CN109571938B

CN109571938B - 一种基于静电纺原理的3d打印装置及打印方法

Info

Publication number: CN109571938B
Application number: CN201910079514.3A
Authority: CN
Inventors: 肖学良; 刘良强; 钱坤; 卢雪峰
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Inovi Wuxi New Material Technology Co ltd
Priority date: 2018-05-22
Filing date: 2019-01-28
Publication date: 2020-05-22
Anticipated expiration: 2039-01-28
Also published as: CN108688148A; CN109571938A

Abstract

本发明公开了一种基于静电纺原理的3D打印装置及打印方法，装置包括微量注射泵；微量注射泵的注射出口连接至打印喷头的原料接收口之上；打印喷头固定于三维空间移动框架之上；还包括位于打印喷头下方的接收平台；还包括高压电源；高压电源的正极连接在打印喷头之上；高压电源的负极连接在接收平台之上；所述接收平台的平面分隔为多个栅格单元；在接收平台下方安装有电压控制装置，控制每个栅格单元的电压。本发明首次提出将静电纺丝技术与3D打印技术相结合理念，从而实现功能更加全面的3D打印装置。

Description

一种基于静电纺原理的3D打印装置及打印方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术，具体涉及一种基于静电纺原理的3D打印装置及打印方法。

背景技术

熔融沉积制造技术(FDM)是将低熔点丝状材料通过热熔喷嘴加热挤出，同时三维喷头按照CAD分层数据控制的路径在指定位置沉积，快速冷却后形成一层截面，平台下降一个高度打印下一层，如此反复、逐层沉积，凝固成型后形成整个实体原型。

FDM工艺成型的材料以尼龙、ABS塑料、PLA塑料等热塑性材料为主。

目前常见的FDM喷头为0.4mm，同时采用的丝材为1.75mm，然而由于层与层之间的凝固沉积，打印喷头与平台的移动精度较低等因素导致了成型件外观较差，表面有明显的层状条纹，同时Z轴方向力学性能差等缺点。另一方面，FDM由于只能打印ABS、PLA塑料等少量热塑性材料，在打印材料选择方面受到了极大的限制。

光固化成型技术(SLA)，利用液态光敏材料在紫外线的照射下转变为固态聚合塑胶的特性，结合电脑三维图像，成型时，紫外光束在聚合物液面逐层扫描，照射表面逐层相互固化，最终形成立体模型。

然而光固化成型技术可以使用的材料仅限于光敏液态树脂，且固化时间较长，同时打印需要设计支撑结构，技术具有一定局限性。

静电纺丝(Electrospinning)是将聚合物溶液或熔体在高压电场中进行喷射纺丝的一种特殊纺丝方法。其原理是在喷射装置和接收装置间施加高压静电场，纺丝液在针头端部形成射流，并在电场中被拉伸，最终在接收装置上形成无纺状态的纳米纤维。

然而静电纺丝得到的纤维在接收板上呈无序堆积状态，同时得到的纳米长丝或短纤不容易分离。

目前主要的FDM型3D打印机的相关专利主要集中在喷头与移动方式的改造的设计，打印材料也仅限于常规热熔性ABS、PLA等材料。如专利CN206528081U通过提供一种横向和纵向移动装置，实现打印位置的调整；专利CN204674036U利用龙门框架控制工作平台和挤出机构的运动，提供了一种大尺寸打印设备方案；发明专利申请CN107199338A通过在喷头部分添加超声装置来提高层与层之间的结合强度；在打印材料方面发明专利申请CN106947210A通过将AB塑料、PLA等其他多种添加物混合提供一种韧性打印材料。目前几乎没有将3D打印技术备与静电纺丝技术结合在一起的专利。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种基于静电纺原理的3D打印装置。

本发明的技术方案如下：

一种基于静电纺原理的3D打印装置，包括微量注射泵；微量注射泵的注射出口连接至打印喷头的原料接收口之上；打印喷头固定于三维空间移动框架之上；还包括位于打印喷头下方的接收平台；还包括高压电源；高压电源的正极连接在打印喷头之上；高压电源的负极连接在接收平台之上；所述接收平台的平面分隔为多个栅格单元；在接收平台下方安装有电压控制装置，控制每个栅格单元的电压。

