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

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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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