CN110962351A - 一种3d打印系统及利用其的3d打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3D打印系统及其打印方法，所述系统包括微流控装置、微流控装置固定机构、原料储存容器、原料流量控制器、3D打印系统控制器、3D打印工作台以及3D打印工作台驱动机构；其中，所述微流控装置电连接于所述微流控装置固定机构；所述原料储存容器电连接于所述原料流量控制器，通过所述原料流量控制器，用于将原料输入至所述微流控装置；所述原料流量控制器电连接于所述3D打印系统控制器，用于控制原料流量；所述3D打印工作台电连接于所述3D打印工作台驱动机构，所述3D打印工作台驱动机构电连接于所述3D打印系统控制器，用于控制所述3D打印工作台的运动。本发明可提高打印精度。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印领域，特别涉及一种3D打印系统及利用其的3D打印方法。
背景技术
3D打印发展到今天，已经深入人心，不断取得新的进展。从物质过程来说，3D打印，是将物质的其它形态、比如液态、胶体态、固态转化为有序的固态序列的过程，那么，转化的动力或者能量，当前得到普遍认可和应用的有：激光、电阻加热、电子束加热、光化学、以及能源其它形式的加热、连接等。化学反应是最广泛、重要的物质转化方式，但是当前的3D打印技术中，尚未发现有单纯利用化学反应实现3D打印的技术。
工业3D打印的原料形态，固态的主要为金属、塑料材质的丝材、粉体，液态当前主导的是光敏树脂。高分子化学中，单纯利用引发剂、固化剂、助剂，可使得液态的有机聚合物原料聚合形成固态的高分子聚合物，此类液态有机物原料，尚未发现在3D打印中得到应用。
微流控技术，已经在有机合成、微反应器、化学分析、临床诊断仪器、体外仿生模型等领域，取得诸多重要应用。所谓微流控，指的是利用微管道(毛细管)传递液态物质时，液态物质的流体行为会出现与宏观过程显著不同的层流、液滴现象，基于该现象，实现对流体物质的操纵、处理。
3D打印中，当前亟需直面的一个问题，是与当前常规机械加工的精度已经普遍优于5微米相比，3D打印制品的结构精细度，存在巨大的距离，光敏树脂3D打印，是当前已知3D打印技术中具有最高分辨率的方法，但是其结构精细度，横向最高也只是微米级，而纵向精度，因为是通过光敏树脂流平的方式覆盖，最小厚度也在50微米以上，可以说，光敏树脂的3D打印精度，也远远不如当前机械加工的精度。另一方面，单纯利用引发剂、固化剂、助剂，可使得液态的有机聚合物原料聚合形成固态的高分子聚合物，此类液态有机物原料，尚未发现在3D打印中得到应用。
而基于微流控技术、可利用引发剂及其它助剂即可实现聚合固化的有机物作为原料，实现3D打印的方法，则有望将当前3D打印技术的打印精度提高到一个新水平。
发明内容
本发明的目的是提供一种3D打印系统及利用其的3D打印方法，解决现有技术中的3D打印精度不高的问题。
为解决上述问题，本发明提供了一种3D打印系统，所述系统包括微流控装置、微流控装置固定机构、原料储存容器、原料流量控制器、3D打印系统控制器、3D打印工作台以及3D打印工作台驱动机构；其中，所述微流控装置电连接于所述微流控装置固定机构；所述原料储存容器电连接于所述原料流量控制器，通过所述原料流量控制器，用于将原料输入至所述微流控装置；所述原料流量控制器电连接于所述3D打印系统控制器，用于控制原料流量；所述3D打印工作台电连接于所述3D打印工作台驱动机构，所述3D打印工作台驱动机构电连接于所述3D打印系统控制器，用于控制所述3D打印工作台的运动。
优选地，所述微流控装置被设置于所述微流控装置固定机构的下方。
优选地，所述微流控装置由至少一个微流控管道组成，所述微流控管道具有输入端和输出端，所述微流控管道的输入端通过所述原料流量控制器与所述原料储存容器连通；所述微流控管道的输出端即是3D打印的打印头。
