CN110561749B - 磁控制纳米成型微机械装置及纺丝三维成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁控制纳米成型微机械装置及纺丝三维成型方法，该磁控制纳米成型微机械装置包括用于生成磁流体的磁流体制备装置，用于固定磁流体制备装置的三维控制纳米台，位于磁流体制备装置下方的工作平台以及位于工作平台下方的强磁铁。本发明基于磁纺丝成型原理，从磁流体制备装置的进给喷嘴挤出的磁流体在强磁铁的磁场作用下形成液桥，液桥固化形成纳米纤维丝，由于通过三维控制纳米台可以精确的控制磁流体制备装置的进给喷嘴与强磁铁之间的相对位置，然后基于设定的成型轨迹，便可制备得到满足设定排布要求的三维纺丝，具有操作简单、控制精度高的特点，能够满足工业量化生产的需求，在本领域具有较好的应用前景。

Description

磁控制纳米成型微机械装置及纺丝三维成型方法
技术领域
本发明属于纺丝成型技术领域，涉及基于磁原理纺丝成型的磁控制纳米成型微机械装置及纺丝三维成型方法。
背景技术
快速成型(RP)技术是二十世纪九十年代发展起来的一项先进制造技术，是为制造业企业新产品开发服务的一项关键共性技术，对促进企业产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力有积极的推动作用。现有的工作原理包括3DP技术、SLA立体平版印刷技术、SLS选区激光烧结技术、DLP激光成型技术、FDM熔融层积成型技术原理等，其中较为成熟工艺即为基于3DP技术的静电纺丝纳米纤维制备工艺。
静电纺丝法是一种利用静电力生产纳米纤维的纺丝方法，该方法的关键是使聚合物溶液在高压静电场中产生变形和射流运动，溶剂在射流运动过程中发挥，使聚合物固化，从而获得纳米纤维。然而，静电纺丝法仍存在以下不足：(1)为了产生足够的静电力，需要上万伏甚至几十万伏的高压静电场，这不仅极大增加了工业生产成本，而且存在严重安全隐患；(2)对于纺丝使用的聚合物溶液导电性要求较高且需要后期维护，从而导致成本高昂且耗时较长；(3)纺丝过程中所形成的泰勒锥形状的液滴，不仅导致纳米纤维产量较低，且所制备的纳米纤维由于排序杂乱无章而难以用于实际应用；(4)所制备的纳米纤维以无纺布形式存在，且纤维排列十分凌乱，从而制约了其推广应用。
由此可见，基于微米级、纳米级部件的成型问题依然没有很好的解决，更难以有效应用在生物医学和化学等领域。
发明内容
本发明的目的旨在针对现有技术中静电纺丝成型工艺存在的不足，提供一种磁控制纳米成型微机械装置，该装置基于磁纺丝成型原理，形成的磁流体，在强磁铁的磁场力作用下，纺丝成型得到纳米纤维丝。
本发明的另一目的旨在提供一种利用上述磁控制纳米成型微机械装置实现的纺丝三维成型方法。
本发明提供的磁控制纳米成型微机械装置，其包括用于生成磁流体的磁流体制备装置，用于固定磁流体制备装置的三维控制纳米台，位于磁流体制备装置下方的工作平台以及位于工作平台下方的强磁铁；
所述磁流体制备装置包括磁流体生成机构、深入到磁流体生成机构内部将磁流体挤出的推动机构以及用于安装磁流体生成机构和推动机构的固定机构；所述磁流体生成机构包括容室，所述容室的出液口位置安装有配置电磁阀的喷嘴，磁流体在推动机构的推动作用下从喷嘴喷出；
所述三维控制纳米台为龙门架式结构，包括基座以及位于基座上、平行设置的两组支架，所述磁流体制备装置通过支撑板固定于两组支架之间，所述基座上设置有实现工作台和和强磁铁同步移动的移动式平台，所述工作平台固定于移动式平台上，所述强磁铁固定于工作平台和移动式平台之间形成的空腔内，通过调整磁流体制备装置在支架上的位置，实现磁流体制备装置相对于坐标轴的X轴和Z轴方向上的移动，通过移动式平台，实现磁流体制备装置相对于坐标轴的Y轴方向上的移动。
上述磁控制纳米成型微机械装置，通过磁流体制备装置在金属喷嘴处形成磁流体，在强磁铁的磁场力作用下生成纳米纤维丝，然后基于ug成型轨迹，在纳米台的三维运动控制下分层制造，逐层叠加，直接成型为具有一定排布形式的三维纳米纤维丝，可有效地应用在生物医学和化学等领域。
