CN110328852A - 一种连续纤维增强硅橡胶的3d打印设备及其使用方法 - Google Patents

一种连续纤维增强硅橡胶的3d打印设备及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种连续纤维增强硅橡胶的3D打印设备及其使用方法，包括料筒，料筒内套接有螺杆，料筒与螺杆之间形成通道，料筒上端通过连接件连接有减速器，螺杆一端通过联轴器与减速器输出轴连接，减速器连接有第一步进电机，减速器上开设有第一通孔，沿螺杆轴向开设有第二通孔；料筒底部与螺杆底部形成腔体，且腔体底端开设有出料口，第一通孔、第二通孔、腔体连通；料筒一侧设置有进料管，还包括有注射器，注射器出口管端与进料管连接，注射器另一端连接有驱动装置。无需在打印前制造高强度纤维增强硅橡胶复合材料，减少时间、人力成本。

Description

一种连续纤维增强硅橡胶的3D打印设备及其使用方法
技术领域
本发明属于3D打印方法技术领域，涉及一种连续纤维增强硅橡胶的3D打印设备，还涉及上述3D打印设备的使用方法。
背景技术
3D打印机是基于挤出原材料，使用3D设计软件将绘制的产品打印出3D模型，具有制造成本低、生产周期短等优势。硅橡胶的主链结构是聚硅氧烷结构，其化学性能相对稳定，具有较高的耐温性、耐氧化、疏水性、柔软性、透过性、生物适应性好、无毒、无味、不致癌等一系列优良特性，得到了医学、机械、自动化等领域的广泛认可。
现有的硅胶3D打印机往往是在普通3D打印系统基础上改进得到的，下料方式主要依靠材料自身重力或活塞挤压力作用，通过喷头挤出硅橡胶并迅速使打印出的材料光固化，从而得到硅橡胶制品。但是现有的硅橡胶3D打印存在以下问题：首先，由于材料自身重力和活塞挤出力较小，打印出的硅橡胶制品致密性差、易卷曲、尺寸稳定性差。其次，随着高新技术的快速发展，各种高端设备对硅橡胶的使用性能提出了更高的要求，但是其力学强度和抗缺口撕裂性较差，限制了硅橡胶材料在3D打印领域的广泛应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种连续纤维增强硅橡胶的3D打印设备，解决了现有技术中存在的打印制件致密性差、易卷曲、尺寸稳定性差的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种连续纤维增强硅橡胶的3D打印设备，包括料筒，料筒内套接有螺杆，料筒与螺杆之间形成通道，料筒上端通过连接件连接有减速器，螺杆一端通过联轴器与减速器输出轴连接，减速器连接有第一步进电机，减速器上开设有第一通孔，沿螺杆轴向开设有第二通孔；料筒底部与螺杆底部形成腔体，且腔体底端开设有出料口，第一通孔、第二通孔、腔体连通；料筒一侧设置有进料管，还包括有注射器，注射器出口管端与进料管连接，注射器另一端连接有驱动装置。
本发明的特点还在于：
注射器通过夹持架固定。
驱动装置包括第二步进电机，第二步进电机输出轴连接有丝杆，丝杆一端与注射器活塞柄连接。
驱动装置还包括导向轴，导向轴一端固定在第二步进电机上，导向轴另一端固定在夹持架上，注射器活塞柄通过推板与丝杆连接，推板同时套接在丝杆、导向轴上。
第一通孔内设置有管状衬套，管状衬套与第二通孔连通。
连接件为套筒，减速器和料筒固定在套筒内。
还包括有工作平台，工作平台位于料筒下方，工作平台上设置有加热电阻。
本发明的另一目的是提供一种连续纤维增强硅橡胶的3D打印设备的使用方法。
本发明所采用的另一种技术方案是，一种连续纤维增强硅橡胶的3D打印设备的使用方法，包括上述3D打印设备，具体包括如下步骤：
步骤1、将3D打印设备连接驱动部件；
步骤2、将预先制备的硅橡胶原料装入注射器，硅橡胶原料的温度小于等于23℃；
步骤3、将连续纤维通过第一通孔送入第二通孔，并从出料口穿出；
步骤4、打开第二步进电机，推动注射器使硅橡胶原料进入料筒，打开第一步进电机，通过减速器带动螺杆旋转，使硅橡胶原料与连续纤维在腔体处汇合，硅橡胶原料包裹连续纤维，形成连续纤维增强硅橡胶复合材料并从出料口挤出；
