CN107351375A - 一种石墨烯/聚苯胺凝胶的3d打印机 - Google Patents

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王梓燊
龙世川
杨扬
师佳
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing

Abstract

一种石墨烯/聚苯胺凝胶的3D打印机，涉及3D打印机。设有打印机机架、Y轴运动模块、XZ轴联动模块和出料打印模块；打印机机架左右两侧固定有主电路板和电源；Y轴运动模块带动的Y轴同步带传动；XZ轴联动模块与Z轴右电机座将X轴和Z轴方向上的运动相连接，X轴步进电机带动的X轴同步带传动；Z轴步进电机控制的Z轴螺杆和Z轴光杆的传动；出料打印模块设有储料送料针筒、塑料三通、出料螺杆搅拌模块和鲁尔挤出针头；塑料三通充当管道和提供搅拌空间，出料螺杆搅拌模块由步进电机控制；储料送料针筒、鲁尔挤出针头均通过鲁尔接口与T型三通头相连接，出料螺杆搅拌模块和T型三通头连接；出料打印模块固定于X轴光杆移动连接件上。

Description

一种石墨烯/聚苯胺凝胶的3D打印机
技术领域
本发明涉及3D打印机，主要应用于石墨烯/聚苯胺凝胶的3D打印成型。
背景技术
石墨烯是一种蜂巢连结状、单原子厚度的二维超薄材料。由于具有良好的热稳定性、较低的密度、优良的导电性、出色的力学性能、较大的比表面积以及优异的催化性能([1]Geim AK,Novoselov KS.The rise of graphene.Nature materials6,183-191(2007))，石墨烯在应用材料科学领域已成为热门研究。在社会生活的各个领域，石墨烯均有广泛的应用。在医学领域，可作为增强剂提高用于制作组织工程骨的、可降解聚合纳米材料的力学性能；在电子科学领域，石墨烯可用于制作结构可控的、三维尺度均小于10nm的超小石墨烯量子点；在能源领域，石墨烯可用于制作复合电极材料，用于提升超级电容器的性能。石墨烯也是构成零维的富勒烯、一维的碳纳米管以及三维石墨等不同维度碳元素组织架构的基本单元。
聚苯胺(PANI)是导电高分子的一种，具有易制取、价格便宜以及良好的导电性等优点([2]Bhadra S,Khastgir D,Singha NK,Lee JH.Progress in preparation,processing and applications of polyaniline.Prog Polym Sci34,783-810(2009))，因此常与石墨烯制成复合材料，既充分发挥石墨烯的高比表面积、高电导率，也利用了聚苯胺的高赝电容量，可广泛应用于传感器、可穿戴设备和超级电容器等领域。
将石墨烯/聚苯胺通过共混，直接制成复合材料，进行三维堆叠造型，包括简单的三维整块石墨烯/聚苯胺的组装，以及利用增材制造技术得到结构可控的三维石墨烯/聚苯胺晶格，具有提升材料多方面性质的潜力，近年来已成为石墨烯应用领域的研究热点，同时亦是研究难点([3]Trung NB,Tam TV,Kim HR,Hur SH,Kim EJ,Choi WM.Three-dimensional hollow balls of graphene-polyaniline hybrids for supercapacitorapplications.Chemical Engineering Journal255,89-96(2014))。因此，开发出能用于石墨烯/聚苯胺复合材料三维可控成型的简单高效、成本低廉、质量优异的3D打印机，对于丰富石墨烯/聚苯胺立体成型手段具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供能应用于石墨烯/聚苯胺复合凝胶材料三维可控成型的简单高效、成本低廉、质量优异，为产业化批量生产结构可控的此类功能性复合材料进行初步尝试的一种石墨烯/聚苯胺凝胶的3D打印机。
本发明设有打印机机架、Y轴运动模块、XZ轴联动模块和出料打印模块；
所述打印机机架的整体架构为三角型，打印机机架的左右两侧分别固定有打印机主电路板和电源；
所述Y轴运动模块通过Y轴步进电机带动的Y轴同步带传动，实现Y轴方向的运动；
所述XZ轴联动模块通过利用Z轴左电机座与Z轴右电机座将X轴和Z轴方向上的运动相连接，X轴步进电机带动的X轴同步带传动，实现X轴方向的运动；Z轴步进电机控制的Z轴螺杆和Z轴光杆的传动，实现Y轴运动模块的上下移动；
所述出料打印模块设有储料送料针筒、塑料三通、出料螺杆搅拌模块和鲁尔挤出针头；所述储料送料针筒用于储存打印材料且能气动送料，所述塑料三通充当管道和提供搅拌空间，所述出料螺杆搅拌模块由步进电机控制，所述鲁尔挤出针头可采用圆锥形鲁尔挤出针头；所述储料送料针筒、鲁尔挤出针头均通过鲁尔接口与T型三通头相连接，出料螺杆搅拌模块和T型三通头配合密封连接；
所述出料打印模块通过将挤出步进电机支撑座用螺丝固定于X轴光杆移动连接件上。
所述打印机机架可采用铝合金框架材料。
所述储料送料针筒可采用10CC标准点胶机针筒，储料送料针筒通过送气管与离心泵相连，离心泵为储料送料针筒提供送料所需气动压力。
所述出料打印模块可赋予其在X轴运动的能力，通过烧录于打印机主控制电路板中的固件与半自动点胶机的联动控制，可实现在打印过程自动平衡储料针筒中压力，保持气动均匀供料。
本发明具有以下优点：
1)气动进料和螺杆传动挤出料相结合的方式，既可以通过连续的气动进料保证打印物料的输送连续性，又可以通过控制与螺杆配合的步进电机的转速，达到精确控制出料量；
2)部分结构零件以及出料打印模块均可利用3D打印机建模打印，一方面有利于磨损部件的及时更换，另一方面可以降低机器成本；
3)不仅适用于石墨烯/聚苯胺凝胶的3D打印，也可以用于其他满足3D成型凝胶流变性质条件的打印材料；
