CN111716705A - 一种多材料混合3d打印成型装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多材料混合3D打印成型装置。该多材料混合3D打印成型装置中的执行机构包括三轴联动平台和设置在三轴联动平台上的打印喷头和多个点胶针压筒；三轴联动平台与控制系统电连接；打印喷头包括喷头本体和设置在喷头本体上的喷嘴；喷头本体内开设有多个微流通道；各微流通道的一端均与喷嘴连通；各微流通道的另一端与对应的点胶针压筒连接；一个点胶针压筒对应一个微流通道；各点胶针压筒内储存不同的打印材料；气压驱动系统与各点胶针压筒均通过气管连通；气压驱动系统用于产生气压以推动点胶针压筒内的打印材料进入对应的微流通道，从而实现多材料打印。本发明能够实现多材料3D打印，提升打印速度，降低打印成本。

Description

一种多材料混合3D打印成型装置
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，特别是涉及一种多材料混合3D打印成型装置。
背景技术
3D打印技术是一种增材制造技术，它通过逐层打印的方式来构造物体。目前3D打印技术已经广泛应用在医疗产业、工业设计和航空航天等方面。
目前，水凝胶和硅橡胶等材料在生物医学、材料化学等方面的应用前景非常广阔。相对于APL、ABS等固体热塑性树脂原料，部分水凝胶和硅橡胶等液体材料具有在打印成型后，受到外界条件激励仍可发生形变，这种特殊的性质受到人们关注。针对于这种液体材料的特殊性质，将多种材料混合打印，研究其在不同外界激励下的反应及其应用，也是一个非常重要的课题。
目前大多数打印这种液体水凝胶和硅橡胶的3D打印机只能实现单一材料的打印，无法实现多种不同性质材料的混合打印。比如无法实现软硬程度不同的材料的混合打印。一部分3D打印设备采用旋转载物台或旋转切换不同喷头来实现多材料打印。但是这种切换方式在切换打印材料时导致打印材料震荡，同时转换由机械装置完成，还存在切换速度慢的问题。当材料组分较多的情况下，位移台的结构会变得非常复杂，导致3D打印机成本变高，打印时间延长等问题。还有一部分打印设备通过设计多流道喷头，在喷头中加入多个单向阀的方式完成了多材料打印。但是在喷头内部加入单向阀也有弊端存在，不仅增加了喷头的尺寸，还让喷头的清洗也变得繁琐。
发明内容
基于此，有必要提供一种多材料混合3D打印成型装置，以实现水凝胶、硅橡胶等高粘度材料的多材料3D打印，避免打印过程中出现材料混合或换料延迟等问题，提升打印速度，降低打印成本。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种多材料混合3D打印成型装置，包括：控制系统、气压驱动系统和执行机构；所述控制系统与所述执行机构电连接；所述气压驱动系统与所述执行机构通过气管连通；
所述执行机构包括三轴联动平台、打印喷头和多个点胶针压筒；所述三轴联动平台上设置所述打印喷头和多个所述点胶针压筒；所述三轴联动平台与所述控制系统电连接；所述打印喷头包括喷头本体和喷嘴；所述喷头本体上设置所述喷嘴；所述喷头本体内开设有多个微流通道；各所述微流通道的一端均与所述喷嘴连通；各所述微流通道的另一端与对应的点胶针压筒连接；一个所述点胶针压筒对应一个所述微流通道；各所述点胶针压筒内储存不同的打印材料；所述气压驱动系统与各所述点胶针压筒均通过气管连通；所述气压驱动系统用于产生气压以推动所述点胶针压筒内的打印材料进入对应的微流通道，从而实现多材料打印。