本发明所提供的磁流体制备装置的作用在于能够严格控制磁流体生成机构的进给量，进而使从磁流体生成机构喷嘴稳定挤出。为了达到上述目的，所述推动机构利用活塞与磁流体生成机构的容室形成一个密封腔室，然后通过精确控制活塞的移动位置来调整腔室内的压力，利用压力将磁流体从喷嘴挤出。由于形成的密闭腔室能够有效避免空气进入，且通过精确控制活塞移动能够实现对磁流体挤出压力的精准调控，从而能够保证磁流体稳定挤出。本发明所采用的推动机构包括沿容室容腔中心轴线自上而下依次布设的驱动单元、与驱动单元底部连接的推动件和活塞，所述活塞位于容室上方，推动件在驱动单元带动下推动活塞移动，起到密封和挤压的作用。为了与活塞配合，所述容室为一端开口的柱状筒性结构，底部呈锥形，底部内径从边缘至中心位置逐渐变小至与喷嘴衔接的排液口。所述活塞与容室内壁之间为滑动配合。
进一步地，所述驱动单元包括伺服电机a、与伺服电机输出轴连接的丝杆a以及套接于丝杆a外的推动管，所述推动管上端通过上法兰设置有丝杆螺母a的丝杆法兰连接，下端通过下法兰与推动件连接。这样，通过丝杆经推动件来驱动活塞，能够实现对活塞移动距离的精确控制。
进一步地，所述推动件外侧沿周向均匀布设多个光杆螺钉，光杆螺钉滑动穿设于推动件沿周向设置的螺孔后与活塞端部固定连接，所述光杆螺钉上套接有弹簧，弹簧两端分别与推动件和活塞端面抵接。这样能够使容室内的作用压力逐渐增大，从而使磁流体更缓慢、稳定地从容室下方的喷嘴挤出，使磁流体材料完整堆积。
进一步地，所述固定机构包括上底座、下底座以及安装于上底座和下底座之间的多根立柱，所述驱动单元固定于上底座上，所述容室固定于下底座上。为了保证推动件运动为直上直下，不会产生偏移导致活塞倾斜，本发明所使用的推动机构进一步包括至少两个沿着所述推动件外侧周向均匀布设的导向组件；所述导向组件包括由滑轨a和滑块a构成的滑动副以及与滑块固连在一起的固定架a，所述滑轨a沿平行于容室的中心轴线方向安装于立柱上，每个滑块a通过固定架a连接于推动件的外壁上，每个滑块a在推动件外壁上的安装位置与安装在立柱上的滑轨相对。
本发明所述磁流体是指含有磁性颗粒的胶状液体。一般磁流体的制备通过以下两种方式得到：(1)将磁性粉末和可固化原料(例如高分子聚合物纺丝原料)均匀分散在溶剂中；(2)对磁性粉末和可固化原料进行加热，使可固化原料达到熔融状态即可。为了满足磁流体高温制备条件，本发明所提供的磁流体生成机构进一步包括用于将容室内可固化原料进行加热至熔融状态的加热单元，该加热单元内嵌于容室内底面上。本发明中所述加热单元可以为电加热片等结构简单、易于集成的元件。
由于需要将可固化原料加热到熔融状态，这使得容室周围温度很高，为了避免高温环境对其它精密设备的影响，本发明所提供的磁流体生成机构进一步包括沿容室周向设置的冷却单元；所述冷却单元包括冷却缸和水泵电机，冷却缸与容室之间形成用于冷却水通过的环形腔，冷却缸环形腔通过设置的进水口和出水口经管道与水泵电机相连通；所述水泵电机安装于固定机构的上底座上。所述冷却缸和容室均通过底部沿径向延伸出的连接盘固定于下底座上，两个连接盘之间设置有具有隔热和密封作用的大垫片。
本发明所提供的三维控制纳米台的作用是实现磁流体制备装置与强磁铁之间的相对位置的控制，其主要是通过调整磁流体制备装置在两组支架上的位置和移动式平台实现的。
为了便于实现磁流体制备装置在两组支架上精准定位，所述三维控制纳米台进一步包括用于控制磁流体制备装置沿Z轴移动的Z轴导向组件及用于带动Z轴导向组件移动的Z轴驱动单元和用于控制磁流体制备装置沿X轴移动的X轴导向组件及用于带动X轴导向组件移动的X轴驱动单元。进一步地，所述Z轴导线组件为由滑轨b和滑块b构成的滑动副b，滑轨b沿平行于Z轴方向安装于每组支架的两根支撑柱上；所述X轴导向组件为由滑轨c和滑块c构成的滑动副c，滑轨c所在支撑杆两端与滑块b固连；所述Z轴驱动单元为两组，分别平行于其中一组支架的两根支撑柱安装在基座上，Z轴驱动单元包括固定于基座上的伺服电机b及平行于滑轨b设置的丝杆b，丝杆b的一端与伺服电机b输出轴连接，另一端穿过滑块b上的丝杆螺母后与支架横梁可转动连接；所述X轴驱动单元为一组，安装于其中一根滑轨c上，X轴驱动单元包括固定于滑轨c一端的驱动电机a和与之配套的传输皮带a，所述传输皮带a跨接于滑轨c上且与滑块c固连；所述磁流体制备装置通过支撑板固定于两个滑块c上。