4)三角型的整机架构可使打印过程更为稳定，铝合金的架构成本低廉并易于安装、拆卸。
附图说明
图1为本发明实施例的正视结构示意图；
图2为本发明实施例的俯视结构示意图；
图3为本发明实施例的右视结构示意图；
图4为本发明实施例的左右等二角轴测结构示意图；
图5为本发明实施例打印机机架结构示意图；
图6为本发明实施例Y轴运动模块示意图；
图7为本发明实施例XZ轴联动模块示意图；
图8为本发明实施例挤出模块示意图。
具体实施方式
以下结合附图与具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1～8所示，本发明实施例包括：打印机机架，Y轴运动模块、XZ联动模块，出料打印模块。外围的三角形铝合金材质架构提供了整个装置的骨架部分，打印机的主控制电路板与电源分别安置在打印机的左右两侧；烧录进控制电路板的打印机固件通过控制Y轴运动模块、XZ联动模块以及出料打印模块的步进电机转动方向与转速，用以实现特定速度的3D打印过程。同时，在每次打印之前，通过物件对各个轴限位开关的碰触，传递信号至控制电路板以确定打印坐标零点。
显示控制板1通过螺丝固定于机架上部，可显示相关执行程序；操作控制按键2以选择相关执行程序。M6螺丝孔3均匀分布于机架上下左右4个位置，通过螺丝连接Z轴电机连接件25，以固定其位置。打印机主控制电路板4固定于打印机左侧肋板，打印机固件烧录于其中，其可控制整个打印机的机械运动。Z轴限位开关5用于设置Z轴零点，电源插头6位于打印机右侧，其后部为电源35。
Y轴步进电机7与Y轴皮带轮8相连，Y轴同步带轮8与Y轴同步带9配合，Y轴同步带另一头与Y轴轴承座15上的带边轴承相连。Y轴Φ8光杆11与打印基板13下部连接孔相连，打印基板13由调节弹簧14支撑，调节弹簧14由蝶形螺帽与M3螺丝配合锁定，可通过旋转蝶形螺帽以调节基板13高度。Y轴M8螺杆12与打印机架底部U型支撑槽相配合，用以固定整个Y轴运动模块。在图1、4和6中，标记10为Y轴固定板。
X轴步进电机16的转动带动X轴同步轮17转动，最后带动X轴同步带22传动。X轴步进电机16通过螺丝固连于Z轴左电机座18，Z轴左电机座18通过两根Φ8光杆与Z轴右左电机座24相联，光杆与左右电机座均为过盈配合。Z轴步进电机21与Z轴M8螺杆20通过连轴器相连，Z轴M8螺杆20穿过安装于Z轴左电机座18右侧的T型螺母后，其顶部与Z轴电机连接件25间隙配合。Z轴Φ8光杆19穿过安装于Z轴左电机座18左侧孔洞的直线轴承后，其顶部也与Z轴电机连接件25间隙配合。通过Z轴步进电机21的转动，带动整个X轴运动部分的上下移动。X轴光杆移动连接件23与打印模块通过M3自攻螺丝相连接。
出料打印模块包括：挤出步进电机26、挤出步进电机支撑座27、T型三通头28、鲁尔锁紧头29、10CC标准点胶机针筒30、X轴限位开关31、进气管32和鲁尔挤出针头33等组成。
气动送料部分：压缩泵与点胶机控制器与进气管32相连，点胶机控制器与10CC标准点胶机针筒30通过进气管32相连，压缩泵为整个气动送料部分提供所需气体压力，点胶机控制器控制输入到10CC标准点胶机针筒30的气体压力大小。输入空气推动针筒中活塞向下运动，活塞推动装在针筒里面的凝胶材料均匀注入中间连接管道。
搅拌出料部分：挤出步进电机座26通过移动件连接通孔34与挤出步进电机26螺纹连接；挤出步进电机26与挤出步进电机座27通过4枚M3螺丝连接。挤出螺杆位于T型三通头28内，挤出螺杆顶部的正方形凹槽与挤出步进电机26转轴过盈配合；挤出螺杆与T型三通头28上部过盈配合，配合处有圆形橡胶密封圈防止漏液，挤出螺杆的螺纹部分长度恰好使其底部与T型三通头28平齐；鲁尔挤出针头33与T型三通头28以鲁尔接口规格连接。T型三通头28与10CC标准点胶机针筒30通过鲁尔锁紧头29相连。
启动时，X轴限位开关31与Z轴左电机座18触碰以确定X轴坐标零点。
以下给出具体实施例
利用石墨烯/聚苯胺凝胶进行蜂巢状3D打印。
1、配制石墨烯/聚苯胺凝胶墨水
使用石墨粉，利用Hummer法制成氧化石墨烯溶液。经过离心浓缩后，配制得到16mg/ml的氧化石墨烯溶液。在pH＝1的盐酸环境中，利用过硫酸铵作为氧化剂，使苯胺单体聚合而成聚苯胺(PANI)。得到的PANI经过烘干得到PANI粉末，并使之溶于N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，伴以过夜搅拌制得30mg/ml的PANI-NMP溶液。取2.1ml的30mg/ml PANI-NMP溶液逐滴加入6ml的16mg/ml氧化石墨烯(GO)溶液中，搅拌大约10min后，制得PANI质量分数为40％的PANI/GO打印墨水。
2、利用配制的PANI/GO打印墨水，进行蜂巢状3D打印成型。
将7ml的PANI/GO打印墨水装入10ml的针筒中，使用内径为400μm的喷嘴，通入40psi压力的空气，调整出料打印模块的步进电机转速，使PANI/GO打印墨水匀速从喷嘴口挤出连续的线条。将预先设置好的打印路径存储在内存卡中，并将内存卡插入打印机USB槽口。利用烧录的固件选择打印路径，开始打印。整个打印的基底是在固定于Y轴运动模块平板上的，直径为50mm，厚1mm的圆形有机玻璃基板上进行的。
3、对PANI/GO 3D蜂巢状结构进行后处理
将圆形有机玻璃基板连同其承载的PANI/GO 3D蜂巢状打印物体一同放入盛有浓度为58％氢碘酸的培养皿中，并使之被氢碘酸完全浸没。盖上盖子，放入95℃的烘箱中，热还原1.5h。热还原之后，得到固化的PANI/RGO 3D蜂巢状结构，将之放入装满无水乙醇的1000ml烧杯中进行透析。每天更换一次无水乙醇持续透析，直至透析液清澈即透析完成。取出并烘干打印的物体。