步骤5、通过驱动部件带动3D打印设备使连续纤维增强硅橡胶复合材料沉积在工作平台上进行打印成型，得到制件，工作平台上的连续纤维增强硅橡胶复合材料的温度大于23℃。
还包括有如下步骤：
步骤6、制件后处理；
打印完成后，剪断连续纤维，将制件放入烘箱，使制件完全固化；
步骤7、打印机清洗；
完成打印后，首先充分清洁注射器，然后在注射器中加入分子量较小的基础硅胶，注入料筒并通过螺杆挤出；多次重复上述清洗过程。
硅橡胶原料的制备过程如下：
先将基础硅胶、交联剂、催化剂、增强填料加入到混合容器中，充分搅拌1-5min；均匀混合后，将混合材料放入真空容器中1-4min，得到硅橡胶原料。
本发明的有益效果是：本发明的3D打印设备，通过注射器与螺杆挤出联合使用，能增加硅橡胶原料的挤出力，得到的硅橡胶制件致密性好，尺寸稳定性好；能使连续长纤维在硅橡胶中定向可控、有效提高3D打印制件的综合性能，无需在打印前制造高强度纤维增强硅橡胶复合材料，减少时间、人力成本；本发明的3D打印设备的打印方法，根据需要更换纤维种类(金属丝、玄武岩纤维、碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等)、纤维直径、纤维牌号(物性参数不同)，从而获得综合性能优异、功能性强、可定制化的3D打印制件；通过改变硅橡胶或连续纤维的颜色改变制品颜色；通过不同特性的硅橡胶与连续长纤维的优化组合，赋予打印制品更加丰富、功能性更强的特性。
附图说明
图1是本发明一种连续纤维增强硅橡胶的3D打印设备的结构示意图。
图中，1.料筒，2.螺杆，3.减速器，4.连接件，5.第一步进电机，6.第一通孔，7.第二通孔，8.腔体，9.出料口，10.进料管，11.注射器，12.第二步进电机，13.丝杆，14.导向轴，15.夹持架，16.推板，17.工作平台，18.加热电阻，19.管状衬套，20.联轴器，21.第一连接支架，22.第二连接支架，23.驱动部件23，24.轴承。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种连续纤维增强硅橡胶的3D打印设备，如图1所示，包括料筒1，料筒1内套接有螺杆2，料筒1与螺杆2之间形成通道，料筒1上端通过连接件4连接有减速器3，螺杆2一端通过联轴器20与减速器3输出轴连接，螺杆2上端套接有轴承24，轴承24位于螺杆2与料筒1之间，料筒1上端，减速器3连接有第一步进电机5，减速器3上开设有第一通孔6，沿螺杆2轴向开设有第二通孔7；料筒1底部与螺杆2底部形成腔体8，且腔体8底端开设有出料口9，第一通孔6、第二通孔7、腔体8连通；料筒1一侧开设有进料管10，还包括有注射器11，注射器11出口管端与进料管10连接，注射器11另一端连接有驱动装置。
本发明通过驱动部件23实现3D打印设备在X方向、Y方向和Z方向的运动，驱动部件23包括X向驱动步进电动机、Y向驱动步进电动机、Z向驱动步进电动机以及相应的传动装置。该驱动部件23属于常用装置，只要能实现X方向、Y方向和Z方向的运动即可，此处不做限定。上述驱动步进电动机为永磁式步进电机、反应式步进电机、混合式步进电机的任意一种；本实施例中采用的是A4982型微步驱动电动机；
注射器11通过夹持架15固定。还包括第一连接支架21、第二连接支架22，第二连接支架22固定在驱动部件23上，第一步进电机5通过第一连接支架21固定在第二连接支架22上。
驱动装置包括第二步进电机12，第二步进电机12输出轴连接有丝杆13，丝杆13一端与注射器11的活塞柄。
第一步进电机5、第二步进电机12为42系列步进电机、57系列步进电机的任意一种；本实施例中采用的步进电机为42系列两相步进电机。
驱动装置还包括导向轴14，导向轴14一端固定在第二步进电机12上，导向轴14另一端固定在夹持架15上，注射器11的活塞柄与丝杆13通过推板16连接，推板16同时套接在丝杆13、导向轴14上，推板16带动注射器11的活塞柄沿丝杆13、导向轴14做往复运动。
