脂，箭头方向表示机构运动方向。

图11是本专利一种层级多孔材料的3D打印方法及装置的打印成型的层级多孔材料。共包含20层，灰色填充区域为光敏树脂，白色空隙区域为颗粒去除后的孔洞。

具体实施方式

本实施例中利用升华温度为77℃的碘颗粒为造孔颗粒，粘度为2000CPS(20℃)的光敏树脂作为基质材料，打印孔的直径为50μm-400μm，打印制件高度为10mm。

步骤1：运用3D建模软件(如SolidWorks)建立实体模型，导出STL文件至切片软件，经过该系统的数据分析，生成刮刀9、料箱2沿X轴的移动数据，供料平台5、成型平台3沿Z轴移动数据、数字掩膜光固化系统10的图片信息以及曝光时间t。

步骤2：将粒径分布梯度较为均匀的碘颗粒加入到供料平台5中，以一定的振幅和频率施加外部震荡30分钟，使颗粒按照体积大小在高度方向有序分层，最底层颗粒直径平均为为50μm，最顶层为400μm，依次过度；将液态光敏树脂注入到料箱中；对供料缸6、刮刀9、料箱2、成型平台3进行机械调零。如图5所示。

步骤3：根据步骤2得到的数据，控制系统4控制供料平台5上升0.6mm，成型平台3下降0.5mm，刮刀9从左至右铺粉一定距离。如图6所示

步骤4：刮刀9回复原位，如图7所示。

步骤5：保持成型平台3高度不变，根据步骤2得到的数据，控制系统4控制料箱2向左移动一定距离，移动过程中带动液态光敏树脂，经成型平台3，液态光敏树脂渗入造孔颗粒，如图8所示。

步骤6：料箱2回复原位，如图9所示。

步骤7：根据步骤2得到的数据，数字掩膜光固化系统10开启，选择性照射20S，如图10所示。

步骤7：重复步骤3-7，层层堆叠成型，打印20层的制件，如图11所示。

步骤8:将立体模型从成型平台3上取出，在80℃水浴中加热2h，去除易升华颗粒；利用异丙酮溶液清洗多余的光敏树脂；将制品放入UV灯室，固化处理10min。

Claims (5)

1.一种通过震荡打印层级多孔材料的3D打印方法，其特征在于：基于粉末床工艺，在供料平台设置振荡装置；铺料之前，通过震荡使颗粒材料按照体积大小有序分层；另设有料箱，每铺完一层颗粒，成型台高度保持不变，料箱带动液态光敏树脂材料，经成型台，将液态基质渗透于颗粒中；运用数字掩模技术选择性光固化；层层堆叠，固化成型；通过加热、溶解后处理工艺去除造孔颗粒，形成层级多孔材料。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，造孔颗粒材料形状为类球形，体积大小不一，粒径范围在50μm-5000μm；粒径分布与粒径大小呈线性关系，粒径越小，颗粒数目越多；粒径越大，颗粒数目越少。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，造孔颗粒为易升华、易溶解或易熔化材料，能通过加热和浸泡后处理工艺，去除造孔材料，形成制件中的孔洞。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该液态基质为光敏树脂，在20℃下，粘度范围为50-3000CPS。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法单层层厚应大于最大造孔颗粒直径的1.2倍。

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