CN111300827A

CN111300827A - 一种基于剪切变稀特性凝胶的3d打印设备

Info

Publication number: CN111300827A
Application number: CN202010286128.4A
Authority: CN
Inventors: 孙友谊; 何欢
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2020-04-13
Filing date: 2020-04-13
Publication date: 2020-06-19
Anticipated expiration: 2040-04-13
Also published as: CN111300827B

Abstract

本发明涉及一种基于剪切变稀特性凝胶的3D打印设备，该设备包括挤出螺杆、精密套筒、挤出头、水套、保温外壳、料斗、端盖、联轴器、步进电机、送料弯管、液位传感器、直角支架、送料软管、蠕动泵、单片机控制器、循环水管、恒温水循环系统和步进电机控制器，可实现多种凝胶材料在不同温度下快速、高精度、复杂形状3D打印。本发明解决了传统凝胶材料打印性能、精度和打印结构稳定性难以同时优化的矛盾问题，将在电子、能源存储、生物、医疗等领域具有广泛应用前景。

Description

一种基于剪切变稀特性凝胶的3D打印设备

技术领域

本发明涉及3D打印技术和凝胶材料技术领域，具体涉及一种基于剪切变稀特性凝胶的3D打印设备。

背景技术

凝胶材料因为具有良好加工成型，以及优异的生物相容性、物理性能，在生物、电子、传感等领域具有广泛应用前景。如高分子水凝胶可用于软机器人、生物和透明触摸面板等各种应用，石墨烯水凝胶可以用于电子、传感、能源存储等领域。然而，这些凝胶的应用受到其制造方法的限制，传统上它们依赖于模制和铸造。这些传统的制造方法限制了凝胶的几何复杂性。3D打印凝胶材料可以避免上述局限性，可快速方便打印几何复杂性大的器件。因而，3D打印成为凝胶材料研究和应用重要方向之一。

根据打印设备理，现有凝胶材料的3D打印设备主要包括两种类型，(1)利用紫外光固化的原理实现3D打印，这种原理的设备打印性能较好，分辨率高，但是，只局限于一些特殊的高分子，很多凝胶材料无法实现3D打印；(2)基于凝胶材料剪切变稀特性实现3D打印，这种原理打印设备普适性较好，只要具有良好剪切变稀特性凝胶材料都可以采用该设备打印。因而，基于剪切变稀特性3D打印技术成为目前凝胶材料研究领域重要发展方向之一。但是，目前基于剪切变稀特性3D打印设备，主要采用气体压缩活塞式挤出方法，将凝胶从针筒中挤出实现3D打印。如果凝胶初始模量太大，仅仅依赖气压难以将高模量凝胶材料顺利的连续挤出，打印性能较差；相反，降低凝胶初始模量，可有效提高打印性能，但是因为材料模量低，难以保持打印结构，导致打印结构稳定性和打印精度（或分辨率）较差。因而，如何实现高模量凝胶3D打印，以提高凝胶3D打印性能、结构稳定性和分辨率一直是该领域急迫需要解决的问题。

发明内容

本发明针对现有凝胶类3D打印设备的打印性能、打印结构稳定性和打印精度难以同时优化的问题，提供一种基于剪切变稀特性凝胶的3D打印设备。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的一种基于剪切变稀特性凝胶的打印设备，包括挤出螺杆、精密套筒、挤出头、水套、保温外壳、料斗、端盖、联轴器、步进电机、送料弯管、液位传感器、直角支架、送料软管、蠕动泵、单片机控制器、循环水管、恒温水循环系统和步进电机控制器；其中，挤出螺杆尾部通过联轴器与步进电机同轴相连；挤出螺杆外部设置精密套筒，精密套筒靠近挤出螺杆尾部的位置设置料斗，料斗通过端盖进行封闭；送料弯管的管体穿过端盖插入到料斗内部；料斗外部设置液位传感器；精密套筒外部套置水套，水套外部有保温外壳，精密套筒下部装有挤出头；直角支架固定连接步进电机，且料斗嵌置于直角支架内，挤出螺杆尾部穿出直角支架与步进电机连接；步进电机通过步进电机控制器连接至单片机控制器，步进电机控制器根据单片机控制器的控制指令控制步进电机转动；送料弯管通过供料软管连接至蠕动泵，蠕动泵连接单片机控制器，单片机控制器通过离散量逻辑控制蠕动泵的启停；恒温水循环系统通过循环水管分别连接水套上设置的进出水口，恒温水循环系统通过单片机控制器控制制冷或加热。