其进一步的技术方案为，包括多个打印喷头和多个微量注射泵；每个微量注射泵与每个打印喷头一一对应连接；多个打印喷头固定在一起；不同的微量注射泵之内容纳不同的打印材料。

其进一步的技术方案为，所述微量注射泵的注射出口与所述打印喷头的原料接收口之间通过管道连接；或者，所述微量注射泵和所述打印喷头安装为一体，即所述微量注射泵安装于所述打印喷头的上方，所述微量注射泵的注射出口直接连接至打印喷头的原料接收口处。

其进一步的技术方案为，微量注射泵外围安装有一圈将所述微量注射泵包围的加热装置。

其进一步的技术方案为，打印喷头的两侧安装有辅助固化装置，左侧安装有一个UV光照装置，右侧安装有一个微型冷热风控制装置，两个辅助固化装置与打印喷头部件安装为一体，同时移动。

其进一步的技术方案为，每个所述栅格单元的下方都安装有一个电压控制装置，单独控制每个栅格单元的电压；每个栅格单元的电压变化的速度和路径与打印喷头移动的速度和路径相同。

其进一步的技术方案为，还包括安装于接收平台下方的端头控制框架；端头控制框架之上安装有电压控制端头；端头控制框架控制电压控制端头在与所述接收平台平行的平面内移动；电压控制端头移动的速度和路径与打印喷头移动的速度和路径相同。

其进一步的技术方案为：述微量注射泵中的材料挤出速度为0～500mL/h。

其进一步的技术方案为：述打印喷头与所述接收平台之间的距离为1mm～100mm。

其进一步的技术方案为：述高压电源的电压为5～30kv。

一种基于静电纺原理的3D打印方法，包括：

步骤1、将打印原料装到微量注射泵中，微量注射泵将打印材料推进输送到打印喷头；

步骤2、启动高压电源，在静电场的作用下，打印材料在打印喷头尖端高速喷出射流；在打印喷头到接收平台之间的距离内，打印材料经过拉伸、溶剂挥发或冷却固化等过程，最终在接收平台上形成纳米级纤维铺层；

步骤3、打印喷头在三维空间移动框架的控制下根据待打印物体的分层数据，有选择性地在设定位置打印截面轮廓。

步骤4、电压控制装置控制接收平台上的每个栅格单元的电压；栅格单元的电压变化的速度和路径与打印喷头的移动速度和路径相同，实现截面轮廓纤维铺层的精确接收；

步骤5、计算机控制打印喷头的移动速度和高压电源的电压，控制打印的厚度，一层截面打印完成后，接收平台下降一层的高度，再次打印，如此循环，逐层累积，最终形成立体模型。

本发明的有益技术效果是：

相比现有的3D打印装置，在本发明专利中，首次提出将静电纺丝技术与3D打印技术相结合理念，从而实现功能更加全面的3D打印装置。通过静电纺丝的注射泵作为原料供给系统，拓宽了3D打印材料的选择范围，可打印液态、胶态与固态的各类高聚物材料。同时利用高压电场环境与变化电压控制平台，相比普通3D打印技术，可实现更加快速、精确可控、微米级打印铺层打印，成型件层间结合力跟高，外观细腻，无需再次打磨处理，同时也可解决3D打印对重力条件的要求，实现零重力或重力变化环境下的3D打印。另外，通过打印得到纳米级纤维薄膜，实现小分子颗粒过滤；多喷嘴打印系统可实现多材料、多添加剂打印，增加了产品的设计性和功能性。