第一通孔6内设置有管状衬套19，管状衬套19与第二通孔7连通，用于防止纤维受其他零件影响而缠绕或断裂。
连接件4为套筒，减速器3和料筒1分别从套筒两端伸入，通过螺钉将减速器3和料筒1固定在套筒内。
还包括有工作平台17，工作平台17位于料筒1下方，工作平台17上设置有加热电阻18，工作平台17连接在驱动部件23上。
一种连续纤维增强硅橡胶的3D打印设备的使用方法，包括上述3D打印设备，具体包括如下步骤：
步骤1、将3D打印设备连接驱动部件23；
步骤2、将预先制备的硅橡胶原料装入注射器11，硅橡胶原料的温度小于等于23℃；硅橡胶原料为室温硫化硅橡胶的一种，本实施例中选用的硅橡胶为铂金催化硅胶。
硅橡胶原料的制备过程如下：
先将基础硅胶、交联剂、催化剂、增强填料加入到混合容器中，充分搅拌1-5min；均匀混合后，将混合材料放入真空容器中1-4min，得到硅橡胶原料。
基础硅胶可以为羟基封端的聚硅氧烷、甲基室温硫化硅橡胶等，交联剂可以为正硅酸乙酯、低聚体硅氢化合物等，催化剂可以为二丁基月桂酸锡、锌基锡、卡斯特催化剂、氯铂酸等，增强填料可以为炭黑、碳酸钙、木质素等。
基础硅胶、交联剂、催化剂、增强填料混合时添加一定的增稠剂，能提高硅橡胶原料3D打印的成型能力。
步骤3、将连续纤维通过管状衬套19送入第二通孔7，并从出料口9穿出；
连续纤维可以为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、聚苯咪唑纤维、聚酰亚胺纤维、硼纤维、光导纤维、金属纤维等，本实施例中选用的纤维为芳纶纤维。
步骤4、打开第二步进电机12、第一步进电机5，推板16带动注射器11的活塞柄沿丝杆13、导向轴14运动，平稳、无脉动的推动注射器11将硅橡胶原料传输到料筒1左侧的进料管10，并进入料筒1，料筒1中的硅橡胶原料温度应保持小于等于23℃，通过减速器3带动螺杆2旋转，不断将料筒1内的硅橡胶原料向下挤出，使硅橡胶原料与连续纤维在腔体8处汇合，使硅橡胶原料包裹连续纤维，形成连续纤维增强硅橡胶复合材料并从出料口9挤出；
步骤5、通过驱动部件23带动3D打印设备使连续纤维增强硅橡胶复合材料沉积在工作平台17上进行打印成型，得到制件，通过加热电阻18对工作平台17上的连续纤维增强硅橡胶复合材料加热，使其温度大于23℃，从而使连续纤维增强硅橡胶复合材料迅速发生交联反应成为具有一定强度和韧性的弹性体。
步骤6、制件后处理；
打印完成后，剪断连续纤维，将制件放入烘箱80℃下2h或100℃下1h，使制件完全固化；
步骤7、打印机清洗；
完成打印后，首先充分清洁注射器11，然后在注射器11中加入分子量较小的基础硅胶，注入料筒1并通过螺杆2挤出；多次重复上述清洗过程。
通过以上方式，本发明的3D打印设备，通过注射器与螺杆挤出联合使用，能增加硅橡胶原料的挤出力，得到的硅橡胶制件致密性好、不易卷曲、尺寸稳定性好；能使连续长纤维在硅橡胶中定向可控、有效提高3D打印制件的综合性能，无需在打印前制造高强度纤维增强硅橡胶复合材料，减少时间、人力成本；本发明的3D打印设备的打印方法，根据需要更换纤维种类(金属丝、玄武岩纤维、碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等)、纤维直径、纤维牌号(物性参数不同)，从而获得综合性能优异、功能性强、可定制化的3D打印制件；通过改变硅橡胶或连续纤维的颜色改变制品颜色；通过不同特性的硅橡胶与连续长纤维的优化组合，赋予打印制品更加丰富、功能性更强的特性。

Claims (10)

1.一种连续纤维增强硅橡胶的3D打印设备，其特征在于，包括料筒(1)，所述料筒(1)内套接有螺杆(2)，所述料筒(1)与螺杆(2)之间形成通道，所述料筒(1)上端通过连接件(4)连接有减速器(3)，所述螺杆(2)一端通过联轴器(20)与减速器(3)输出轴连接，所述减速器(3)连接有第一步进电机(5)，所述减速器(3)上开设有第一通孔(6)，沿所述螺杆(2)轴向开设有第二通孔(7)；所述料筒(1)底部与螺杆(2)底部形成腔体(8)，且所述腔体(8)底端开设有出料口(9)，所述第一通孔(6)、第二通孔(7)、腔体(8)连通；所述料筒(1)一侧设置有进料管(10)，还包括有注射器(11)，所述注射器(11)出口管端与进料管(10)连接，所述注射器(11)另一端连接有驱动装置。