所述移动式平台包括底板、与底板固定在一起的行走板、Y轴导向组件和Y轴驱动单元；所述Y轴导向组件包沿平行于Y轴方向固定于基座上的滑轨d及行走小车，行走小车跨接于滑轨上并于行走板固连；所述Y轴驱动单元包括固定于基座上的驱动电机b和与之配套的传输皮带b，传输皮带b穿过行走板并于行走板固连。
本发明所提供的强磁铁的作用是与从磁流体制备装置基础的液滴状磁流体产生较强的磁场作用，从而使磁流体在磁场拉伸作用下形成磁体液桥。因此，本发明对于强磁铁的材料和结构没有特殊要求，只要与磁流体之间能产生足够强的磁场作用即可。
本发明进一步提供了一种纺丝三维成型方法，采用上述磁控制纳米成型微机械装置按照以下步骤进行：
(1)将纺丝原料加入到容室内，然后将磁流体制备装置通过支撑板固定于三维控制纳米台的两组支架之间，并调整磁流体制备装置喷嘴与三维控制纳米台的强磁铁的相对位置至设定的初始位置；
(2)通过控制伺服电机a，使活塞在丝杆a作用下向下移动至密封住容室；
(3)打开电磁阀，活塞继续向下移动，容室内的磁流体在压力作用下被从喷嘴挤出形成液滴状；
(4)通过控制磁流体制备装置喷嘴与三维控制纳米台的强磁铁的相对位置，形成的液滴状磁流体在强磁铁的磁场作用下形成液桥，液桥固化即形成纳米纤维丝；
(5)依据设定的结构，完成一层纳米纤维丝成型制备后，通过三维控制纳米台控制磁流体制备装置，使其喷嘴上升设定分层厚度，继续成型下一层纳米纤维丝直至形成整个实体造型。
本发明所提供的纺丝三维成型方法的原理为：在三维控制纳米台的作用下，基于微米级、纳米级物体的ug成型轨迹，控制磁流体制备装置的进给喷嘴和强磁铁的相对位置，通过强磁铁对喷嘴处磁性液滴的磁场作用形成液桥，随着强磁铁从表面移开拉伸形成液桥，液桥固化形成纳米纤维丝，选择性地涂敷在工作台上，快速形成一层截面。一层成型完成后，磁流体制备装置的喷嘴上升一个分层厚度，再成型下一层，直至形成整个实体造型。
前面已经指出，磁流体的制备可以通过分散液分散和加热熔融两种方式得到，对于这两种不同的磁流体制备方法，上述纺丝三维成型方法存在以下区别：
(i)当通过分散方式获取时，先将纺丝原料(磁性粉末和高分子聚合物)均匀分散到溶剂中，配制成设定浓度的分散液，得到的分散液可以直接加入到容室中，进行纺丝成型操作。本领域技术人员可以根据所需纤维丝的直径，来调整分散液中高分子聚合物的浓度；磁性粉末的种类和用量，可以根据所采用的强磁铁所产生的磁场大小、设定的磁流体制备装置与强磁场之间的间距等进行调整，只要能够满足纺丝要求即可。所述溶剂为易于挥发的有机或无机溶剂，例如去离子水、乙醇、N,N-二甲基甲酰胺或氯仿等，溶剂可以在磁流体在磁场作用下形成液桥后固化过程中连续挥发掉。
(ii)当通过加热熔融方式获取时，先将纺丝原料(磁性粉末和高分子聚合物)混合均匀后加入到容室内，当通过步骤(2)，利用活塞将容室密封住以后再利用加热单元对容室内的高分子聚合物进行加热至熔融，磁性粉末均匀分散在熔融状态的高分子聚合物中，从而得到所述磁流体。然后再按照步骤(3)-(5)，磁流体在磁场作用下形成液桥，液桥在空气中固化即形成纳米纤维丝，最终制备得到所需的三维纳米纤维。同样地，磁性粉末的种类和用量，可以根据所采用的强磁铁所产生的磁场大小、设定的磁流体制备装置与强磁场之间的间距等进行调整，只要能够满足纺丝要求即可。
不管哪种实现方式，所述高分子聚合物为可以实现纺丝的原料，例如聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚氧乙烯、聚乳酸、聚丙烯腈、透明质酸、壳聚糖等高分子聚合物及其修饰物中的一种或多种。
此外，磁流体制备装置的喷嘴出口直径、磁性粉末与强磁铁之间的磁作用力以及三维控制纳米台的移动速率都会对纤维丝成型直径产生影响，本领域技术人员可以根据所需纤维丝的直径，对上述参数进行调整。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明基于磁纺丝成型原理，从磁流体制备装置的进给喷嘴挤出的磁流体在强磁铁的磁场作用下形成液桥，液桥固化形成纳米纤维丝，由于通过三维控制纳米台可以精确的控制磁流体制备装置的进给喷嘴与强磁铁之间的相对位置，然后基于设定的成型轨迹，便可制备得到满足设定排布要求的三维纺丝，具有操作简单、控制精度高的特点，能够满足工业量化生产的需求，在本领域具有较好的应用前景。