优选地，所述微流控管道被设置成输入端的数量大于输出端的数量的分叉型结构，输入端的数量对应原料的数量，多个输入端在所述微流控管道的中间与输出端贯通形成通路结构。
优选地，不同原料之间发生聚合固化反应快，则所述通路结构距离所述输出端最近；而不同原料之间发生聚合固化反应慢，则所述通路结构距离所述输出端最远。
优选地，多个被设置成输入端的数量大于输出端的数量的分叉型结构的所述微流控管道被周向、水平或阵列设置于所述微流控装置固定机构。
优选地，多个所述微流控管道被周向、水平或阵列设置于所述微流控装置固定机构。
优选地，所述微流控管道的直径在1微米到1毫米之间。
优选地，根据原料输入量设定值，每个所述微流控管道的直径是相同的。
优选地，根据原料输入量设定值，每个所述微流控管道的直径是不相同的。
优选地，所述微流控管道自输入端至输出端的长度在1厘米到1米之间。
优选地，所述输入端到所述通路结构，以及所述通路结构到所述输出端均是直线结构。
优选地，所述输入端与所述输出端之间的夹角在90°到180°之间。
为解决上述问题，本发明还提供一种利用所述的3D打印系统进行3D打印的方法，所述方法包括如下步骤：
a.将原料注入原料储存容器；
b.启动3D打印系统控制器，测试3D打印软件，确保3D打印工作台与微流控装置之间的相对位移能够在所述3D打印软件的指令下正确运行；
c.设定原料流量控制器，明确原料流量；
d.启动原料流量控制器开关，同时所述3D打印系统控制器运行所述3D打印软件，原料在所述3D打印工作台的打印点输出、固化，形成所需要的产品。
本发明相比于现有技术的有益效果在于：本发明提供的基于微流控技术的3D打印系统及利用其的3D打印方法能够利用引发剂及其它助剂即可实现聚合固化的有机物作为原料，实现3D打印，不但拓宽了3D打印原料的种类，而且实现了精度更高的3D打印产品。
附图说明
图1是本发明的3D打印系统的结构示意图；
图2是本发明的一个实施例中的分叉型结构的微流控装置的结构示意图；
图3是本发明的一个实施例中的阵列设置的微流控装置的结构示意图。
附图标号：
1为3D打印工作台；2为微流控装置；3、4、5为本发明的一个实施例中对应的三种原料的原料储存容器；6为3D打印工作台驱动机构；7为原料流量控制器；8为原料储存容器；9为3D打印系统控制器；10为工作台驱动机构控制信号传输线；11为原料流量控制信号传输线；12为微流控装置固定机构；2-x为本发明的一个实施例中的阵列设置的微流控装置。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。
如图1所示，显示了本发明的3D打印系统的结构示意图。所述系统包括微流控装置2、微流控装置固定机构12、原料储存容器8、原料流量控制器7、3D打印系统控制器9、3D打印工作台1以及3D打印工作台驱动机构6；其中，所述微流控装置2电连接于所述微流控装置固定机构12；所述原料储存容器8电连接于所述原料流量控制器7，通过所述原料流量控制器7，用于将原料输入至所述微流控装置2；所述原料流量控制器7通过原料流量控制信号传输线11与所述3D打印系统控制器9电连接，用于控制原料流量；所述3D打印工作台1电连接于所述3D打印工作台驱动机构6，所述3D打印工作台驱动机构6通过工作台驱动机构控制信号传输线10与所述3D打印系统控制器9电连接，用于控制所述3D打印工作台1的运动。基于微流控技术的3D打印系统能够获得精度更高的3D打印产品。
优选地，所述微流控装置2被设置于所述微流控装置固定机构12的下方。当然，所述微流控装置2也可以被设置于所述微流控装置固定机构12的其它方向，只要便于电连接实现功能即可。