2.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强硅橡胶的3D打印设备，其特征在于，所述注射器(11)通过夹持架(15)固定。
3.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强硅橡胶的3D打印设备，其特征在于，所述驱动装置包括第二步进电机(12)，所述第二步进电机(12)输出轴连接有丝杆(13)，所述丝杆(13)一端与注射器(11)活塞柄连接。
4.根据权利要求3所述的一种连续纤维增强硅橡胶的3D打印设备，其特征在于，所述驱动装置还包括导向轴(14)，所述导向轴(14)一端固定在第二步进电机(12)上，所述导向轴(14)另一端固定在夹持架(15)上，所述注射器(11)活塞柄通过推板(16)与丝杆(13)连接，所述推板(16)同时套接在丝杆(13)、导向轴(14)上。
5.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强硅橡胶的3D打印设备，其特征在于，所述第一通孔(6)内设置有管状衬套(19)，所述管状衬套(19)与第二通孔(7)连通。
6.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强硅橡胶的3D打印设备，其特征在于，所述连接件(4)为套筒，所述减速器(3)和料筒(1)固定在套筒内。
7.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强硅橡胶的3D打印设备，其特征在于，还包括有工作平台(17)，所述工作平台(17)位于料筒(1)下方，所述工作平台(17)上设置有加热电阻(18)。
8.一种连续纤维增强硅橡胶的3D打印设备的使用方法，其特征在于，包括如权利要求1-6任意一项所述的3D打印设备，具体包括如下步骤：
步骤1、将所述3D打印设备连接驱动部件(23)；
步骤2、将预先制备的硅橡胶原料装入所述注射器(11)，所述硅橡胶原料的温度小于等于23℃；
步骤3、将连续纤维通过所述第一通孔(6)送入第二通孔(7)，并从所述出料口(9)穿出；
步骤4、打开所述第二步进电机(12)，所述推动注射器(11)使硅橡胶原料进入料筒(1)，打开所述第一步进电机(5)，通过所述减速器(3)带动螺杆(2)旋转，使所述硅橡胶原料与连续纤维在腔体(8)处汇合，硅橡胶原料包裹连续纤维，形成连续纤维增强硅橡胶复合材料并从出料口(9)挤出；
步骤5、通过驱动部件(23)带动所述3D打印设备使连续纤维增强硅橡胶复合材料沉积在所述工作平台(17)上进行打印成型，得到制件，所述工作平台(17)上的连续纤维增强硅橡胶复合材料的温度大于23℃。
9.如权利要求8所述的一种连续纤维增强硅橡胶的3D打印设备的使用方法，其特征在于，还包括有如下步骤：
步骤6、制件后处理；
打印完成后，剪断连续纤维，将制件放入烘箱，使制件完全固化；
步骤7、打印机清洗；
完成打印后，首先充分清洁注射器(11)，然后在注射器(11)中加入分子量较小的基础硅胶，注入料筒(1)并通过螺杆(2)挤出；多次重复上述清洗过程。
10.如权利要求8所述的一种连续纤维增强硅橡胶的3D打印设备的使用方法，其特征在于，所述硅橡胶原料的制备过程如下：
先将基础硅胶、交联剂、催化剂、增强填料加入到混合容器中，充分搅拌1-5min；均匀混合后，将混合材料放入真空容器中1-4min，得到硅橡胶原料。
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