其中，恒温水循环系统是一种利用电阻加热器加热和制冷机制冷的程序控制恒温设备，由带保温层的循环水管输送循环水至水套，用于对3D打印设备提供恒温环境；单片机控制器通过PID算法控制恒温水循环系统的制冷或加热。

其中，还包括合金铝框架，呈立方体型，合金铝框架上安装有两个Z轴电机，一个Y轴电机，一个X轴电机；电机均设置于合金铝框架上的直线导轨上，且沿直线导轨移动；合金铝框架内部水平设置一用于承载打印材料的底板（22）。

其中，挤出螺杆为一种不锈钢材料制造的等距不等深双头螺纹螺杆零件，螺杆出料端螺槽深度小于螺杆进料端螺槽深度。

其中，挤出螺杆和精密套筒之间为动配合，挤出螺杆通过步进电机控制，在精密套筒内转动。

其中，水套为不锈钢制中空圆筒结构，上下两端分别有进出水口，水套内壁贴紧精密套筒，外壁贴紧保温外壳。

其中，水套、精密套筒、保温外壳靠近挤出螺杆尾部的端面平齐，与料斗下端面相连接且同轴。

其中，挤出头为圆锥体中空结构，端口带圆弧倒角，根部有螺纹与精密套筒相连，螺纹下方设置密封O型圈。

其中，Z轴电机、Y轴电机、X轴电机通过丝杠、丝母控制Z轴、Y轴、X轴的运动，底板由Z轴电机，通过丝杠、丝母控制其升降，升起至最高位为Z轴原点。

其中，打印设备适用于具有剪切变稀特性的凝胶材料，包括但不局限于高分子水凝胶、石墨烯水凝胶。

本发明的有益效果：本发明利用一种高速机械剪切式挤出打印设备头，利用剪切变稀特性，不仅通过高速剪切作用将高模量凝胶顺利挤出，且挤出的凝胶瞬间回复初始高模量状态，有效保存打印结构，可有效解决传统3D打印设备的打印性能、打印结构稳定性和分辨率难以同时提高的问题。相对于市场上现有的利用气压活塞挤出式凝胶材料3D打印设备，本发明的技术方案更适合高模量和低剪切变稀特性凝胶材料，打印精度更高、寿命更长，且避免传统凝胶材料打印设备易堵头、切断更灵活等特性，以解决国内凝胶材料打印设备完全依赖进口的问题。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面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来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种基于剪切变稀特性凝胶的3D打印设备的结构示意图；

图2是本发明提供的一种基于剪切变稀特性凝胶的3D打印设备的挤出头的结构示意图；

图3是本发明提供的一种基于剪切变稀特性凝胶的3D打印设备的铝合金框架的结构示意图。

图中：

01挤出螺杆，02精密套筒，03挤出头，04水套，05保温外壳，06料斗，07端盖，08联轴器，09步进电机，10送料弯管，11液位传感器，12直角支架，13送料软管，14蠕动泵，15单片机控制器，16循环水管，17恒温水循环系统，18步进电机控制器，19圆弧倒角，20密封O型圈，21合金铝框架，22底板，23Z轴电机，24Y轴电机，25X轴电机，26丝杠、丝母，27直线导轨。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的在于利用本发明的一种基于剪切变稀特性凝胶的3D打印设备为凝胶材料的3D打印提供了全新设备和方法，提出了一种全新的结构。

如图1，本发明提供了一种基于剪切变稀特性凝胶的3D打印设备，包括挤出螺杆01、精密套筒02、挤出头03、水套04、保温外壳05、料斗06、端盖07、联轴器08、步进电机09、送料弯管10、液位传感器11、直角支架12、送料软管13、蠕动泵14、单片机控制器15、循环水管16、恒温水循环系统17和步进电机控制器18；其中，挤出螺杆01尾部通过联轴器08与步进电机09同轴相连；挤出螺杆01外部设置精密套筒02，精密套筒02靠近挤出螺杆01尾部的位置设置料斗06，料斗06通过端盖07进行封闭；送料弯管10的管体穿过端盖07插入到料斗06内部；料斗06外部设置液位传感器11；精密套筒02外部套置水套04，水套04外部有保温外壳05，精密套筒02下部装有挤出头03；直角支架12固定连接步进电机09，且料斗06嵌置于直角支架12内，挤出螺杆01尾部穿出直角支架12与步进电机09连接；步进电机09通过步进电机控制器18连接至单片机控制器15，步进电机控制器18根据单片机控制器15的控制指令控制步进电机09转动；送料弯管10通过供料软管13连接至蠕动泵14，蠕动泵14连接单片机控制器15，单片机控制器15通过离散量逻辑控制蠕动泵14的启停；恒温水循环系统17通过循环水管16分别连接水套4上设置的进出水口，恒温水循环系统17通过单片机控制器15控制制冷或加热。