可选的，所述喷头本体的四周开设有环状凹槽；所述环状凹槽与所述打印喷头连通；所述环状凹槽通过隔板隔开，形成多个环状区域；所述环状凹槽远离所述打印喷头的一侧套设有点胶桶；多个所述点胶针压筒均设置在所述点胶桶的内部；所述点胶桶通过气管与所述气压驱动系统连通；多个所述环状区域内均放置相同的打印材料；当打印中空管状结构时，所述气压驱动系统用于使所述点胶桶的内部产生气压以推动多个所述环状区域内的打印材料进入所述喷嘴。
可选的，所述气压驱动系统包括空压机和一拖多气压阀；所述空压机与所述一拖多气压阀连通；所述一拖多气压阀通过气管与所述点胶针压筒和所述点胶桶连通。
可选的，各所述气管上均设置有电磁阀；所述电磁阀与所述控制系统电连接；所述控制系统用于控制所述电磁阀的开闭。
可选的，所述控制系统包括控制面板和多轴控制器；所述控制面板通过所述多轴控制器与所述三轴联动平台电连接；所述控制面板内置有M2P上位机软件，所述控制面板用于通过所述多轴控制器控制所述三轴联动平台运动，从而带动所述打印喷头运动。
可选的，所述三轴联动平台包括X轴导轨、Y轴导轨和Z轴导轨；所述X轴导轨、所述Y轴导轨和所述Z轴导轨均与所述控制系统电连接；所述X轴导轨与所述Y轴导轨滑动连接；所述Y轴导轨与所述Z轴导轨滑动连接。
可选的，所述三轴联动平台还包括第一电机、第二电机和第三电机；所述X轴导轨通过所述第一电机与所述控制系统电连接；所述Y轴导轨通过所述第二电机与所述控制系统电连接；所述Z轴导轨通过所述第三电机与所述控制系统电连接。
可选的，所述微流通道通过螺纹与对应的点胶针压筒连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种多材料混合3D打印成型装置，其中执行机构包括三轴联动平台和设置在三轴联动平台上的打印喷头和多个点胶针压筒；喷头本体内开设有多个微流通道；一个微流通道连接一个点胶针压筒连接；各点胶针压筒内储存不同的打印材料；气压驱动系统与各点胶针压筒均通过气管连通；气压驱动系统产生气压以推动点胶针压筒内的打印材料进入对应的微流通道，多个微流通道内的多种打印材料在喷嘴处汇聚，从而实现多材料打印。该打印成型装置实现了水凝胶、硅橡胶等高粘度材料的多材料3D打印，能够避免打印过程中出现材料混合或换料延迟等问题，打印速度快，并且结构简单，打印成本低。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的多材料混合3D打印成型装置的结构图；
图2为本发明实施例提供的打印喷头的三维立体图；
图3为本发明实施例提供的打印喷头的俯视图；
图4为本发明实施例提供的打印喷头的剖面图；
图5为本发明实施例提供的打印喷头的外部结构图；
图6为本发明实施例打印出的中空管状结构的示意图；
图7为本发明实施例打印出的多材料混合的结构的示意图；
图8为本发明实施例测试各种材料临界剪切力的装置结构示意图；
图9为本发明实施例验证喷头不会发生混料的装置结构示意图。
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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的多材料混合3D打印成型装置的结构图。
参见图1，本实施例的多材料混合3D打印成型装置，包括：控制系统、气压驱动系统和执行机构；所述控制系统与所述执行机构电连接；所述气压驱动系统与所述执行机构通过气管连通。
所述执行机构包括三轴联动平台、打印喷头109和多个点胶针压筒106；所述三轴联动平台上设置所述打印喷头109和多个所述点胶针压筒106；所述三轴联动平台与所述控制系统电连接；所述三轴联动平台作为打印轨迹的执行机构，接收控制系统的电信号输出机械运动，改变沉积材料的位置。