(2)本发明所提供的磁流体制备装置中，由活塞和容室构成密闭空间，通过活塞移动来调控容室内作用于磁流体的压力，从而使磁流体更加稳定、均匀的挤出，从而制备出直径均匀一致的材料，解决传统进给装置进给不够均匀稳定和制备效果差的问题。
(3)本发明所提供的磁流体制备装置，由与驱动丝杆连接的推动件控制活塞移动，能够实现对活塞移动位移的精确控制；沿推动件周向设置的导线组件能够保证推动件直上直下，从而确保活塞不产生倾斜；推动件与活塞之间弹性连接，能够使作用于活塞上的作用力逐渐增加，从而保证作用于磁流体的压力缓慢、均匀增加，有助于改善磁流体从进给喷嘴挤出的稳定性。
(4)本发明所提供的三维控制纳米台，能够沿三个坐标轴精确定位磁流体制备装置的进给喷嘴与强磁铁之间的相对位置关系，并基于ug成型轨迹，控制磁流体制备装置或强磁铁移动，制备得到满足设定排布要求的连续微米或纳米三维纺丝，从而拓宽了其可推广应用范围。
(5)本发明纺丝三维成型方法，是利用磁流体在一定的磁场强度下成型制备得到的，对纺丝原料导电性没有要求，也不需要高电压，从而不需要额外的高压电供应设备，不仅降低了生产成本，而且降低了制造难度，适于在本领域内推广使用。
(6)本发明纺丝三维成型方法，制备出连续微米或纳米三维纺丝，可实现分层制造、逐层叠加、直接成型，且纤维排列规则，能够有效应用于生物医学和化学等领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，以下描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。
图1为实施例1提供的磁控制纳米成型微机械装置立体示意图。
图2为实施例1提供的磁控制纳米成型微机械装置主视图。
图3为实施例1提供的磁流体制备装置立体图。
图4为实施例1提供的磁流体制备装置主视图(a)和沿A-A线的剖视图(b)。
图5为实施例1提供的磁流体制备装置中推动机构和容室组装示意图。
图6为实施例1提供的推动件立体图。
图7为实施例1提供的容室立体图。
图8为实施例1提供的冷却单元立体图。
图9为实施例1提供的三维控制纳米台立体图。
图10为实施例1提供的移动式平台立体图。
附图中，1-磁流体制备装置，11-磁流体生成机构，111-容室，112-电磁阀，113-喷嘴，114-冷却单元，1141-冷却缸，1142-水泵电机，1143-环形腔，1144-进水口，1145-出水口，115-大垫片，12-推动机构，121-驱动单元，1211-伺服电机a，1212-丝杆a，1213-推动管，1214-丝杆螺母a，1215-上法兰，1216-下法兰，122-推动件，1221-光杆螺钉，1222-弹簧，123-活塞，124-导线组件，1241-滑轨a，1242-滑块a，1243-固定架a，13-固定机构，131-上底座，1311-固定脚，1312-横杆，1313-上盖板，132-下底座，133-立柱；
2-三维控制纳米台，21-基座，22-支架，221-支撑柱，222-支架横梁，23-移动式平台，231-底板，232-行走板，233-Y周导向组件，2331-滑轨d，2332-行走小车，234-Y轴驱动单元，2341-驱动电机b，2342-传输皮带b，24-Z轴导向组件，241-滑轨b，242-滑块b，243-丝杆螺母b，25-Z轴驱动单元，251-伺服电机b，252-丝杆b，253-接头，26-X轴导向组件，261-滑轨c，262-滑块c，27-X轴驱动单元，271-驱动电机a，272-传输皮带a；
3-工作平台；4-强磁铁；5-支撑板。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
实施例1
本实施例基于磁流体特性，提供了一种磁控制纳米成型微机械装置，如图1及图2所示，其包括用于生成磁流体的磁流体制备装置1，用于固定磁流体制备装置的三维控制纳米台2，位于磁流体制备装置下方的工作平台3以及位于工作平台下方的强磁铁4。本实施例强磁铁采用钕铁硼强磁铁。