其中，恒温水循环系统17是一种利用电阻加热器加热和制冷机制冷的程序控制恒温设备，由带保温层的循环水管16输送循环水至水套04，用于对3D打印设备提供恒温环境；单片机控制器15通过PID算法控制恒温水循环系统17的制冷或加热。

其中，还包括合金铝框架21，呈立方体型，合金铝框架21上安装有两个Z轴电机23，一个Y轴电机24，一个X轴电机25；电机均设置于合金铝框架21上的直线导轨27上，且沿直线导轨27移动；合金铝框架21内部水平设置一用于承载打印材料的底板22。

其中，挤出螺杆01为一种不锈钢材料制造的等距不等深双头螺纹螺杆零件，螺杆出料端螺槽深度小于螺杆进料端螺槽深度。

其中，挤出螺杆01和精密套筒02之间为动配合，挤出螺杆01通过步进电机09控制，在精密套筒02内转动。

其中，水套04为不锈钢制中空圆筒结构，上下两端分别有进出水口，水套04内壁贴紧精密套筒02，外壁贴紧保温外壳05。

其中，水套04、精密套筒02、保温外壳05靠近挤出螺杆01尾部的端面平齐，与料斗06下端面相连接且同轴。

其中，挤出头03为圆锥体中空结构，端口带圆弧倒角19，根部有螺纹与精密套筒02相连，螺纹下方设置密封O型圈20。

其中，Z轴电机23、Y轴电机24、X轴电机25通过丝杠、丝母26控制Z轴、Y轴、X轴的运动，底板22由Z轴电机23，通过丝杠、丝母26控制其升降，升起至最高位为Z轴原点。

如图3所示，3D打印过程在底板22上进行，底板22固定于合金铝框架21内部，在立体型结构的两个对立面上平行设置两个直线导轨27，并在相应平面内垂直直线导轨27设置供Z轴电机23移动的直线导轨27，两个Z轴电机23通过丝杠、丝母26连接至底板22，并控制底板22的升降。合金铝框架21上设置的两个平行直线导轨27其中一者一端固定设置X轴电机25，另一端固定设置一丝母，X轴电机25和该丝母之间通过丝杠连接；两个平行直线导轨27中的另一者上设置Y轴电机24，且Y轴电机24可沿该直线导轨27滑动；Y轴电机24底座上焊接一直线导轨27，该直线导轨27垂直于Y轴电机24所在的直线导轨，延伸至X轴电机25所在的直线导轨27，并连接至X轴电机25所在的直线导轨27上设置的丝杆；从Y轴电机24底座延伸出的直线导轨27两端分别为Y轴电机24和丝母，两者之间也通过一丝杆连接，丝杆上设置步进电机09，步进电机09在单片机控制器15 及步进电机控制器18的控制下，带动挤出螺杆01及挤出头03沿Y轴电机24及丝母之间的丝杆进行Y轴移动；同时，Y轴电机24带动步进电机09所在的直线导轨27及步进电机09沿Y轴电机24所在的直线导轨27移动，实现挤出螺杆01及挤出头03进行X轴移动；同时，通过两Z轴电机23带动底板22移动，相当于实现挤出螺杆01及挤出头03进行X轴移动。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。