附图说明

图1是基于静电纺原理的3D打印装置的正视图。

图2是基于静电纺原理的3D打印装置的立体图。

图3是四喷头打印装置的喷头俯视图。

图4是四喷头打印装置的喷头立体图。

图5是微量注射泵和打印喷头安装为一体的示意图。

图6是一体式喷头和辅助固化装置的示意图

图7是像素级栅格单元电压变化接收平台的示意图。

图8是接收平台和可移动的电压控制端头的示意图。

具体实施方式

图1是基于静电纺原理的3D打印装置的正视图。图2是基于静电纺原理的3D打印装置的立体图。如图1、图2所示，打印装置包括微量注射泵1。微量注射泵1为高精度的。微量注射泵1的注射出口连接至打印喷头2的原料接收口之上。打印喷头2固定于三维空间移动框架3之上。三维空间移动框架3为三维龙门框架。还包括位于打印喷头2下方的接收平台5。还包括高压电源4。高压电源的正极连接在打印喷头2之上。高压电源4的负极连接在接收平台5之上。接收平台5的平面分隔为多个像素级的栅格单元10。在接收平台5下方安装有电压控制装置，控制每个栅格单元10的电压。

打印喷头2可以采用多喷头设计。即包括多个打印喷头2和多个微量注射泵1。每个微量注射泵1与每个打印喷头2一一对应连接。多个打印喷头2固定在一起。固定的方式可以根据需要合理排列，如单排排列，正方形排列，圆形排列等。每个打印喷头2对应的微量注射泵1容纳不同的打印材料，如成型材料、支撑材料、功能性添加材料等。图3是四喷头打印装置的喷头俯视图。图4是四喷头打印装置的喷头立体图。如图3、图4所示，四个打印喷头固定在一起，可以可实现多材料、多添加剂打印。

微量注射泵1和打印喷头2之间有两种安装方案。其一是，微量注射泵1的注射出口与打印喷头2的原料接收口之间通过管道连接。其二是，微量注射泵1和打印喷头2安装为一体，即微量注射泵1安装于打印喷头2的上方，微量注射泵1的注射出口直接连接至打印喷头2的接收口处。

当直接使用热塑性高聚物为原料时，不使用溶剂溶解高聚物条件下，需加热高聚物原料到熔融打印状态，在微量注射泵1外围安装有一周将微量注射泵1的侧壁包围的加热装置6。加热装置6的加热方式为电加热、电磁加热、红外加热、激光加热或循环液体加热。图5是微量注射泵和打印喷头安装为一体的示意图。如图5所示，微量注射泵1和打印喷头2安装为一体，且微量注射泵1外围安装有加热装置6。

图6为一体式喷头和辅助固化装置示意图。如图6所示，打印喷头2的左侧安装有UV光照装置7，右侧安装有微型冷热风控制装置8。当打印原料为液态光敏材料时，通过UV光照装置7使接收平台5上的打印材料快速固化。当打印原料为高聚物时，如将高聚物溶解于挥发性试剂时，微型冷热风控制装置8输出热风加速溶剂挥发使材料固化；如使用热塑性高聚物加热熔融打印时，微型冷热风控制装置8输出冷风使熔融态高聚物冷却固化。

在接收平台5下方安装有电压控制装置，控制每个栅格单元10的电压，如何具体控制每个栅格单元的电压，本发明公开了两种技术方案。

图7是像素级栅格单元电压变化接收平台的示意图。如图7所示，控制每个栅格单元的电压的一个方案是，每个栅格单元10的下方都设置有一个电压控制装置，单独控制每个栅格单元10的电压。每个栅格单元10的电压变化的速度和路径与打印喷头2移动的速度和路径相同。从而达到更高的打印精度要求。图7中所述的路径9，就是栅格单元10的电压变化的路径，同时也是打印喷头2的移动路径。

其中每个栅格单元10的下方都设置有一个电压控制装置，单独控制每个栅格单元10的电压的具体方法具体可以是在接收平台5下方铺设平面线路系统，由计算机对电压控制系统进行精确控制，控制每个像素级的栅格单元的电压变化。接收平台5背面的线路系统可以为集成电路模块，可接受计算机的指令，控制电压的大小与持续时间，实现对打印喷头所喷出的射流的定向精确接收。

图8是接收平台和可移动的电压控制端头的示意图。如图8所示，控制每个栅格单元的电压的另一个方案是，还包括安装于接收平台5下方的端头控制框架11；端头控制框架11之上安装有电压控制端头12；端头控制框架11控制电压控制端头12在与所，接收平台5平行的平面内移动；电压控制端头12移动的速度和路径与打印喷头2移动的速度和路径相同。从而达到更高的打印精度要求。图8中的路径9，就是电压控制端头12的电压变化的路径，同时也是打印喷头2的移动路径。