如图3及图4所示，本实施例所使用的磁流体制备装置1包括磁流体生成机构11、推动机构12以及固定机构13。磁流体生成机构11包括能够容室111，容室的出液口位置安装有配置电磁阀112的喷嘴113，容室为一端开口的柱状筒性结构，底部呈锥形，底部内径从边缘至中心位置逐渐变小至与喷嘴衔接的排液口(见图7所示)。容室内底部安装有电加热片。推动机构12包括沿容室容腔中心轴线自上而下依次布设的驱动单元121、与驱动单元底部连接的推动件122和活塞123，活塞与容室内侧壁滑动配合。固定机构13包括上底座131、下底座132以及安装于上底座和下底座之间的三根立柱133。驱动单元固定于上底座上，容室固定于下底座上。容室内放置好纺丝原料后，然后推动件在驱动单元带动下推动活塞移动至进入容室内，电加热片加热容室111，容室111内的纺丝原料融化得到熔融胶体，打开电磁阀112，推动件122继续在驱动单元121带动下驱动活塞123将熔融胶体挤压从喷嘴113排出，形成熔融液滴。
如图3至图5所示，驱动单元121包括伺服电机a1211、与伺服电机a输出轴连接的丝杆a1212以及套接于丝杆a外的推动管1213，推动管为铝管。推动管上端通过上法兰1215与设置有丝杆螺母a1214的丝杆法兰连接，下端通过下法兰1216与推动件连接。伺服电机a带动丝杠a产生一个旋转运动，丝杠a上的丝杆螺母a可以将丝杠的旋转运动转化为丝杆螺母a的直线进给运动。丝杆螺母a的直线运动会带动推动管向下运动，以推动与之连接的推动件向下移动。
如图3至图5所示，推动件外侧沿周向均匀布设六个光杆螺钉1221。光杆螺钉滑动穿设于推动件沿周向设置的螺孔后与活塞端部固定连接，光杆螺钉上套接有弹簧1222，弹簧两端分别与推动件和活塞端面抵接。当驱动单元推动推动件向下移动时，弹簧和光杆螺钉相互配合，减小整体震动，提高驱动单元的控制精度。
如图3所示，固定机构的上底座131由三根横杆1312经固定脚1311顺次连接而成，下底座与上底座结构相同。上底座和下底座沿推动机构轴线对称布置，三根立柱133固定于相对的两个固定脚之间。驱动单元的伺服电机a1211经上盖板1313固定于上底座三根横杆上，容室经下盖板固定于下底座三根横杆上。
如图3至图6所示，所述推动机构进一步包括三个沿着推动件外侧周向均匀布设的导向组件124。导向组件包括由滑轨a1241和滑块a1242构成的滑动副以及与滑块固连在一起的固定架a1243。滑轨a沿平行于容室的中心轴线方向安装于立柱上，每个滑块a在推动件外壁上的安装位置与安装在立柱上的滑轨相对。每个滑块a通过固定架a连接于推动件的外壁上。这样可以保证推动件运动为直上直下，不会产生偏移导致活塞倾斜。
如图6所示，固定架a包括固连为一体的与推动件贴合的贴合端、与滑块a固连的连接端及设置与两者之间的中间段；贴合端包括三个平滑过渡的弧形段，其中两侧的弧形段朝向推动件的一侧凹陷，位于中部的弧形段朝向远离推动件的一侧凹陷，位于中部的弧形段与推动件的外侧壁抵压贴合，进一步加强对推动件的夹紧作用力，位于两侧的弧形段分别与相邻的固定架a通过螺栓连接在一起，这样便于在贴合端之间形成预紧力，以夹紧推动件。
为了对被加热的容室进行冷却，磁流体生成机构11还包括沿容室周向设置的冷却单元114。冷却单元114包括冷却缸1141和水泵电机1142。
如图8所示，所述水冷缸1141包括固连为一体的第一套件和第二套件，第一套件和第二套件均为柱形筒状结构。第一套件套接于容室外侧，第一套件与容室之间形成水冷腔。第二套件位于第一套件上方，且其内径与容室内径相匹配。第一套件与第二套件连接的位置设置有进水口1144，第一套件的下部外侧壁设置有出水口1145，进水口和出水口经管道与水泵电机相连通。水冷缸与容室套接安装后，其内部接触部位设置有密封圈，两者下端均通过沿径向延伸出的环状连接盘固定于下底座的下盖板上，两个连接盘之间设置有大垫片115。
如图3所示，水泵电机固定于上底座的其中一根横杆上。
此外，所述容室外壁设计有螺纹槽，以增加散热面积。
前面对磁流体制备装置的结构进行了详细描述，下面对三维控制纳米台的结构进行详细描述。以三维控制纳米台空间建立坐标系，三维控制纳米台用于实现磁流体制备装置相对于强磁铁沿X轴、Y轴和Z轴方向上的移动。