图2为本发明实施例提供的打印喷头的三维立体图。图3为本发明实施例提供的打印喷头的俯视图。图4为本发明实施例提供的打印喷头的剖面图。图5为本发明实施例提供的打印喷头的外部结构图。参见图2-图5，所述打印喷头109包括喷头本体1091和喷嘴1092；所述喷头本体1091上设置所述喷嘴1092；所述喷头本体1091内开设有多个微流通道1093；各所述微流通道1093的一端均与所述喷嘴1092连通；各所述微流通道1093的另一端与对应的点胶针压筒106连接；一个所述点胶针压筒106对应一个所述微流通道1093；各所述点胶针压筒106内储存不同的打印材料，其内部的活塞在驱动气压的作用下挤压材料流出至打印喷头109的微流通道1093；所述打印喷头109作为打印材料的输出端，其微流通道1093、出口结构决定打印纤维质量；所述气压驱动系统与各所述点胶针压筒106均通过气管连通；所述气压驱动系统用于产生气压以推动所述点胶针压筒106内的打印材料进入对应的微流通道1093，从而实现多材料打印。
所述喷头本体1091的四周开设有环状凹槽1094；所述环状凹槽1094与所述打印喷头109连通；所述环状凹槽1094通过隔板隔开，形成多个环状区域；所述环状凹槽1094远离所述打印喷头109的一侧套设有点胶桶；多个所述点胶针压筒106均设置在所述点胶桶的内部；所述点胶桶通过气管与所述气压驱动系统连通；多个所述环状区域内均放置相同的打印材料；当打印中空管状结构时，所述气压驱动系统用于使所述点胶桶的内部产生气压以推动多个所述环状区域内的打印材料进入所述喷嘴1092。相比于传统的打印喷头，能够实现中空管状结构的打印，例如能够打印细长的中空纤维管，而在生物医学实验方面，这种中空结构在研究动物血管、模拟细胞生存环境等方面具有十分重要的意义。
作为一种可选的实施方式，所述打印喷头109所采用的材料可以为普通的塑料聚合物，可以通过3D打印制得。所述打印喷头109的形状可以是一个轴对称旋转模型，尺寸与普通微打印喷头109相近。这种中间开设微流通道1093，边缘开设环形凹槽空间的喷头具有集成模块化的优点。所述打印喷头109的外壳设计可以采用统一形状，不同的用途下可以使用不同类型的模块化喷头。
作为一种可选的实施方式，所述气压驱动系统包括空压机103和一拖多气压阀102；所述空压机103与所述一拖多气压阀102连通；所述一拖多气压阀102通过气管与所述点胶针压筒106和所述点胶桶连通。所述空压机103作为气压源用于提供动力，将产生的气压输送到一拖多气压阀102内；所述一拖多气压阀102作为气压系统的输出端，可调节输出气压值，通过气管连接至点胶针压筒106，其输出的气压可以驱动点胶针压筒106内活塞移动，打印材料经打印喷头109的微流通道1093，实现流动材料的打印。所述一拖多气压阀102可以为一拖多精密气压阀。
作为一种可选的实施方式，各所述气管上均设置有电磁阀105；所述电磁阀105与所述控制系统电连接；所述控制系统用于控制所述电磁阀105的开闭。电磁阀105是控制材料切换的执行机构，其接收到的电信号决定电磁阀105内部气路的通断，从而调节驱动气压的开启或关闭，影响材料流动状态。电磁阀105的通断与三轴联动平台为联动，可以精确控制打印材料的沉积位置及材料的类别。
作为一种可选的实施方式，所述控制系统包括控制面板100和多轴控制器101；所述控制面板100通过所述多轴控制器101与所述三轴联动平台电连接；所述控制面板100内置有M2P上位机软件，所述控制面板100用于通过所述多轴控制器101控制所述三轴联动平台运动，从而带动所述打印喷头109运动。所述控制系统以控制面板100为物理载体，M2P上位机软件为编辑器，用于编程和输出打印指令的代码信号，其电信号通过数据线传输至多轴控制器101；多轴控制器101作为打印执行机构的驱动信号输入端，起到信号放大的作用，通过数据线将驱动信号传输至三轴联动平台的电机输出对应机械运动，同时一些端口连接电磁阀105，以传输控制驱动气压通断的信号。
