CN108068308A - 一种静电纺丝式3d打印机及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种静电纺丝式3D打印机及其应用。该静电纺丝式3D打印机包括：1）机械手臂；2）喷头系统，包含料筒、喷嘴、环形UV曝光装置，电源E；3）料液供给系统，包括压力装置、料液输送管道、料液储罐、料液计量控制装置；4）成型台；5）计算机控制系统。该静电纺丝式3D打印机可应用于纺织品的3D打印成型。

Description

一种静电纺丝式3D打印机及其应用

技术领域

本发明涉及一种静电纺丝式3D打印机及其应用。

背景技术

聚合物材料可以采用立体光刻成型（SLA）、熔融沉积（FDM）等方式实现3D打印。首先，生成构件的三维图形，然后在某一方向上进行切片，将三维图形切片为具有一定厚度的图形，然后，将切片的图形在成型平台上逐层制作出来，即得到立体构件。3D打印对于个性化、复杂结构制作有着天然的优势。

3D打印纺织品、服装等已有尝试，采用通常的打印方法，只能得到材质较硬的构型，与通常纺织品在柔软度、舒适度方面有很大差距。而且，仅限于原型设计，不具有实用性和耐用性。

静电纺丝，是一种特殊的纤维制造工艺，聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝。在电场作用下，针头处的液滴会由球形变为圆锥形（即“泰勒锥”），并从圆锥尖端延展得到纤维细丝。通常这种方法用于制作微纳米级直径的聚合物细丝。

为通过3D打印的方式得到柔软、高强度的纺织品，本发明公开了一种静电纺丝式3D打印机。

发明内容

本发明提供了一种静电纺丝式3D打印机。可实现柔软的、高强度的纺织品3D打印。

本发明提供了一种静电纺丝式3D打印机，其特征在于，其包括：

1）机械手臂，2轴以上，其中，机械手臂至少一节连接在转盘盘面，且连接方向垂直盘面，其中机械手臂末端连接喷头系统或可旋转装置；

2）喷头系统，包含料筒、喷嘴、环形UV曝光装置，电源E，其中喷头系统连接在机械手臂末端或连接在可旋转装置上，其中环形UV曝光装置包含支架、光源、光路罩，其中光源是指LED灯珠、UV光纤或微型LED阵列，其中料筒为直通型料筒或静态混合器，其中料筒外侧带有加热控温装置，其中喷嘴为单喷嘴或同轴双喷嘴，其中电源两极分别连接喷嘴和成型台；

3）料液供给系统，包括压力装置、料液输送管道、料液储罐、料液计量控制装置；

4）成型台；

5）控制系统，包含机械手臂位移控制装置和角度控制装置、环形UV曝光装置控制、成型平台控制装置、电源E控制；

通过控制电源电压、喷嘴与成型台距离、料液组分等调节喷丝的直径、内部形态及堆积形态，实现大尺度制作三维纺织品。

机械手臂201，是指2轴以上的机械手臂。其中，至少有一节与转盘盘面203相连，连接方向与盘面垂直。转盘可360°旋转，旋转精度大于0.0001°，优选的为大于0.01°。

机械手臂201末端连接喷头系统202。

机械手臂末端连接可旋转装置204，旋转角度-180°<γ<180°，优选的为-90°<γ<90°。机械手臂末端与可旋转装置旋转面夹角小于90°。

喷头系统202，包含料筒101、喷嘴106、环形UV曝光装置107、电源E，其中环形UV曝光装置包含支架105、光源103、光路罩104，光源散热系统102。UV曝光装置外边缘与喷头料管外壁距离3mm<L3<50mm，优选的7mm<L3<40mm。光源中心线与垂直方向的夹角0°≤α＜90°，优选的0°≤α<30°。光路罩内壁延长线焦点A与喷嘴末端的距离L2>2mm，优选的L2>5mm，更优选的L2＞10mm。光路罩内壁与外壁宽度1mm<L1<50mm，优选的5mm<L1<40mm。光路罩长度3mm<L4<70mm，优选的5mm<L4<40mm。

