CN110144630B - 一种射流可控的静电纺丝装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于静电纺丝设备技术领域，具体涉及一种射流可控的静电纺丝装置，主体结构包括导轨、连杆、弹簧、滚轮、柔性绳、驱动轮、从动轮、左料筒、右料筒、接收板和高压静电发生器，通过控制连杆的上下移动能够实现射流的通断控制；通过控制连杆的下段顶出距离能够实现柔性绳上凸起与接收板之间的距离控制，从而控制感应电场的强度，达到控制纤维直径的目的；通过控制连杆的左右移动能够实现柔性绳上凸起的位置控制，从而控制纤维沉积的位置；通过调节外接电机的转速和正反转能够控制柔性绳的移动速度和方向，柔性绳的移动速度决定柔性绳蘸取熔体或溶液的厚度。

Description

一种射流可控的静电纺丝装置

技术领域：

本发明属于静电纺丝设备技术领域，具体涉及一种射流可控的静电纺丝装置，能够实现控制射流的快速通断和沉积位置，应用于3D打印精细制品。

背景技术：

静电纺丝是利用高压静电将聚合物熔体或者溶液制备成超细纤维的工艺，具有设备简单和操作容易的特点，受到了广泛的关注，是目前制备聚合物连续纳米纤维最重要的方法之一。随着纳米材料技术的不断发展，静电纺丝作为一种简便有效的可生产纳米纤维的新型加工技术，在生物医用材料、过滤及防护、催化、能源、光电和食品工程方面发挥巨大作用。特别是在组织工程方面，静电纺丝法能够制备几十纳米到几十微米的连续纤维和模拟天然细胞外基质的纳米网状结构的高孔隙率、高空间互联性的纳米纤维矩阵，控制纤维的排列可以引导细胞定向和迁移，是理想的组织工程支架制备方法之一。基于此，将静电纺丝与3D打印等技术结合，实现组织工程支架、微纳结构材料和器件的设计制造，将为相关领域的发展方向带来变革。中国专利201410359655.8公开的一种可用于3D打印的静电纺丝装置主要包括球形高压电极、接收板、绝缘连接件、固定支架、机头、机头加热圈、微型螺杆、联轴器、步进电机、隔热垫片、堵头、纺丝喷头、纺丝喷头加热圈、纺丝喷头接地电极、球形接地电极、工件和高压静电发生器，机头上加工有料仓、步进电机安装孔、联轴器安装孔、微型螺杆孔等，步进电机和机头之间有隔热垫片用来隔热保护步进电机，料仓和微型螺杆孔相通，工作时微型螺杆旋转，把熔体或者溶液输送到纺丝喷头处，通过调节步进电机转速调节熔体或者溶液的输送量；纺丝喷头通过螺纹连接在机头上，球形接地电极半包裹在纺丝喷头下端，熔体或者溶液通过纺丝喷头下端的周向分布的豁口均匀地通过球形接地电极表面流到其下端；球形高压电极通过绝缘连接件和机头相连，和机头同时随着固定支架在X、Y方向上移动；工件随着接收板在Z方向上移动，从而形成三维立体工件；中国专利201510810396.0公开的一种基于静电纺丝的3D打印方法包括如下步骤：S1：在计算机中绘制三维模型，对所述三维模型进行分层处理，获取所述三维模型的各层截面的轮廓数据和填充数据；S2：选取多种适用于静电纺丝的高分子材料，利用热熔或溶剂溶解的方法获取多份用于静电纺丝的3D打印材料；S3：将步骤S2中获取的多份用于静电纺丝的3D打印材料分别对应装入到多个纺丝喷头内；S4：调整工作平台与多个纺丝喷头之间的不同工作距离，设置工作平台与多个纺丝喷头之间的不同工作电压；S5：根据步骤S1中获取的第一层截面的轮廓数据和填充数据，控制第一纺丝喷头中3D打印材料的流出速度，在所述工作平