优选地，所述微流控装置2由至少一个微流控管道组成，所述微流控管道具有输入端和输出端，所述微流控管道的输入端通过所述原料流量控制器7与所述原料储存容器8连通；所述微流控管道的输出端即是3D打印的打印头。这种微流控装置2的输入端的数量等于输出端的数量，可用于一种原料即可完成的3D打印工作。
优选地，所述微流控管道被设置成输入端的数量大于输出端的数量的分叉型结构，输入端的数量对应原料的数量，多个输入端在所述微流控管道的中间与输出端贯通形成通路结构。一个打印点由同一个输出端输出时，多个输入端、在到达同一个打印点输出端时，会在中间的微流控管道贯通形成通路结构、例如形成三通、四通或多通的通路结构，最后作为一体的输出体系，达到打印点。
优选地，不同原料之间发生聚合固化反应快，则所述通路结构距离所述输出端最近；而不同原料之间发生聚合固化反应慢，则所述通路结构距离所述输出端最远。例如，两个输入端、一个输出端，中间存在三通的通路结构时，如果其中的两种原料均是容易发生快速聚合固化反应的原料，其三通点，则距离所述输出端最近；而如果其中的两种原料均是不容易发生快速聚合固化反应的原料，其三通点，则是距离输入端最远；如果数种原料有接近的聚合固化反应速度，可设置为在同一个点形成多通，进而共同达到输出端。
优选地，多个被设置成输入端的数量大于输出端的数量的分叉型结构的所述微流控管道被周向、水平或阵列设置于所述微流控装置固定机构12。如图2所示，一个被设置成输入端的数量大于输出端的数量的分叉型结构的所述微流控管道能够实现一个点的逐次打印；而多个被设置成输入端的数量大于输出端的数量的分叉型结构的所述微流控管道能够实现多个点的并行打印或一个点的不同原料的逐次打印。
多种原料通过一个输出端输出时，其中不同原料之间结合的特征为：①、分段依次流出输出端，②、材料1包覆材料2形成包覆态混合材料流出输出端，③、三种以上原料时，可以是单纯的依次流出输出端，或者单纯的依次包覆、形成三重包覆态流出输出端，或者两种原料为依次流出态、并第三种材料包覆形成分段包覆态流出，或者是其中两种材料先形成包覆态、与第三种材料形成分段、共同形成包覆分段态流出，四种以上材料时，可能的结构特征与三种原料时的结构雷同，但是更加丰富多样。
优选地，如图3所示，多个所述微流控管道被水平设置于所述微流控装置固定机构12。当然，多个所述微流控管道同样能够被周向或阵列设置于所述微流控装置固定机构12。一个被设置成输入端的数量等于输出端的数量的所述微流控管道能够实现一个点的逐次打印；而多个被设置成输入端的数量等于输出端的数量的所述微流控管道能够实现多个点的并行打印或一个点的不同原料的逐次打印。
优选地，所述微流控管道的直径在1微米到1毫米之间。根据需要，也可以更大或更小。
优选地，根据原料输入量设定值，每个所述微流控管道的直径是相同的。
优选地，根据原料输入量设定值，每个所述微流控管道的直径是不相同的。
例如，当两种不同原料的输入量设定值不同时，选择的相应的微流控管道的直径也不相同，如果原料A的输入量设定值为原料B的输入量设定值的100倍，则在输入端到三通连接处，输送原料A的微流控管道的直径一般是原料B的微流控管道的直径的1001/2＝10倍，即原料微流控管道A的直径为100微米，则原料B微流控管道的直径为10微米。当然，为了保证合适的原料的充分反应、完全固化，根据流量特征、所产生的液滴特征等，该微流控管道的直径比不是唯一的。
优选地，所述微流控管道自输入端至输出端的长度在1厘米到1米之间。
优选地，所述输入端到所述通路结构，以及所述通路结构到所述输出端均是直线结构。
优选地，所述输入端与所述输出端之间的夹角在90°到180°之间，从而更利于原料的输出。
为解决上述问题，本发明还提供一种利用所述的3D打印系统进行3D打印的方法，所述方法包括如下步骤：
a.将原料注入原料储存容器8；
b.启动3D打印系统控制器9，测试3D打印软件，确保3D打印工作台1与微流控装置2之间的相对位移能够在所述3D打印软件的指令下正确运行；
c.设定原料流量控制器7，明确原料流量；