在具体使用时，根据本发明所述的打印设备的具体使用步骤如下：

第一，本发明所述的打印设备开机前先调整好合金铝框架21的水平及打印底板22的水平，若需要在打印底板22上加水槽等附件，应先固定好然后调平。

第二，本发明所述的一种凝胶材料3D打印设备开机后，单片机控制器15通过设定程序控制蠕动泵14通过送料软管13和送料弯管10向料斗06中输送凝胶材料。

第三，送料完成后，操作人员通过单片机控制器15点动步进电机09，步进电机09带动挤出螺杆01正转，当挤出头03有凝胶挤出后停止点动。

第四，操作人员通过单片机控制器15设定所需温度后，恒温水循环系统17开始工作将恒温的循环水通过循环水管16输送至水套04中。

第五，温度稳定后，操作打印设备回零，Z轴上升至最高位，Y轴和X轴回零，调整好打印头与打印底板之间的间隙，开始打印。

第六，打印过程中，单片机控制器15根据步进给进量，控制蠕动泵14的间断启停用于补充凝胶材料，通过液位传感器11，防止补充凝胶材料的溢出。

第七，打印过程中，需要沿X、Y平面离散平移时，通过单片机控制器15控制步进电机09带动挤出螺杆01瞬时反转，以切断物料。挤出头03的圆弧倒角19有利于凝胶材料的顺利回抽。挤出头03的结构如图2所示。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种基于剪切变稀特性凝胶的3D打印设备，其特征在于，包括挤出螺杆（01）、精密套筒（02）、挤出头（03）、水套（04）、保温外壳（05）、料斗（06）、端盖（07）、联轴器（08）、步进电机（09）、送料弯管（10）、液位传感器（11）、直角支架（12）、送料软管（13）、蠕动泵（14）、单片机控制器（15）、循环水管（16）、恒温水循环系统（17）和步进电机控制器（18）；其中，挤出螺杆（01）尾部通过联轴器（08）与步进电机（09）同轴相连；挤出螺杆（01）外部设置精密套筒（02），精密套筒（02）靠近挤出螺杆（01）尾部的位置设置料斗（06），料斗（06）通过端盖（07）进行封闭；送料弯管（10）的管体穿过端盖（07）插入到料斗（06）内部；料斗（06）外部设置液位传感器（11）；精密套筒（02）外部套置水套（04），水套（04）外部有保温外壳（05），精密套筒（02）下部装有挤出头（03）；直角支架（12）固定连接步进电机（09），且料斗（06）嵌置于直角支架（12）内，挤出螺杆（01）尾部穿出直角支架（12）与步进电机（09）连接；步进电机（09）通过步进电机控制器（18）连接至单片机控制器（15），步进电机控制器（18）根据单片机控制器（15）的控制指令控制步进电机（09）转动；送料弯管（10）通过供料软管（13）连接至蠕动泵（14），蠕动泵（14）连接单片机控制器（15），单片机控制器（15）通过离散量逻辑控制蠕动泵（14）的启停；恒温水循环系统（17）通过循环水管（16）分别连接水套（4）上设置的进出水口，恒温水循环系统（17）通过单片机控制器（15）控制制冷或加热。

2.根据权利要求1所述的基于剪切变稀特性凝胶的3D打印设备，其特征在于，恒温水循环系统（17）是一种利用电阻加热器加热和制冷机制冷的程序控制恒温设备，由带保温层的循环水管（16）输送循环水至水套（04），用于对3D打印设备提供恒温环境；单片机控制器（15）通过PID算法控制恒温水循环系统（17）的制冷或加热。

3.根据权利要求1所述的基于剪切变稀特性凝胶的3D打印设备，其特征在于，还包括合金铝框架（21），呈立方体型，合金铝框架（21）上安装有两个Z轴电机（23），一个Y轴电机（24），一个X轴电机（25）；电机均设置于合金铝框架（21）上的直线导轨（27）上，且沿直线导轨（27）移动；合金铝框架（21）内部水平设置一用于承载打印材料的底板（22）。

4.根据权利要求1所述的基于剪切变稀特性凝胶的3D打印设备，其特征在于，挤出螺杆（01）为一种不锈钢材料制造的等距不等深双头螺纹螺杆零件，螺杆出料端螺槽深度小于螺杆进料端螺槽深度。

5.根据权利要求1所述的基于剪切变稀特性凝胶的3D打印设备，其特征在于，挤出螺杆（01）和精密套筒（02）之间为动配合，挤出螺杆（01）通过步进电机（09）控制，在精密套筒（02）内转动。

6.根据权利要求1所述的基于剪切变稀特性凝胶的3D打印设备，其特征在于，水套（04）为不锈钢制中空圆筒结构，上下两端分别有进出水口，水套（04）内壁贴紧精密套筒（02），外壁贴紧保温外壳（05）。

7.根据权利要求1所述的基于剪切变稀特性凝胶的3D打印设备，其特征在于，水套（04）、精密套筒（02）、保温外壳（05）靠近挤出螺杆（01）尾部的端面平齐，与料斗（06）下端面相连接且同轴。

8.根据权利要求1所述的基于剪切变稀特性凝胶的3D打印设备，其特征在于，挤出头（03）为圆锥体中空结构，端口带圆弧倒角，根部有螺纹与精密套筒（02）相连，螺纹下方设置密封O型圈（20）。

9.根据权利要求3所述的基于剪切变稀特性凝胶的3D打印设备，其特征在于，Z轴电机（23）、Y轴电机（24）、X轴电机（25）通过丝杠、丝母（26）控制Z轴、Y轴、X轴的运动，底板（22）由Z轴电机（23），通过丝杠、丝母（26）控制其升降，升起至最高位为Z轴原点。

10.根据权利要求1所述的基于剪切变稀特性凝胶的3D打印设备，其特征在于，打印设备适用于具有剪切变稀特性的凝胶材料，包括但不局限于高分子水凝胶、石墨烯水凝胶。