UV光源103，是指提供紫外固化的光源，具体指LED或OLED灯珠，数量为2-50个。光源波长为200-500nm的单波长或多波长，光源总功率为0.05-200W。

UV光源103，是指光纤光源，数量为2-50束，光源波长为200-500nm的单波长或多波长，光源总功率为0.05-200W。

UV光源103，是指微型LED阵列，单个LED尺寸长小于30微米，款小于30微米，光源波长为200-500nm的单波长或多波长，光源总功率为0.05-200W。

料筒101，是指直通料筒，料筒内径均一。应用于料液均一，不需要进一步混合的情况。

料筒101，是指具有混合作用的料筒，即静态混合器，具体是指，筒内含有起到混合作用的机构或装置，如螺旋挡片、多空隙填料等，但不限于上述装置或机构。应用于多组分料液，需要混合的情况。

料筒101，外壁含有加热和保温装置，可以控制料液温度在10-150摄氏度，优选的在40-100摄氏度。

喷嘴106，是指单喷嘴，适用于单一料液。喷嘴末端内径0.005mm<D<5mm，优选的0.1mm<D<2mm。喷嘴形状为T型106A1，锥形106A2，但不限于上述形状。外侧包含接线柱120。

喷嘴106，是指同轴双喷嘴，适用于双料液。如图所示，同轴双喷嘴106B1，106B2，外喷嘴106-1末端内径0.01mm<D<5mm，优选的0.1mm<D<3mm；内喷嘴106-2末端内径0.00001mm<D<3mm，优选的0.001mm<D<2.8mm。内喷嘴末端与外喷嘴末端的距离0mm≤L5＜4mm，优选的0mm≤L5＜2mm。外喷嘴内径大于内喷嘴外径。外喷嘴形状为T型，锥形，但不限于上述形状。内喷嘴形状为T型，锥形，但不限于上述形状。内喷嘴从主喷嘴侧壁接入或沿主喷嘴和料筒内部上方接入。外喷嘴输送的为含有光敏树脂的料液M，内喷嘴输送的为与外喷嘴不同的含有光敏树脂的料液，或与料液M不相容的溶剂、水，或气体。外侧包含接线柱120。

电源E，两极分别通过接线柱连接喷嘴和成型台，电压为3-30kV，优选的为7-20kV。

料液供给系统，包括压力装置、料液输送管道、料液储罐、料液计量控制装置。压力装置，是指为料液提供压力以挤出料液的装置，为气压式柱塞泵、螺杆式柱塞泵、螺杆挤出装置等，但不限于上述形式的装置。料液从储料罐输送至料管101，经压力装置和计量控制装装置通过喷嘴输出。

成型台130，是指喷丝的承载体。成型台，其特征在于，可以为平板、人体模型、球面体、曲面体等，但不限于上述形状。成型台可以是固定在某一位置，也可以一定角度和速度旋转、移动。成型台可以为良导体材料、不良导体材料、半导体材料、不良导体材料表面喷涂、电镀导体材料等。上述良导体，其特征在于，具有良好的导电性，如铝、铜、锌、铁、合金导体材料、导电聚合物材料等，但不限于上述材料。上述不良导体材料，其特征在于，具有电绝缘性，如聚丙烯、聚乙烯等绝缘聚合物材料、木材、氧化铝、陶瓷材料等，但不限于上述材料。成型台包含接线柱。

控制系统，包含机械手臂位移控制装置和角度控制装置、环形UV曝光装置控制、成型平台控制装置，电源E控制。通过计算机控制运动部件的位置和运动，控制UV曝光装置的光强及开启和关闭，控制电源E的电压。