台和所述第一纺丝喷头之间的高压静电场下纺出纤维丝，控制所述第一纺丝喷头进行水平位置移动，将所述纤维丝依次下落到工作平台上的指定区域，同时对所述指定区域同步照射激光，使得所述纤维丝在所述指定区域沉积之前被加热融化，以熔融状态在所述指定区域沉积；S6：依次控制多个纺丝喷头重复步骤S5的工序，实现与所述第一层截面的轮廓数据和填充数据相匹配的第一层截面结构的制作，控制所述工作平台下移一个层截面厚度的距离；S7：重复步骤S5和步骤S6的工序，实现多层截面结构的制作，完成整个三维模型的3D打印；中国专利201711083613.6公开的一种静电纺丝式3D打印机包括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；中国专利201610398383.1公开的一种用于静电纺丝的打印机包括料筒，所述料筒的上盖封闭所述料筒，上盖上方连接压缩杆，压缩杆由压缩电机带动上下移动，从而带动上盖上下移动，所述料筒的底盖为均匀设置有多个通孔的喷丝板，所述喷丝板采用导体材料制作，连接静电发生装置，喷丝板下方连接有保护罩，保护罩下方是3D打印平台，在3D打印平台下方设置有电极，所述压缩杆采用非金属丝杠，所述压缩电机控制料筒内的压强，配合静电发生装置使喷丝板喷丝顺畅，通过控制料筒内的压强达到控制喷丝的速度和效果，所述料筒的上盖上设置有能开关和密封的原料注入孔；所述3D打印平台下方还设置有第一移动平台和第二移动平台，所述3D打印平台由设置在第二移动平台上的Y轴电机带动在水平面Y轴向移动，所述第二移动平台由设置在第一移动平台上的X轴电机带动在水平面X轴向移动，同时带动设置在其上方的打印平台同向同距离移动，所述第一移动平台由设置在其下方四角的四个Z轴电机带动，能够沿竖直面Z轴向上下移动，同时带动设置在其上方的第二移动平台和3D打印平台同向同距离移动；所述保护罩为半椭球形；中国专利201310565682.6公开的一种基于近场静电纺丝的微纳结构的3D打印方法包括以下步骤：1)绘制微纳结构的三维零件模型，对三维零件模型进行分层处理，得到三维零件模型各分层截面的轮廓数据及填充数据；2)将液态材料装入数控挤出装置内，调整液态材料的挤出速度，将数控挤出装置的挤出喷头与直流高压发生器的正极相连，调节直流高压发生器的输出电压，然后将接收平台接地，使挤出喷头与接收平台之间形成高压静电场，然后调整挤出喷头与接收平台之间的距离，使挤出喷头挤出的液态材料在高压静电场的作用下形成微纳液体流或微纳纤维丝；3)通过数控X、Y轴精密移动平台控制挤出喷头或接收平台按照三维零件模型中第一分层截面的轮廓数据和填充数据进行运动，当液态材料通过挤出喷头挤出形成微纳液体流时，则通过控制接收平台的温度和湿度使微纳液体流固化；当液态材料通过挤出喷头挤出形成微纳纤维丝时，则通过控制接收平台的温度和湿度来调控微纳纤维丝的固化程度，使微纳纤维丝与相邻微纳纤维丝之间牢固融合，即可在接收平台上制造出与三维零件模型中第一分层截面轮廓相一致的第一分层截面结构；4)通过Z轴数控电机使接收平台向下移动一个分层截面厚度的距离，然后让挤出喷头或接收平台按照三维零件模型中后一分层截面的轮廓数据和填充数据进行运动，新沉积的微纳液体流或微纳纤维丝与前一分层截面结构粘结固化后，形成三维零件模型中后一分层截面结构；5)通过重复步骤4)的过程，逐层完成三维零件模型各分层截面结构的制作，从而得到微纳结构的三维零件实体。