作为一种可选的实施方式，所述三轴联动平台包括X轴导轨107、Y轴导轨108和Z轴导轨104；所述X轴导轨107、所述Y轴导轨108和所述Z轴导轨104均与所述控制系统电连接；所述X轴导轨107与所述Y轴导轨108滑动连接；所述Y轴导轨108与所述Z轴导轨104滑动连接。
作为一种可选的实施方式，所述三轴联动平台还包括第一电机、第二电机和第三电机；所述X轴导轨107通过所述第一电机与所述控制系统电连接；所述Y轴导轨108通过所述第二电机与所述控制系统电连接；所述Z轴导轨104通过所述第三电机与所述控制系统电连接。
作为一种可选的实施方式，所述微流通道1093通过螺纹与对应的点胶针压筒106连接。
作为一种可选的实施方式，所述执行机构还包括载物平台110，所述载物平台110设置在所述三轴联动平台，当打印完毕，将打印完的物体从载物平台110取下，以进行后续处理。
本实施例的多材料混合3D打印成型装置不仅能够实现水凝胶、硅橡胶等高粘度材料的多材料3D有序打印，避免打印过程中出现材料混合或换料延迟等问题，还能实现特殊结构打印(如中空管等，如图6所示)，打印出的物体依据加入硅橡胶的比例具有不同程度的弹性和延展性，打印出的中空纤维可用于内血液流动、细胞培养环境等方面的研究，同时还可以制作出一种物质包裹另一种物质的结构。包裹层作为保护层，该种结构在医药学、化学反应方面也有着广泛的用途。
在实际应用中，本实施例采用生物相容性较好的硅橡胶材料作为打印材料，该材料瞬时成型性较好，粘度高。从打印喷头109挤出后能维持住其本身的形状。这也是空心纤维形成的基础。在该种材料中加入光敏、磁敏等粒子，可以利用不同材料对外界激励的响应程度不同，使得打印出的物体具有一些列的功能。如图7所示。其中图7的(a)部分表示未发生形变的打印物体，图7的(b)部分表示发生形变后的打印物体，图7中的A、B表示不同的打印材料，两种材料对温度的响应程度不同，A材料对温度更为敏感，形变更大。
3D打印由气压驱动，空压机103将压力提供给一拖多精密气压阀，气压阀的每个出口压力可调节且独立，用以打印不同材料。气压阀后接电磁阀105，电磁阀105由控制系统控制，响应频率为40K，可高速切换多种打印材料。控制系统具有集成控制步进/伺服电机和I/O信号功能，使得三轴联动平台与电磁阀105为联动，可通过PC端的控制系统编程精确控制各种材料的打印位置。
通过三维建模软件，如SolidWorks打印目标物体进行建模，用切片软件CURA转换成G代码，将转换好的G代码拷入控制系统，便可控制打印机喷头的X-Y-Z三轴运动；对于多材料打印，可根据用户具体需求，在PC端的控制系统中编辑G代码。在需要切换材料的程序部分加入控制电磁阀105的指令，通过各路电磁阀105的通断来决定打印何种材料，便可实现多材料可编程3D打印。
实际应用中的打印喷头109由3D打印制作而成。该打印喷头109包括两个(及以上)进料口，一个出料口。每个进料口的进料由电磁阀105的通断控制，电磁阀105响应速度、切换频率快，使得各种材料可以按照响应迅速打印。打印喷头109分为外流道(环状凹槽1094)和内流道(微流通道1093)。外流道进料原料为硅酮树脂等物质，内流道为空气，所用硅酮树脂为道康宁SE系列(可掺杂其他物质)，具有良好的瞬时成型性，在未固化前也可保持其形状。打印后的物体在恒温箱中以100～180℃的温度固化。该打印喷头109也可以打印中空管状结构，如图6所示。如果需要打印多种物质，微流通道1093为多个。微流通道1093的通道数可依据打印材料数量的变化而变化，此处以二通道微流通道为例进行说明。当进行多材料打印时，设置两个微流通道1093，打印喷头109成为二进一出喷头。通过控制电磁阀105的通断控制物料的进给，实现两种材料的有序打印。如需要两种以上的材料混合打印，只需要更换设计成的其他类型喷头即可。