如图1、图2及图9所示，三维控制纳米台2为龙门架式结构，包括基座21，位于基座上、平行设置的两组支架22以及可移动安装于基座上的移动式平台23。
如图1、图2及图9所示，每组支架22由垂直安装于基座上的两根支撑柱221和跨接于两根支撑柱顶端的横梁222组成。其中一组支架上还安装有Z轴导向组件24，Z轴驱动单元25，X轴导向组件26及X轴驱动单元27。Z轴导线组件24为由滑轨b241和滑块b242构成的滑动副b，滑轨b沿平行于Z轴方向安装于每组支架的两根支撑柱221上。X轴导向组件26为由滑轨c261和滑块c262构成的滑动副c，滑轨c安装经支撑杆安装于支撑柱上，支撑杆两端与相应两根支撑柱上的滑块b固连。Z轴驱动单元25为两组，分别平行于其中一组支架的两根支撑柱安装在基座上，Z轴驱动单元25包括固定于基座上的伺服电机b251及平行于滑轨b设置的丝杆b252，丝杆b的一端与伺服电机b输出轴连接，另一端穿过滑块b上的丝杆螺母b 243后经接头253与支架横梁222可转动连接。X轴驱动单元27为一组，安装于其中一根滑轨c上，X轴驱动单元包括固定于滑轨c一端的驱动电机a271和与之配套的传输皮带a272，传输皮带a跨接于滑轨c上且与滑块c固连。
如图9及图10所示，移动式平台23用于实现工作台和强磁铁沿Y轴方向的同步移动。移动式平台23包括底板231、与底板固定在一起的行走板232、Y轴导向组件233和Y轴驱动单元234。Y轴导向组件包沿平行于Y轴方向固定于基座上的两组滑轨d2331及行走小车2332，行走小车跨接于滑轨d上并与行走板固连，行走小车下方的滑轮与滑轨d外侧面上的滑槽相配合；Y轴驱动单元234包括固定于基座上的驱动电机b2341和与之配套的传输皮带b2342，传输皮带b穿过行走板并于行走板固连。
上述磁流体制备装置1、三维控制纳米台2、工作平台3和强磁铁4通过以下方式组装在一起：磁流体制备装置通过两个支撑板5固定于两组支架上，支撑板5一端穿过丝杆a与上底座的上盖板固定在一起，另一端与滑块c固定在一起。工作平台3和强磁铁4均固定于移动式平台的底板231上，强磁铁4固定于底板231的中心位置，工作平台3的四个角经螺栓与底板的四个角固定连接，强磁铁4位于工作平台3和移动式平台23之间形成的空腔内，
本实施例进一步提供了一种纺丝三维成型方法，本实施例所针对的纺丝原料为由磁性纳米颗粒和聚环氧乙烷(PEO，Mw＝400000g/mol)按照重量比1：1混合均匀得到。
磁性纳米颗粒采用常规共沉淀法制备得到(参见A.Tokarev，W.–k.,I.Sevonkaev,D.Goia,K.G.Kornev,Soft Matter 2014,10,1917等)。合成过程中，在搅拌条件下，于室温将1.625g(8mmol)FeCl2·4H 2O和4.43g(16mmol)FeCl3·6H 2O溶解于190mL水中。向溶液中加入10mL浓度为25wt％的氨水，这导致形成黑色磁铁矿沉淀物。继续搅拌10分钟后，将沉淀物与溶液进行磁分离，并用去离子(DI)水洗涤沉淀物三次即得到磁性纳米颗粒。
本实施例提供的纺丝三维成型方法，采用所述磁控制纳米成型微机械装置按照以下步骤进行：
(1)将纺丝原料放入容室内，然后将磁流体制备装置通过支撑板固定于三维控制纳米台的两组支架之间，并调整磁流体制备装置喷嘴与三维控制纳米台的强磁铁的相对位置至设定的初始位置；
(2)通过控制伺服电机a，使活塞在丝杆a作用下向下移动至密封住容室，然后在加热单元作用下，将PEO加热到70℃使其熔化，磁性纳米颗粒均匀分散在熔融后的PEO中得到熔融状态的磁流体；
(3)打开电磁阀，活塞继续向下移动，容室内的磁流体在压力作用下被从喷嘴挤出形成液滴状；
(4)按照设计的轨迹，控制X轴导向组件、Y轴导向组件移动，从而控制磁流体制备装置喷嘴与三维控制纳米台的强磁铁的相对位置，形成的液滴状磁流体在强磁铁的磁场作用下形成液桥，液桥固化即形成纳米纤维丝；
(5)依据设定的结构，完成一层纳米纤维丝成型制备后，控制Z轴导向组件移动，从而控制磁流体制备装置沿Z轴方向移动，使其喷嘴上升设定分层厚度，继续成型下一层纳米纤维丝直至形成整个实体造型。
实施例2