Claims (7)

1.一种石墨烯/聚苯胺凝胶的3D打印机，其特征在于设有打印机机架、Y轴运动模块、XZ轴联动模块和出料打印模块；
所述打印机机架的左右两侧分别固定有打印机主电路板和电源；
所述Y轴运动模块通过Y轴步进电机带动的Y轴同步带传动，实现Y轴方向的运动；
所述XZ轴联动模块通过利用Z轴左电机座与Z轴右电机座将X轴和Z轴方向上的运动相连接，X轴步进电机带动的X轴同步带传动，实现X轴方向的运动；Z轴步进电机控制的Z轴螺杆和Z轴光杆的传动，实现Y轴运动模块的上下移动；
所述出料打印模块设有储料送料针筒、塑料三通、出料螺杆搅拌模块和鲁尔挤出针头；所述储料送料针筒用于储存打印材料且能气动送料，所述塑料三通充当管道和提供搅拌空间，所述出料螺杆搅拌模块由步进电机控制，所述鲁尔挤出针头可采用圆锥形鲁尔挤出针头；所述储料送料针筒、鲁尔挤出针头均通过鲁尔接口与T型三通头相连接，出料螺杆搅拌模块和T型三通头配合密封连接。
2.如权利要求1所述一种石墨烯/聚苯胺凝胶的3D打印机，其特征在于所述打印机机架的整体架构为三角型。
3.如权利要求1所述一种石墨烯/聚苯胺凝胶的3D打印机，其特征在于所述打印机机架采用铝合金框架材料。
4.如权利要求1所述一种石墨烯/聚苯胺凝胶的3D打印机，其特征在于所述储料送料针筒采用10CC标准点胶机针筒。
5.如权利要求1所述一种石墨烯/聚苯胺凝胶的3D打印机，其特征在于所述储料送料针筒通过送气管与离心泵相连，离心泵为储料送料针筒提供送料所需气动压力。
6.如权利要求1所述一种石墨烯/聚苯胺凝胶的3D打印机，其特征在于所述出料打印模块赋予其在X轴运动的能力，通过烧录于打印机主控制电路板中的固件与半自动点胶机的联动控制，实现在打印过程自动平衡储料针筒中压力，保持气动均匀供料。
7.如权利要求1所述一种石墨烯/聚苯胺凝胶的3D打印机，其特征在于所述出料打印模块通过将挤出步进电机支撑座用螺丝固定于X轴光杆移动连接件上。
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