进一步的，打印装置的具体打印环境可以是：温度20～28℃，相对湿度20％～70％，微量注射泵1中的材料挤出速度为0～500mL/h，打印喷头2与接收平台5之间的距离为1mm～100mm，高压电源4的电压为5～30kv。

以下用8个实施例来说明本发明的打印装置的结构。

实例1：

一种基于静电纺原理的3D打印装置，其基本结构是，包括微量注射泵1。微量注射泵1的注射出口连接至打印喷头2的原料接收口之上。打印喷头2固定于三维空间移动框架3之上。还包括位于打印喷头2下方的接收平台5。还包括高压电源4。高压电源4的正极连接在打印喷头2之上。高压电源4的负极连接在接收平台5之上。接收平台5的平面分隔为多个栅格单元10。在接收平台5下方安装有电压控制装置，控制每个栅格单元10的电压。

接收平安5下方的电压控制装置，具体是铺设在在接收平台5的背面的集成电路，将接收平台5依行列划分为像素级的栅格单元，每个像素级的栅格单元可以单独通过集成电路中的微小的电压控制装置控制电压的大小和电压的持续时间。平台大小为200*200*10mm。单个像素级的栅格单元的电压可在0～12kv变化。

实施例2：

实施例2的基本结构与实施例1相同，但接收平台5下方的电压控制装置有所不同，具体的，包括安装于接收平台5下方的端头控制框架11；端头控制框架11之上安装有电压控制端头12；端头控制框架11控制电压控制端头12在与接收平台5平行的平面内移动；电压控制端头12移动的速度和路径与打印喷头2移动的速度和路径相同。电压控制端头12的电压变化范围0～15kv，接收平台5由导电金属制成，电压控制端头12的移动路径和移动速度与打印喷头2的移动路径和移动速度完全同步。

实施例3：

实施例3的基本结构与实施例1相同。

具体的，微量注射泵1中放置有溶解于可挥发性溶剂中的打印用高聚物，在室温20℃，相对湿度25％的条件下，通过微量注射泵1挤出打印材料，微量注射泵1与打印喷头2中间利用软管连接，高聚物在高压电源4产生的高压静电场作用下在打印喷头2的尖端形成细小射流，三维空间移动框架3，也就是三维龙门框架控制打印喷头2移动打印，同时微型冷热风控制装置8输出热风加速溶剂挥发，使材料固化，一层截面打印完成后，接收平台5下降一层的高度，再次打印，如此循环，逐层累积，最终形成立体模型。

接收平台5具体可以是实施例1或者实施例2中的一种。

实例4：

实施例4的基本结构与实施例1相同。

具体的，微量注射泵1中放置有溶解于可挥发性溶剂中的打印用高聚物，在室温20℃，相对湿度25％的条件下，通过微量注射泵1挤出打印材料，微量注射泵1和打印喷头2安装为一体，即微量注射泵1安装于打印喷头2的上方，微量注射泵1的注射出口直接连接至打印喷头2的接收口处。高聚物在高压电源4所产生的高压静电场作用下，在打印喷头2的尖端形成细小射流，三维空间移动框架3，也就是三维龙门框架控制打印喷头2移动打印，同时微型冷热风控制装置8输出热风加速溶剂挥发，一层截面打印完成后，接收平台5下降一层的高度，再次打印，如此循环，逐层累积，最终形成立体模型。

接收平台5具体可以是实施例1或者实施例2中的一种。

实施例5：

实施例5的基本结构与实施例1相同。

具体的，微量注射泵1中放置有液态光敏树脂，在室温20℃，相对湿度25％的条件下，通过微量注射泵1挤出液态光敏树脂，微量注射泵1与打印喷头2中间利用软管连接，高聚物在高压电源4产生的高压静电场作用下在打印喷头2的尖端形成细小射流，三维空间移动框架3，也就是三维龙门框架控制打印喷头2移动打印，同时UV光照装置7发出紫外光照射接收平台5上的液态光敏树脂使其固化成型，一层截面打印完成后，接收平台5下降一层的高度，再次打印，如此循环，逐层累积，最终形成立体模型。