目前，静电纺丝技术大多采用带有小孔的喷头或者针头挤出供料进行纺丝，其存在小孔易堵塞，供料通断控制存在滞后性的缺点，且对于熔体静电纺丝，由于需要加热温控装置，喷头端装置较复杂和笨重，使其移动灵敏度受限，应用在3D打印中，导致精细度控制受限。因此，需要开发一种射流可控的静电纺丝装置，以满足静电纺丝法3D打印领域高灵敏度和高精细控制的应用要求。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，研发一种射流可控的静电纺丝装置，实现单股射流的快速和精确定位，以及射流直径的可控调节，提高3D打印的效率、精度和稳定性。

为了实现上述目的，本发明涉及的射流可控的静电纺丝装置主体结构包括导轨、连杆、弹簧、滚轮、柔性绳、驱动轮、从动轮、左料筒、右料筒、接收板和高压静电发生器；导轨中设置有上下两段插接式结构的连杆，连杆接地，连杆中设置有弹簧，连杆的底部设置有滚轮，滚轮的下方设置有柔性绳，柔性绳缠绕在驱动轮和从动轮的边缘以连接驱动轮和从动轮，柔性绳上穿设有镜像对称设置的左料筒和右料筒，单独设置的接收板与高压静电发生器电连接。

本发明涉及的左料筒与右料筒的主体结构相同，均包括壳体、进出料孔、加热圈、压绳轮、导向轮、上挤压滚轮和下挤压滚轮；壳体的上部中心处开设有进出料孔，壳体的下部外侧围设有加热圈，壳体的内部设置有压绳轮、导向轮和成对设置的上挤压滚轮与下挤压滚轮，压绳轮设置在壳体的底部，导向轮和成对设置的上挤压滚轮与下挤压滚轮设置在柔性绳进出壳体的位置；连杆为上下两段插接式结构，连杆能够在导轨中左右移动；弹簧能够使连杆的下段上下移动；柔性绳为具有弹性的绳；加热圈为不锈钢云母电热圈。

本发明涉及的射流可控的静电纺丝装置使用时，将驱动轮与外接的能够调速和正反转的电机连接，外接电机带动驱动轮旋转，驱动轮通过柔性绳的连接带动从动轮旋转，通过调节外接电机的转速和正反转能够控制柔性绳的移动速度和方向，柔性绳的移动速度决定柔性绳蘸取熔体或溶液的厚度，当柔性绳从左往右移动时，在左料筒中投入聚合物粒料或溶液，加热圈能够将聚合物粒料加热成熔体并对熔体或溶液进行加热保温，柔性绳穿过左料筒蘸取熔体或溶液，开启高压静电发生器，连杆的下段向下移动时，柔性绳被顶出一个凸起，凸起上的熔体或溶液在高压静电场作用下形成单股射流，落在接收板上的已固化材料上并粘接在一起，柔性绳上剩余的熔体或溶液在进入右料筒后在上挤压滚轮和下挤压滚轮的旋转作用下被挤出并集中在右料筒中；当右料筒中的熔体或溶液的体积超过设定值时，使外接电机反转，柔性绳从右向左移动，从右料筒中蘸取熔体或溶液进行纺丝，柔性绳上剩余的熔体或溶液在左料筒中被截留，如此反复，打印符合设定精度要求的工件，同时剩余的熔体或溶液被回收再利用，左料筒和右料筒能够单独加料。

本发明与现有技术相比，通过控制连杆的上下移动能够实现射流的通断控制：当连杆的下段向下移动时，柔性绳被顶出一个凸起，凸起上的熔体或溶液在高压静电场作用下形成单股射流；当连杆的下段向上移动时，柔性绳由于弹性恢复直线形式，凸起消失，无法形成射流；通过控制连杆的下段顶出距离能够实现柔性绳上凸起大小的调节，达到控制射流直径的目的；通过控制连杆的左右移动能够实现柔性绳上凸起的位置控制，从而控制射流沉积的位置；通过调节外接电机的转速和正反转能够控制柔性绳的移动速度和方向，柔性绳的移动速度决定柔性绳蘸取熔体或溶液的厚度，从而控制工件的整体精度；其结构简单，易于操作，实现了射流可控，能够对工件的精度进行精细调控，适用于3D打印。

附图说明：

图1为本发明的主体结构原理示意图。

图2为本发明涉及的左料筒的主体结构原理示意图。

图3为本发明涉及的右料筒的主体结构原理示意图。

具体实施方式：

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

本实施例涉及的射流可控的静电纺丝装置的主体结构包括导轨1、连杆2、弹簧3、滚轮4、柔性绳5、驱动轮6、从动轮7、左料筒8、右料筒9、接收板10和高压静电发生器11；导轨1中设置有上下两段插接式结构的连杆2，连杆2接地，连杆2中设置有弹簧3，连杆2的底部设置有滚轮4，滚轮4的下方设置有柔性绳5，柔性绳5缠绕在驱动轮6和从动轮7的边缘以连接驱动轮6和从动轮7，柔性绳5上穿设有镜像对称设置的左料筒8和右料筒9，单独设置的接收板10与高压静电发生器11电连接。

本实施例涉及的左料筒8与右料筒9的主体结构相同，均包括壳体801、进出料孔802、加热圈803、压绳轮804、导向轮805、上挤压滚轮806和下挤压滚轮807；壳体801的上部中心处开设有进出料孔802，壳体801的下部外侧围设有加热圈803，壳体801的内部设置有压绳轮804、导向轮805和成对设置的上挤压滚轮806与下挤压滚轮807，压绳轮804设置在壳体801的底部，导向轮805和成对设置的上挤压滚轮806与下挤压滚轮807设置在柔性绳5进出壳体801的位置。

