CN109605742B - 一种磁流变弹性体3d打印装置及方法 - Google Patents

一种磁流变弹性体3d打印装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的是提供一种磁流变弹性体3D打印装置及方法，包括X向水平滑轨、Y向水平滑轨、Z向水平滑轨、XZ向移动装置、Y向移动装置，其特征在于：还包括基体喷头、磁性颗粒喷头、旋转装置、喷头连接装置、打印平台移动装置。所述的旋转装置用于连接基体喷头和磁性颗粒喷头，所述的打印平台移动装置位于平台底部的X向水平滑轨上。本发明的有益效果：通过基体喷头打印基体材料，通过磁性颗粒喷头打印磁性颗粒材料，并控制喷料的浓度以及改变每层磁性颗粒喷出轨迹打印出具有防震、减振的功能梯度磁流变弹性体，解决了以往的3D打印装置只能打印出具有单一内部结构的磁流变弹性体的问题。

Description

一种磁流变弹性体3D打印装置及方法
技术领域
本发明涉及一种3D打印装置，具体涉及一种磁流变弹性体3D打印装置及方法。
背景技术
3D打印装置是一种快速成型三维打印装置，采用增材技术实现叠层制造。3D打印装置在计算机的控制下，根据零件的三维计算机模型，将打印材料一层一层喷在打印平台上累积成三维实体。3D打印技术目前主要用在模具制造、工业设计、零件制造等领域，常用的材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料等，主要的累积技术有熔融沉积式(FDM)、直接金属激光烧结(DMLS)、石膏3D打印(PP)、分层实体制造(LOM)等，由于3D技术的日渐成熟，使得其在生产、生活等许多领域的发挥了建设性作用。而磁流变弹性体作为磁流变材料的一个分支，它兼有磁流变材料、磁性橡胶和弹性体的优点，又克服了磁流变液沉降、稳定性差、颗粒易磨损等缺点，因此将3D打印技术运用于磁流变弹性体领域在促进磁流变材料研究方面具有重要的意义。
目前由于3D打印装置在结构方面还存在一些限制，以及磁流变弹性体材料的制备过程中对结构的特殊要求，使得市场上在磁流变弹性体方面的3D打印装置基本上处于空缺状态。中国专利CN103213281B提出“一种基于磁流变材料的3D打印快速成型方法及装置”，通过喷射磁流变液到存在磁场的沉积基板上迅速固化进而实现快速成型，使用该方法打印的解决了磁流变材料快速成型的问题，但是该3D打印装置中采用了一个喷头和整体性磁场的设计，这种设计使得该3D打印装置只能打印出一种具有单一内部结构的磁流变弹性体，从而限制了磁流变弹性体材料的功能多样化。
发明内容
针对现有上述缺陷，本发明提供了一种磁流变弹性体3D打印装置及方法，该3D打印装置具有特殊的结构设计，可以通过旋转装置旋转基体喷头和磁性颗粒喷头到一个特定的角度，进而打印出具有不同内部结构的梯度功能材料。同时结合该3D打印装置采用将基体与磁性颗粒分在两个独立的喷头中打印的方法，以达到磁性颗粒喷出量的自由控制，从而控制最终磁流变弹性体中的磁性颗粒的浓度，实现梯度功能磁流变弹性体的打印。
一种磁流变弹性体3D打印装置及方法，其技术方案是这样的：其包括：包括基体喷头、磁性颗粒喷头、旋转装置、喷头连接装置、打印平台移动装置。所述的基体喷头和磁性颗粒喷头通过螺纹连接固定在旋转装置，所述的喷头连接装置用于连接旋转装置和Y向移动装置，所述的打印平台移动装置用于控制打印平台的X向移动，从而实现打印成品自动运到打印机体外侧。
进一步特征在于：
所述的基体打印喷头下端设置有温度传感器；所述的温度传感器与基体打印喷头的加热装置连接；所述的温度传感器采用红外测温传感器，且该红外测温传感器位于和基体打印喷头喷嘴垂直的位置上，用于测量基体打印喷头喷嘴处的温度。