接收平台5具体可以是实施例1或者实施例2中的一种。

实施例6：

实施例6的基本结构与实施例1相同。

具体的，微量注射泵1中放置有热塑性高聚物，如PLA材料，在室温20℃，相对湿度25％的条件下，通过微量注射泵1挤出打印材料，微量注射泵1和打印喷头2安装为一体，即微量注射泵1安装于打印喷头2的上方，微量注射泵1的注射出口直接连接至打印喷头2的接收口处。在微量注射泵1外围安装有一周将微量注射泵1的侧壁包围的加热装置6，加热装置6将PLA加热到熔融状态。热塑性高聚物PLA在高压电源4所产生的高压静电场作用下在打印喷头2的尖端形成细小射流，三维空间移动框架3，也就是三维龙门框架控制打印喷头2移动打印，同时微型冷热风控制装置8输出冷风加速材料冷却成型，一层截面打印完成后，接收平台5下降一层的高度，再次打印，如此循环，逐层累积，最终形成立体模型。

接收平台5具体可以是实施例1或者实施例2中的一种。

实施例7：

实施例7的基本结构与实施例1相同。

具体的，实施例6中的打印喷头2采用多喷头设计。即包括多个打印喷头2和多个微量注射泵1。每个微量注射泵1与每个打印喷头2一一对应连接。多个打印喷头2固定在一起。多个打印喷头的排列方式可以是单排排列，正方形排列，圆形排列等。在本实施例中，打印喷头有四个，使用2*2正方形排列方式，即如图3、图4所示，其中每个打印喷头对应一个微量注射泵，微量注射泵中分别装有第一原材料、第二原材料、可溶性支撑材料、功能性添加材料。

实施例8：

实施例8涉及异形复合纤维过滤薄膜制备。实施例7的基本结构与实施例1相同。

具体的，实施例7的打印喷头2采用双喷头设计。即包括两个打印喷头和两个微量注射泵。每个微量注射泵分别与每个打印喷头一一对应连接。一个微量注射泵中装有PTFE(聚四氟乙烯原料)，一个微量注射泵中装有抗菌添加剂材料。将纺丝溶液以8ml/L的流速输入到打印喷头，高压电源4提供20kv电压的静电场，打印特殊形状的过滤薄膜，得到的纳米纤维过滤薄膜中的纤维平均直径为200nm，孔隙率高达90％。

本发明还公开了一种基于静电纺原理的3D打印方法，包括以下步骤：

步骤1、将打印原料装到微量注射泵1中，微量注射泵1将打印材料推进输送到打印喷头2；

步骤2、启动高压电源4，在静电场的作用下，打印材料在打印喷头2尖端高速喷出射流；在打印喷头2到接收平台5之间的距离内，打印材料经过拉伸、溶剂挥发或冷却固化等过程，最终在接收平台5上形成纳米级纤维铺层；

步骤3、打印喷头2在三维空间移动框架3的控制下根据待打印物体的分层数据，有选择性地在设定位置打印截面轮廓。

步骤4、电压控制装置控制接收平台5上的每个栅格单元10的电压；栅格单元10的电压变化的速度和路径与打印喷头2的移动速度和路径相同，实现截面轮廓纤维铺层的精确接收；

步骤5、计算机控制打印喷头2的移动速度和高压电源的电压，控制打印的厚度，一层截面打印完成后，接收平台5下降一层的高度，再次打印，如此循环，逐层累积，最终形成立体模型。打印喷头2与接收平台5的距离可根据试剂需求进行调整。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于静电纺原理的3D打印装置，其特征在于，包括微量注射泵(1)；微量注射泵(1)的注射出口连接至打印喷头(2)的原料接收口之上；打印喷头(2)固定于三维空间移动框架(3)之上；还包括位于打印喷头(2)下方的接收平台(5)；还包括高压电源(4)；高压电源(4)的正极连接在打印喷头(2)之上；高压电源(4)的负极连接在接收平台(5)之上；所述接收平台(5)的平面分隔为多个栅格单元(10)；在接收平台(5)下方安装有电压控制装置，控制每个栅格单元(10)的电压的大小与持续时间，实现对打印喷头(2)所喷出的射流的定向精确接收，每个栅格单元(10)的电压变化的速度和路径与所述打印喷头(2)移动的速度和路径相同。