打印时，首先将喷头定位于成型台表面，开启电源E，挤出料液，同时机械手臂带动喷头系统按计算机程序运动，同时开启UV曝光系统，实现静电纺丝式3D打印。

喷嘴末端与成型台表面的距离0.5≤L6≤200mm，优选的为1≤L6≤100mm，更优选的为2≤L6≤40mm。

喷丝直径为0.01-500微米，优选的为0.1-300微米，更优选的为0.2-200微米。

通过控制电源电压、喷嘴与成型台距离、料液组分等调节喷丝的直径、内部形态及堆积形态，实现大尺度制作三维纺织品。

喷丝堆积形态，包含有序堆积和无序堆积。

有序堆积，是指喷丝接触成型台表面的方向可控，这样可以通过喷嘴的运动方向得到有序排列的丝线，如图所示。

无序堆积，是指喷丝接触成型台表面的方向不可控，随机抖动堆积，如图所示。

成型后，打印件经过热烘或紫外处理可以获得较好的表面性能和力学性能。

打印材料，为含有光固化组分的树脂，包括光敏树脂，光敏树脂与聚合物（如聚酯、聚醚、聚氨酯、聚丙烯腈等热塑性树脂）陶瓷粉、陶瓷前驱体、二氧化硅粉、聚合物微球、炭黑、石墨烯、二氧化钛粉体、碳酸钙粉体、碳纤维、碳纳米管、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维金属（铜、银、金、铝及其氧化物）微纳米颗粒及其它微纳米粉体或纤维的复合物等，但不限于上述光敏树脂及其复合材料。

依上述设备和方法打印的纺织品，具有质地柔软、具有较高强度和耐用性的特点。

附图说明

图1是机械手臂示意图。

图2是带可旋转盘的机械手臂示意图。

图3是喷头系统示意图。

图4是单喷嘴示意图。

图5是同轴双喷嘴示意图。

图6是有序堆积示意图。

图7是无序堆积示意图。

应理解，在阅读了本发明的内容后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种静电纺丝式3D打印机，其特征在于，其包括：

1）机械手臂，2轴以上，其中，机械手臂至少一节连接在转盘盘面，且连接方向垂直盘面，其中机械手臂末端连接喷头系统或可旋转装置；

2）喷头系统，包含料筒、喷嘴、环形UV曝光装置，电源E，其中喷头系统连接在机械手臂末端或连接在可旋转装置上，其中环形UV曝光装置包含支架、光源、光路罩，其中光源是指LED灯珠、UV光纤或微型LED阵列，其中料筒为直通型料筒或静态混合器，其中料筒外侧带有加热控温装置，其中喷嘴为单喷嘴或同轴双喷嘴，其中电源E两极分别连接喷嘴和成型台；

3）料液供给系统，包括压力装置、料液输送管道、料液储罐、料液计量控制装置；

4）成型台；

5）控制系统，包含机械手臂位移控制装置和角度控制装置、环形UV曝光装置控制、成型平台控制装置、电源E控制；

通过控制电源电压、喷嘴与成型台距离、料液组分等调节喷丝的直径、内部形态及堆积形态，实现大尺度制作三维纺织品。

2.根据权利要求1所述的电源E，其特征在于，两极的电压为3-30kV。

3.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，喷嘴末端与成型台表面的距离为1-50mm。

4.根据权利要求1所述的料液，其特征在于，含有光固化特性的组分。

5.根据权利要求1所述的光源，其特征在于，光源为总功率为0.05-200W的紫外光。

6.根据权利要求1所述的光路罩，其特征在于，光路罩内壁延长线焦点与喷嘴末端的距离L2＞2mm。

7.根据权利要求1所述的光路罩，其特征在于，光路罩中心线延长线与垂直方向的夹角0°≤α<90°。

8.根据权利要求1所述的喷丝，其特征在于，喷丝直径在0.01-500微米。

9.根据权利要求1所述的喷嘴，戚特征在于，喷嘴末端与成型台表面的距离0.5mm≤L6≤200mm。

10.根据权利要求1所述的堆积形态，其特征在于，包括有序堆积和无序堆积。