所述的磁性颗粒喷头包括筛选装置和振动装置，所述的筛选装置由凸轮机构、弹簧和上下两个光传感器组成，且凸轮机构和弹簧分别位于杠杆装置的两端，用于控制磁性颗粒进出磁性颗粒喷头的量；所述的振动装置通过振动使磁性颗粒在颗粒间相互作用下从磁性颗粒喷头中挤出，这种振动装置可以是微型偏心轮马达、微型超声波振动器、微型线性振动马达等微型振动器。
所述的旋转装置采用交流步进电机作为动力装置。
所述的喷头连接装置包含上部的圆筒和下部的金属连接柱；所述上部的圆筒的上端接Y向移动装置，下端通过内壁处的环形轨道与金属连接柱相连；所述的金属连接柱上端通过过渡滚轮与圆筒轨道相接触实现连接，下端固定在旋转装置上。
所述的打印平台移动装置包含主动轮、动力电机、从动轮和X向导轨；所述的主动轮通过动力电机提供动力；所述的从动轮通过与轨道的摩擦力实现运动，且从动轮与移动装置外壳连接的角接触球轴承连接。
本发明的有益效果：
本发明中通过旋转装置调整喷头的位置，可以保证在打印过程中基体喷头始终处于磁性颗粒喷头的前面，从而可以随意改变每层磁性颗粒喷出轨迹，实现了磁流变弹性体层间的结构梯度变化，通过控制磁性颗粒喷头喷料的浓度，实现了每层内部和每层之间磁流变弹性体的浓度梯度变化，解决了现有技术中的只能打印出单一内部结构的磁流变弹性体的问题，实现了梯度功能磁流变弹性体材料的打印，对于研制防震、减振等多功能材料方面具有重要的应用前景。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1中基体喷头的结构示意图。
图3是图1中磁性颗粒喷头的结构示意图。
图4是图1中喷头连接部分结构示意图。
图5是图1中基体喷头和磁性颗粒喷头之间的运动关系示意图。
图6是图1中打印平台移动装置的结构示意图。
图7是本发明打印成品外形示意图。
附图中，基体喷头(1)、磁性颗粒喷头(2)、旋转装置(3)、喷头连接装置(4)、Y向移动装置(5)、Y向水平滑轨(6)、XZ向移动装置(7)、Z向竖直滑轨(8)、X向水平滑轨(9)、X向导轨(10)、打印平台移动装置(11)、温度传感器(1-1)、加热装置(1-2)、进给装置(1-3)、筛选装置(2-1)、光传感器(2-2)、振动装置(2-3)、凸轮机构(2-1-1)、弹簧装置(2-1-2)、固定圆筒(3-1)、交流步进电机(3-2)、连接板(3-3)、连接圆筒(4-1)、过渡滚轮(4-2)、金属连接柱(4-3)、动力电机(11-1)、角接触球轴承(11-2)、从动轮(11-3)、主动轮(11-4)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1～图6所示，本发明包括基体喷头(1)、磁性颗粒喷头(2)、旋转装置(3)、喷头连接装置(4)、Y向移动装置(5)、Y向水平滑轨(6)、XZ向移动装置(7)、Z向竖直滑轨(8)、X向水平滑轨(9)、X向导轨(10)、打印平台移动装置(11)；所述的基体喷头(1)下端设置有温度传感器(1-1)，基体喷头(1)内部装有进给装置(1-3)；所述的磁性颗粒喷头(2)包括筛选装置(2-1)和振动装置(2-3)，筛选装置(2-1)设置在磁性颗粒喷头(2)内部，振动装置(2-3)通过焊接固定在磁性颗粒喷头(2)外侧；基体喷头(1)和磁性颗粒喷头(2)通过螺纹连接固定在旋转装置(3)上；所述的喷头连接装置(4)包含上部的圆筒(4-1)和下部的金属连接柱(4-3)，上部的圆筒(4-1)上端接Y向移动装置(5)，下端通过内壁处的环形轨道与金属连接柱(4-3)相连；所述的金属连接柱(4-3)上端通过过渡滚轮(4-2)与圆筒轨道相接触实现连接，下端固定在旋转装置(3)上。
Y向移动装置(5)在内部电机系统和链传动系统的控制下沿着Y向水平滑轨(6)实现打印机Y向运动，XZ向移动装置(7)通过内部电机系统和链传动系统在Z向竖直滑轨(8)和X向水平滑轨(9)上实现打印机XZ向运动。