2.如权利要求1所述的基于静电纺原理的3D打印装置，其特征在于，包括多个打印喷头(2)和多个微量注射泵(1)；每个微量注射泵(1)与每个打印喷头(2)一一对应连接；多个打印喷头(2)固定在一起；不同的微量注射泵(1)之内容纳不同的打印材料。

3.如权利要求1所述的基于静电纺原理的3D打印装置，其特征在于，所述微量注射泵(1)的注射出口与所述打印喷头(2)的原料接收口之间通过管道连接；或者，所述微量注射泵(1)和所述打印喷头(2)安装为一体，即所述微量注射泵(1)安装于所述打印喷头(2)的上方，所述微量注射泵(1)的注射出口直接连接至打印喷头(2)的原料接收口处。

4.如权利要求3所述的基于静电纺原理的3D打印装置，其特征在于，微量注射泵(1)外围安装有一圈将所述微量注射泵(1)包围的加热装置(6)。

5.如权利要求3所述的基于静电纺原理的3D打印装置，其特征在于打印喷头(2)的两侧安装有辅助固化装置，左侧安装有一个UV光照装置(7)，右侧安装有一个微型冷热风控制装置(8)，两个辅助固化装置与打印喷头部件安装为一体，同时移动。

6.如权利要求1所述的基于静电纺原理的3D打印装置，其特征在于，每个所述栅格单元(10)的下方都安装有一个电压控制装置，单独控制每个栅格单元(10)的电压；每个栅格单元(10)的电压变化的速度和路径与打印喷头(2)移动的速度和路径相同。

7.如权利要求1所述的基于静电纺原理的3D打印装置，其特征在于，还包括安装于接收平台(5)下方的端头控制框架(11)；端头控制框架(11)之上安装有电压控制端头(12)；端头控制框架(11)控制电压控制端头(12)在与所述接收平台(5)平行的平面内移动；电压控制端头(12)移动的速度和路径与打印喷头(2)移动的速度和路径相同。

8.如权利要求1～6任一所述的基于静电纺原理的3D打印装置，其特征在于，所述微量注射泵(1)中的材料挤出速度为0～500mL/h。

9.如权利要求1～6任一所述的基于静电纺原理的3D打印装置，其特征在于，所述打印喷头(2)与所述接收平台(5)之间的距离为1mm～100mm；所述高压电源(4)的电压为5～30kv。

10.一种基于静电纺原理的3D打印方法，其特征在于，包括：

步骤1、将打印原料装到微量注射泵(1)中，微量注射泵(1)将打印材料推进输送到打印喷头(2)；

步骤2、启动高压电源(4)，在静电场的作用下，打印材料在打印喷头(2)尖端高速喷出射流；在打印喷头(2)到接收平台(5)之间的距离内，打印材料经过拉伸、溶剂挥发或冷却固化过程，最终在接收平台(5)上形成纳米级纤维铺层；

步骤3、打印喷头(2)在三维空间移动框架(3)的控制下根据待打印物体的分层数据，有选择性地在设定位置打印截面轮廓；

步骤4、电压控制装置控制接收平台(5)上的每个栅格单元(10)的电压，所述电压控制装置控制所述每个栅格单元(10)的电压的大小与持续时间，实现对打印喷头(2)所喷出的射流的定向精确接收；栅格单元(10)的电压变化的速度和路径与打印喷头(2)的移动速度和路径相同，实现截面轮廓纤维铺层的精确接收；

步骤5、计算机控制打印喷头(2)的移动速度和高压电源的电压，控制打印的厚度，一层截面打印完成后，接收平台(5)下降一层的高度，再次打印，如此循环，逐层累积，最终形成立体模型。