本实施例涉及的连杆2为上下两段插接式结构，连杆2能够在导轨1中左右移动；弹簧3能够使连杆2的下段上下移动；柔性绳5为具有弹性的绳；加热圈803为不锈钢云母电热圈。

本实施例涉及的射流可控的静电纺丝装置使用时，将驱动轮6与外接的能够调速和正反转的电机连接，外接电机带动驱动轮6旋转，驱动轮6通过柔性绳5的连接带动从动轮7旋转，通过调节外接电机的转速和正反转能够控制柔性绳5的移动速度和方向，柔性绳5的移动速度决定柔性绳5蘸取熔体或溶液的厚度，当柔性绳5从左往右移动时，在左料筒8中投入聚合物粒料或溶液，加热圈803能够将聚合物粒料加热成熔体并对熔体或溶液进行加热保温，柔性绳5穿过左料筒8蘸取熔体或溶液，开启高压静电发生器11，连杆2的下段向下移动时，柔性绳5被顶出一个凸起，凸起上的熔体或溶液在高压静电场作用下形成单股射流12，落在接收板10上的已固化材料上并粘接在一起，柔性绳5上剩余的熔体或溶液在进入右料筒9后在上挤压滚轮806和下挤压滚轮807的旋转作用下被挤出并集中在右料筒9中；当右料筒9中的熔体或溶液的体积超过设定值时，使外接电机反转，柔性绳5从右向左移动，从右料筒9中蘸取熔体或溶液进行纺丝，柔性绳5上剩余的熔体或溶液在左料筒8中被截留，如此反复，打印符合设定精度要求的工件13，同时剩余的熔体或溶液被回收再利用，左料筒8和右料筒9能够单独加料。

Claims (2)

1.一种射流可控的静电纺丝装置，其特征在于主体结构包括导轨、连杆、弹簧、滚轮、柔性绳、驱动轮、从动轮、左料筒、右料筒、接收板和高压静电发生器；导轨中设置有上下两段插接式结构的连杆，连杆接地，连杆中设置有弹簧，连杆的底部设置有滚轮，滚轮的下方设置有柔性绳，柔性绳缠绕在驱动轮和从动轮的边缘以连接驱动轮和从动轮，柔性绳上穿设有镜像对称设置的左料筒和右料筒，单独设置的接收板与高压静电发生器电连接，左料筒与右料筒的主体结构相同，均包括壳体、进出料孔、加热圈、压绳轮、导向轮、上挤压滚轮和下挤压滚轮；壳体的上部中心处开设有进出料孔，壳体的下部外侧围设有加热圈，壳体的内部设置有压绳轮、导向轮和成对设置的上挤压滚轮与下挤压滚轮，压绳轮设置在壳体的底部，导向轮和成对设置的上挤压滚轮与下挤压滚轮设置在柔性绳进出壳体的位置，连杆为上下两段插接式结构，连杆能够在导轨中左右移动；弹簧能够使连杆的下段上下移动；柔性绳为具有弹性的绳；加热圈为不锈钢云母电热圈。

2.根据权利要求1所述的射流可控的静电纺丝装置，其特征在于使用时，将驱动轮与外接的能够调速和正反转的电机连接，外接电机带动驱动轮旋转，驱动轮通过柔性绳的连接带动从动轮旋转，通过调节外接电机的转速和正反转能够控制柔性绳的移动速度和方向，柔性绳的移动速度决定柔性绳蘸取熔体或溶液的厚度，当柔性绳从左往右移动时，在左料筒中投入聚合物粒料或溶液，加热圈能够将聚合物粒料加热成熔体并对熔体或溶液进行加热保温，柔性绳穿过左料筒蘸取熔体或溶液，开启高压静电发生器，连杆的下段向下移动时，柔性绳被顶出一个凸起，凸起上的熔体或溶液在高压静电场作用下形成单股射流，落在接收板上的已固化材料上并粘接在一起，柔性绳上剩余的熔体或溶液在进入右料筒后在上挤压滚轮和下挤压滚轮的旋转作用下被挤出并集中在右料筒中；当右料筒中的熔体或溶液的体积超过设定值时，使外接电机反转，柔性绳从右向左移动，从右料筒中蘸取熔体或溶液进行纺丝，柔性绳上剩余的熔体或溶液在左料筒中被截留，如此反复，打印符合设定精度要求的工件，同时剩余的熔体或溶液被回收再利用，左料筒和右料筒能够单独加料。