本实施例提供了另外一种纺丝三维成型方法。该实施例所针对的纺丝原料为由柠檬酸盐稳定的磁性纳米颗粒分散体和浓度为14wt％的聚环氧乙烷(PEO)溶液按照体积比1：1混合均匀得到。
磁性纳米颗粒采用常规共沉淀法制备得到(参见A.Tokarev，W.–k.,I.Sevonkaev,D.Goia,K.G.Kornev,Soft Matter 2014,10,1917等)。合成过程中，在搅拌条件下，于室温将1.625g(8mmol)FeCl2·4H2O和4.43g(16mmol)FeCl3·6H2O溶解于190mL水中。向溶液中加入10mL浓度为25wt％的氨水，这导致形成黑色磁铁矿沉淀物。继续搅拌10分钟后，将沉淀物与溶液进行磁分离，并用去离子(DI)水洗涤沉淀物三次即得到磁性纳米颗粒。
柠檬酸盐稳定的磁性纳米颗粒分散体的制备方法为：在用HNO3洗涤磁性纳米颗粒之后，用水将沉淀物稀释至100mL并用NaOH将pH升至2.5。然后加入5mL浓度为0.5M的柠檬酸三钠二水合物溶液，将所得混合体系搅拌90分钟，同时采用盐酸将混合体系pH值保持接近2.5。之后通过施加外部磁场分离沉淀物，弃去上清液。用去离子水将沉淀物稀释至50mL，并将pH升至6。
浓度为14wt％的聚环氧乙烷(PEO)溶液的制备方法为：按比例，将聚环氧乙烷(PEO，Mw＝400000g/mol)于60℃条件下溶解于去离子水和乙醇(去离子水和乙醇的体积比为7:3)的混合溶剂中得到。
本实施例所采用的磁控制纳米成型微机械装置与实施例1中的相同，由于这里不需要对纺丝原料加热，因此可以将容室底部设置的加热单元和容室外部设计的冷却单元省略。
本实施例提供的纺丝三维成型方法步骤如下：
(1)将纺丝原料放入容室内，然后将磁流体制备装置通过支撑板固定于三维控制纳米台的两组支架之间，并调整磁流体制备装置喷嘴与三维控制纳米台的强磁铁的相对位置至设定的初始位置；
(2)通过控制伺服电机a，使活塞在丝杆a作用下向下移动至密封住容室；
(3)打开电磁阀，活塞继续向下移动，容室内的磁流体在压力作用下被从喷嘴挤出形成液滴状；
(4)按照设计的轨迹，控制X轴导向组件、Y轴导向组件移动，从而控制磁流体制备装置喷嘴与三维控制纳米台的强磁铁的相对位置，形成的液滴状磁流体在强磁铁的磁场作用下形成液桥，液桥表面溶剂挥发即形成纳米纤维丝；
(5)依据设定的结构，完成一层纳米纤维丝成型制备后，控制Z轴导向组件移动，从而控制磁流体制备装置沿Z轴方向移动，使其喷嘴上升设定分层厚度，继续成型下一层纳米纤维丝直至形成整个实体造型。

Claims (10)

1.一种磁控制纳米成型微机械装置，其特征在于包括用于生成磁流体的磁流体制备装置（1），用于固定磁流体制备装置的三维控制纳米台（2），位于磁流体制备装置下方的工作平台（3）以及位于工作平台下方的强磁铁（4）；
所述磁流体制备装置（1）包括磁流体生成机构（11）、深入到磁流体生成机构内部将磁流体挤出的推动机构（12）以及用于安装磁流体生成机构和推动机构的固定机构（13）；所述磁流体生成机构（11）包括容室（111），所述容室的出液口位置安装有配置电磁阀（112）的喷嘴（113），磁流体在推动机构的推动作用下从喷嘴喷出；
所述三维控制纳米台（2）为龙门架式结构，包括基座（21）以及位于基座上、平行设置的两组支架（22），所述磁流体制备装置通过支撑板（5）固定于两组支架之间，所述基座上设置有实现工作台和和强磁铁同步移动的移动式平台（23），所述工作平台（3）固定于移动式平台上，所述强磁铁（4）固定于工作平台（3）和移动式平台（23）之间形成的空腔内，通过调整磁流体制备装置在支架上的位置，实现磁流体制备装置相对于坐标轴的X轴和Z轴方向上的移动，通过移动式平台，实现磁流体制备装置相对于坐标轴的Y轴方向上的移动。
2.根据权利要求1所述磁控制纳米成型微机械装置，其特征在于所述推动机构（12）包括沿容室容腔中心轴线自上而下依次布设的驱动单元（121）、与驱动单元底部连接的推动件（122）和活塞（123），所述活塞位于容室上方，推动件在驱动单元带动下推动活塞移动，起到密封和挤压的作用。