温度传感器(1-1)通过红外线感应对喷头喷嘴处的温度进行实时监控，并将所得数据及时反馈给加热装置(1-2)，从而实时调控加热装置(1-2)的加热温度，实现加热温度的实时控制，提高加热精度。
筛选装置(2-1)中设置有凸轮机构(2-1-1)，且凸轮机构(2-1-1)中做间歇直线运动的水平杆与筛选装置(2-1)内侧板以及弹簧装置(2-1-2)构成杠杆机构，利用杠杆原理实现筛选装置(2-1)内侧板的开闭，而且光传感器(2-2)与筛选装置(2-1)通过控制系统相连，通过反馈进入磁性颗粒的量和喷出磁性颗粒的量进而反馈给筛选装置(2-1)实时调控，达到预先计划的目标。
旋转装置(3)由固定圆筒(3-1)、交流步进电机(3-2)和连接板(3-3)组成，交流步进电机(3-2)通过键和螺母与连接板(3-3)连接进而控制其旋转运动，固定圆筒(3-1)上端固定在Y向移动装置(5)上，下端用于固定交流步进电机(3-2)；打印平台移动装置(11)由动力电机(11-1)、角接触球轴承(11-2)、从动轮(11-3)、主动轮(11-4)和X向导轨(10)组成，主动轮(11-4)通过动力电机(11-1)提供动力，从动轮(11-4)通过与X向导轨(10)的摩擦力实现运动，且从动轮(11-4)与打印平台移动装置(11)外壳连接的角接触球轴承(11-2)连接。
应用如图1所示的本发明一种磁流变弹性体3D打印装置打印，以图7中所示的打印成品为例，操作方法如下：
一.选择橡胶材料作为基体材料，选粒度为300-600μm铁粉作为磁性颗粒材料；
二.将选择好的橡胶基体和铁粉分别装入基体喷头(1)和磁性颗粒喷头(2)中，启动磁流变弹性体3D装置；
三.启动基体喷头(1)中的加热装置(1-2)，对橡胶基体进行加热，使橡胶基体在基体喷头(1)中充分融化成液体，通过基体喷头(1)中的进给装置(1-3)使液态基体从基体喷头(1)中挤出；启动磁性颗粒喷头(2)中的振动装置(2-3)，通过振动装置振动使铁粉从磁性颗粒喷头(2)中喷出；
四.启动交流步进电机(3-2)，调整磁流变弹性体3D打印装置的旋转装置(3)，使基体喷头(1)在打印过程中始终位于磁性颗粒喷头(2)的前方，并且使基体喷头(1)和磁性颗粒喷头(2)的连线与Y向水平滑轨(6)成60度角，再通过XZ向移动装置(7)与Y向移动装置(5)，调整基体喷头(1)和磁性颗粒喷头(2)使其沿着与Y向水平滑轨(6)成60度角的方向运动，同时通过调节振动装置(2-3)的振动频率和凸轮机构(2-1-1)中凸轮的转速来控制磁性颗粒喷头(2)中的筛选装置(2-1)的筛选速度，从而控制铁粉的喷出量，达到了控制基体中铁粉浓度的目的，实现了均匀打印与自由打印交替打印，如图7中的磁流变弹性体中白色区域为铁粉随机分布的区域，黑色区域为铁粉均匀成链分布的区域，最终打印出如图7中图b所示的磁流变弹性体中的第一层具有梯度浓度变化的磁流变弹性体；
五.调整磁流变弹性体3D打印装置的旋转装置(3)，使基体喷头(1)在打印过程中始终位于磁性颗粒喷头(2)的前方，并且使基体喷头(1)和磁性颗粒喷头(2)的连线与Y向水平滑轨(6)保持平行，调整XZ向移动装置(7)与Y向移动装置(5)使其沿着与Y向水平滑轨(6)平行的方向运动，依据步骤四中的技术原理，打印出如图7中图b所示的磁流变弹性体中的第二层具有梯度浓度变化的磁流变弹性体；
六.依据步骤四和步骤五中的技术原理，将打印角度变为20度，打印出如图7中图b所示的磁流变弹性体中的第三层具有梯度浓度变化的磁流变弹性体；