d.启动原料流量控制器7开关，同时所述3D打印系统控制器9运行所述3D打印软件，原料在所述3D打印工作台1的打印点输出、固化，形成所需要的产品。
本发明提供的基于微流控技术的3D打印系统及利用其的3D打印方法能够利用引发剂及其它助剂即可实现聚合固化的有机物作为原料，实现3D打印，不但拓宽了3D打印原料的种类，而且实现了精度更高的3D打印产品。
例子1：
选择硅、玻璃、聚甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、或者纸质材料，作为制造微流控装置的原料；通过机械、热工、或者其它物理、化学的方法，加工得到所需要的微流控装置的结构和尺寸。
如图2所示，一个被设置成输入端的数量大于输出端的数量的分叉型结构的微流控装置2，其输入端开口有两个以上，最多可以有五到六，而输出端则为一个，所述输出端即是3D打印的打印头。
根据需要，微流控管道的直径可以在1微米到1毫米之间，不同输入端的管道直径可以不同；根据3D打印精度的需求，输出端的直径在1微米到1毫米之间。
根据需要，微流控管道从输入端到输出端的长度在1厘米到1米之间。不同输入端汇入到一个输出端时形成三通、四通或者多通，例如，多个输入端在一个位置同时汇入，则形成多通，两个输入端同时汇入形成三通。从输入端到三通或者多通的距离在1厘米到1米之间。存在两个以上的三通或多通时，两个三通之间、或者三通与多通之间、或者多通与多通之间的距离，在5毫米到50厘米之间。从输入端到三通或者多通之间的微流控管道、以及三通或者多通到输出端之间的微流控管道均为直线结构。输入端与输出端之间的夹角在90°到180°之间，从而更利于原料的输出。
在本发明的3D打印系统中，可以应用一个微流控装置2一个点一个点进行打印；或者是应用多个微流控装置2，依次打印同一个点，完成3D打印；或者多套依次打印的微流控装置2，共同组成阵列状的输出端打印头，在3D打印软件控制下，并行运行，同时打印多个点，实现快速3D打印。
而且，所有可通过引发剂、固化剂聚合固化的液态的单质或者低聚合度的有机物，都可以作为本发明的3D打印系统中完成聚合固化的主体原料，相应的引发剂、固化剂和其它助剂，是实现聚合固化3D打印的辅助原料。原料的数量对应微流控管道输入端的数量。
原料被放置于原料储存容器8，通过阀门(图中未示出)、原料流量控制器7，利用柔性或刚性管道与微流控装置2的输入端连接，如果是一个微流控管道就可以完全完成一个点的打印，则所有的原料都连接在这一个微流控管道的输入端上面的原料储存容器8中；否则多种原料连接于不同的微流控管道的输入端上面的原料储存容器8中。
任何工业应用的3D打印工作台、机械驱动机构和软件，都可以作为本发明的3D打印系统中的3D打印工作台、驱动机构和软件。
本发明的3D打印系统中，可以保持微流控装置2的位置不动，驱动机构6可以作用于3D打印工作台1，实现3D打印；或者3D打印工作台1不动，驱动机构6作用于微流控装置2，完成3D打印；也可以同时作用于3D打印工作台1和微流控装置2，在软件控制下相对运动，完成3D打印。
例子2：
3D打印最终固化产品的材料为聚乙烯醇(PVA)。原料为聚合主体材料聚合度小于100的液态聚乙烯醇树脂，引发剂为低温高效引发剂偶氮二乙庚腈，助剂为聚醋酸乙烯酯。
如图2所示，采用有三个输入端、一个输出端的微流控装置2作为本发明的3D打印系统中的打印头，微流控管道的所有的直径均为50微米，三个输入端其中的两个先形成一个三通连接，接着另一个输入端在其后形成另一个三通连接，每个输入端到三通的距离均为20厘米，两个三通之间的距离为10厘米，最后一个三通点到输出端的距离为10厘米。三个输入端之间的空间夹角均为120°，三个输入端与输出端之间的夹角均为120°。
3D打印工作过程中，微流控装置2不动、3D打印工作台1位移实现3D打印，3D打印工作台1温度保持40℃不变。