3.根据权利要求2所述磁控制纳米成型微机械装置，其特征在于所述驱动单元（121）包括伺服电机a（1211）、与伺服电机输出轴连接的丝杆a（1212）以及套接于丝杆a外的推动管（1213），所述推动管上端通过上法兰（1215）与设置有丝杆螺母a（1214）的丝杆法兰连接，下端通过下法兰（1216）与推动件连接。
4.根据权利要求2所述磁控制纳米成型微机械装置，其特征在于所述推动件外侧沿周向均匀布设多个光杆螺钉（1221），光杆螺钉滑动穿设于推动件沿周向设置的螺孔后与活塞端部固定连接，所述光杆螺钉上套接有弹簧（1222），弹簧两端分别与推动件和活塞端面抵接。
5.根据权利要求2所述磁控制纳米成型微机械装置，其特征在于所述固定机构（13）包括上底座（131）、下底座（132）以及安装于上底座和下底座之间的多根立柱（133），所述驱动单元固定于上底座上，所述容室固定于下底座上。
6.根据权利要求5所述磁控制纳米成型微机械装置，其特征在于所述推动机构进一步包括至少两个沿着推动件外侧周向均匀布设的导向组件（124）；所述导向组件包括由滑轨a（1241）和滑块a（1242）构成的滑动副以及与滑块固连在一起的固定架a（1243），所述滑轨a沿平行于容室的中心轴线方向安装于立柱上，每个滑块a通过固定架a连接于推动件的外壁上，每个滑块a在推动件外壁上的安装位置与安装在立柱上的滑轨相对。
7.根据权利要求1所述磁控制纳米成型微机械装置，其特征在于所述磁流体生成机构进一步包括用于将容室内原料进行加热至熔融状态的加热单元及沿容室周向设置的冷却单元（114）；所述加热单元内嵌于容室内底面上；所述冷却单元（114）包括冷却缸（1141）和水泵电机（1142），所述冷却缸与容室套接在一起，冷却缸与容室之间形成用于冷却水通过的环形腔（1143），冷却缸环形腔通过设置的进水口（1144）和出水口（1145）经管道与水泵电机（1142）相连通；所述水泵电机安装于固定机构的上底座上。
8.根据权利要求1所述磁控制纳米成型微机械装置，其特征在于所述三维控制纳米台（2）进一步包括用于控制磁流体制备装置沿Z轴移动的Z轴导向组件（24）及用于带动Z轴导向组件移动的Z轴驱动单元（25）和用于控制磁流体制备装置沿X轴移动的X轴导向组件（26）及用于带动X轴导向组件移动的X轴驱动单元（27）。
9.根据权利要求8所述磁控制纳米成型微机械装置，其特征在于所述Z轴导向组件（24）为由滑轨b（241）和滑块b（242）构成的滑动副b，滑轨b沿平行于Z轴方向安装于每组支架的两根支撑柱（221）上；所述X轴导向组件（26）为由滑轨c（261）和滑块c（262）构成的滑动副c，滑轨c所在支撑杆两端与滑块b固连；所述Z轴驱动单元（25）为两组，分别平行于其中一组支架的两根支撑柱安装在基座上，Z轴驱动单元（25）包括固定于基座上的伺服电机b（251）及平行于滑轨b设置的丝杆b（252），丝杆b的一端与伺服电机b输出轴连接，另一端穿过滑块b上的丝杆螺母后与支架横梁（222）可转动连接；所述X轴驱动单元（27）为一组，安装于其中一根滑轨c上，X轴驱动单元包括固定于滑轨c一端的驱动电机a（271）和与之配套的传输皮带a（272），所述传输皮带a跨接于滑轨c上且与滑块c固连；所述磁流体制备装置通过支撑板固定于两个滑块c上。
10.一种纺丝三维成型方法，其特征在于采用权利要求1至9任一权利要求所述磁控制纳米成型微机械装置按照以下步骤进行：
（1）将纺丝原料放入容室内，然后将磁流体制备装置通过支撑板固定于三维控制纳米台的两组支架之间，并调整磁流体制备装置喷嘴与三维控制纳米台的强磁铁的相对位置至设定的初始位置；
（2）通过控制伺服电机a，使活塞在丝杆a作用下向下移动至密封住容室；
（3）打开电磁阀，活塞继续向下移动，容室内的磁流体在压力作用下被从喷嘴挤出形成液滴状；
（4）通过控制磁流体制备装置喷嘴与三维控制纳米台的强磁铁的相对位置，形成的液滴状磁流体在强磁铁的磁场作用下形成液桥，液桥固化即形成纳米纤维丝；
（5）依据设定的结构，完成一层纳米纤维丝成型制备后，通过三维控制纳米台控制磁流体制备装置，使其喷嘴上升设定分层厚度，继续成型下一层纳米纤维丝直至形成整个实体造型。
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