七.最终打印出如图7中图a中所示的磁流变弹性体后，关闭基体喷头(1)中的加热装置(1-2)和磁性颗粒喷头(2)中的振动装置(2-3)，同时调整XZ向移动装置(7)与Y向移动装置(5)使打印喷头沿Z向竖直滑轨(8)向上移动远离产品，同时启动打印平台移动装置(11)，在打印平台移动装置(11)中主动轮(11-4)通过在动力电机(11-1)的作用下运动，从动轮(11-4)通过与X向导轨(10)的摩擦力实现运动，达到将打印产品运送到打印机外侧的目的；
上述实施例中，通过控制磁性颗粒喷头喷料的浓度以及改变每层磁性颗粒喷出轨迹实现了具有功能多样化的磁流变弹性体的打印，如图7中所示的具有梯度功能的磁流变弹性体，其中图a为磁流变弹性体整体结构示意图，图b为图a结构的展开示意图；
本发明中所打印的具有梯度功能的磁流变弹性体材料，由于具有在不同层面上结构不同的特点，因而可以同时承受不同方向上的载荷，在防震、减振方面具有较大的应用前景，而且上述实施方式仅为本发明中的一个例子，并不用于限制本发明。

Claims (4)

1.一种磁流变弹性体3D打印装置，包括X向水平滑轨、Y向水平滑轨、Z向竖直滑轨、XZ向移动装置、Y向移动装置，其特征在于：还包括基体喷头、磁性颗粒喷头、旋转装置、喷头连接装置、打印平台移动装置；所述的XZ向移动装置位于X向水平滑轨和Z向竖直滑轨上，Y向移动装置位于Y向水平滑轨上；所述的打印平台移动装置位于平台底部的X向导轨上；通过改变磁性颗粒喷头的移动轨迹，实现了磁流变弹性体层间的结构梯度变化；所述的基体喷头通过螺纹连接与旋转装置相连接，且基体喷头下侧设有温度传感器；所述的温度传感器位于基体喷头的下侧且与基体喷头的加热装置相连；所述的磁性颗粒喷头通过螺纹连接与旋转装置相连接，且磁性颗粒喷头上端设有振动装置，磁性颗粒喷头的内部设有筛选装置；通过筛选装置控制磁性颗粒喷头喷料的浓度，实现了每层内部和每层之间磁流变弹性体的浓度梯度变化。
2.根据权利要求1所述的一种磁流变弹性体3D打印装置，其特征在于，所述的振动装置采用一种可以为磁性颗粒提供动力从而防止磁性颗粒堵塞在喷头处的微型振动器；所述的筛选装置由凸轮机构、弹簧和上下两个光传感器组成，且凸轮机构和弹簧分别位于杠杆装置的两端。
3.根据权利要求1所述的一种磁流变弹性体3D打印装置，其特征在于，所述的旋转装置用于连接基体喷头和磁性颗粒喷头；所述的打印平台移动装置由主动轮、动力电机、从动轮和X向导轨组成，且主动轮通过动力电机传动实现转动，从动轮通过与轨道的摩擦力实现运动，从动轮轴端部分通过与移动装置外壳连接的角接触球轴承连接。
4.一种基于权利要求1所述的磁流变弹性体3D打印装置的打印方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：
一.选择基体材料和磁性颗粒；
二.将选择好的基体材料和磁性颗粒分别装入基体喷头和磁性颗粒喷头中，启动磁流变弹性体3D打印装置；
三.调整基体喷头加热装置，使基体材料在基体喷头中充分融化成液体，通过基体喷头中的进给装置工作使液态基体从基体喷头中挤出；通过磁性颗粒喷头中的振动装置工作，使磁性颗粒从磁性颗粒喷头中喷出；
四.调整磁流变弹性体3D打印装置的旋转装置，使得基体喷头在打印过程中始终位于磁性颗粒喷头的前方，从而使得磁性颗粒喷出之后正好落在基体上，与基体混合形成磁流变弹性体；
五.控制磁性颗粒喷头中的筛选装置的筛选速度，从而控制磁性颗粒的喷出量，通过改变基体中磁性颗粒的浓度，从而打印出具有梯度浓度变化的磁流变弹性体；
六.调整旋转装置，改变每层磁流变弹性体打印过程中磁性颗粒喷出轨迹，从而打印出具有层间梯度结构的磁流变弹性体；
七.结合步骤四、五中采用的打印方法，同时改变磁流变弹性体中磁性颗粒的浓度和磁性颗粒喷出轨迹，从而打印出同时具有层间梯度结构和梯度浓度的磁流变弹性体。
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