工作过程中，通过原料流量控制器7控制输入到微流控装置2的原料，即主剂、助剂和引发剂的比例为100(低聚合度聚乙烯醇)：10(聚醋酸乙烯酯)：1(偶氮二乙庚腈)。在微流控装置2中，首先是聚醋酸乙烯酯与偶氮二乙庚腈汇合、之后聚乙烯醇汇入，然后共同通过输出端打印到3D打印工作台1上面，获得3D打印产品。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述的仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种3D打印系统，其特征在于，所述系统包括微流控装置、微流控装置固定机构、原料储存容器、原料流量控制器、3D打印系统控制器、3D打印工作台以及3D打印工作台驱动机构；其中，所述微流控装置电连接于所述微流控装置固定机构；所述原料储存容器电连接于所述原料流量控制器，通过所述原料流量控制器，用于将原料输入至所述微流控装置；所述原料流量控制器电连接于所述3D打印系统控制器，用于控制原料流量；所述3D打印工作台电连接于所述3D打印工作台驱动机构，所述3D打印工作台驱动机构电连接于所述3D打印系统控制器，用于控制所述3D打印工作台的运动。
2.根据权利要求1所述的3D打印系统，其特征在于，所述微流控装置被设置于所述微流控装置固定机构的下方。
3.根据权利要求1所述的3D打印系统，其特征在于，所述微流控装置由至少一个微流控管道组成，所述微流控管道具有输入端和输出端，所述微流控管道的输入端通过所述原料流量控制器与所述原料储存容器连通；所述微流控管道的输出端即是3D打印的打印头。
4.根据权利要求3所述的3D打印系统，其特征在于，所述微流控管道被设置成输入端的数量大于输出端的数量的分叉型结构，输入端的数量对应原料的数量，多个输入端在所述微流控管道的中间与输出端贯通形成通路结构。
5.根据权利要求4所述的3D打印系统，其特征在于，不同原料之间发生聚合固化反应快，则所述通路结构距离所述输出端最近；而不同原料之间发生聚合固化反应慢，则所述通路结构距离所述输出端最远。
6.根据权利要求4或5所述的3D打印系统，其特征在于，多个被设置成输入端的数量大于输出端的数量的分叉型结构的所述微流控管道被周向、水平或阵列设置于所述微流控装置固定机构。
7.根据权利要求3所述的3D打印系统，其特征在于，多个所述微流控管道被周向、水平或阵列设置于所述微流控装置固定机构。
8.根据权利要求3、4、5或7所述的3D打印系统，其特征在于，所述微流控管道的直径在1微米到1毫米之间。
9.根据权利要求3、4、5或7所述的3D打印系统，其特征在于，根据原料输入量设定值，每个所述微流控管道的直径是相同的。
10.根据权利要求3、4、5或7所述的3D打印系统，其特征在于，根据原料输入量设定值，每个所述微流控管道的直径是不相同的。
11.根据权利要求3、4、5或7所述的3D打印系统，其特征在于，所述微流控管道自输入端至输出端的长度在1厘米到1米之间。
12.根据权利要求3或4所述的3D打印系统，其特征在于，所述输入端到所述通路结构，以及所述通路结构到所述输出端均是直线结构。
13.根据权利要求3或4所述的3D打印系统，其特征在于，所述输入端与所述输出端之间的夹角在90°到180°之间。
14.一种利用根据权利要求1所述的3D打印系统进行3D打印的方法，所述方法包括如下步骤：
a.将原料注入原料储存容器；
b.启动3D打印系统控制器，测试3D打印软件，确保3D打印工作台与微流控装置之间的相对位移能够在所述3D打印软件的指令下正确运行；
c.设定原料流量控制器，明确原料流量；
d.启动原料流量控制器开关，同时所述3D打印系统控制器运行所述3D打印软件，原料在所述3D打印工作台的打印点输出、固化，形成所需要的产品。
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