本实施例的打印喷头109应用流体力学知识解决了在多材料打印中可能出现的材料切换速度慢、混料等问题。打印的高粘度流体属于非牛顿流体中的宾汉流体。宾汉流体是一种具有弹性的固体，一旦超过临界剪应力，该材料才发生流动流动。所以可以采用测试装置测试各个材料的临界剪应力，这样能够提供合适的气压，更好的解决材料切换慢等问题。测试装置如图8所示。在确定了各个材料的临界剪切力后，可以采用图9所示的装置，验证本实施例设计的模块化打印喷头109能够解决材料打印中混料、回流等问题。
本实施例的多材料混合3D打印成型装置具有以下优点：
1)相对于传统的旋转载物台或旋转切换，材料切换速度快；应用流力力学内容，从根本上解决了打印过程中混料的问题；相对于在打印喷头109内加入单向阀，本实施例把单向阀放置到了喷头前接处，喷头整体尺寸可以做的更小，且喷头的清洗更为方便。
2)模块化喷头的功能更为多用。打印喷头109具有多个进口，可容纳不同的材料流通。同时不同宽度的进口通道控制了材料的流通速度，解决了因材料性质各异导致的沉积速率不一致的问题，实现多材料混合打印；在内端口施加适当气压，外端口进行给料时，还能打印特殊的中空结构；对于一些需要保护层的结构，只需将外端口内端口同时给料就能实现。对于一些要包裹层的多组分材料，更换本实施例中的打印喷头109即可。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种多材料混合3D打印成型装置，其特征在于，包括：控制系统、气压驱动系统和执行机构；所述控制系统与所述执行机构电连接；所述气压驱动系统与所述执行机构通过气管连通；
所述执行机构包括三轴联动平台、打印喷头和多个点胶针压筒；所述三轴联动平台上设置所述打印喷头和多个所述点胶针压筒；所述三轴联动平台与所述控制系统电连接；所述打印喷头包括喷头本体和喷嘴；所述喷头本体上设置所述喷嘴；所述喷头本体内开设有多个微流通道；各所述微流通道的一端均与所述喷嘴连通；各所述微流通道的另一端与对应的点胶针压筒连接；一个所述点胶针压筒对应一个所述微流通道；各所述点胶针压筒内储存不同的打印材料；所述气压驱动系统与各所述点胶针压筒均通过气管连通；所述气压驱动系统用于产生气压以推动所述点胶针压筒内的打印材料进入对应的微流通道，从而实现多材料打印。
2.根据权利要求1所述的一种多材料混合3D打印成型装置，其特征在于，所述喷头本体的四周开设有环状凹槽；所述环状凹槽与所述打印喷头连通；所述环状凹槽通过隔板隔开，形成多个环状区域；所述环状凹槽远离所述打印喷头的一侧套设有点胶桶；多个所述点胶针压筒均设置在所述点胶桶的内部；所述点胶桶通过气管与所述气压驱动系统连通；多个所述环状区域内均放置相同的打印材料；当打印中空管状结构时，所述气压驱动系统用于使所述点胶桶的内部产生气压以推动多个所述环状区域内的打印材料进入所述喷嘴。
3.根据权利要求2所述的一种多材料混合3D打印成型装置，其特征在于，所述气压驱动系统包括空压机和一拖多气压阀；所述空压机与所述一拖多气压阀连通；所述一拖多气压阀通过气管与所述点胶针压筒和所述点胶桶连通。
4.根据权利要求2所述的一种多材料混合3D打印成型装置，其特征在于，各所述气管上均设置有电磁阀；所述电磁阀与所述控制系统电连接；所述控制系统用于控制所述电磁阀的开闭。
5.根据权利要求1所述的一种多材料混合3D打印成型装置，其特征在于，所述控制系统包括控制面板和多轴控制器；所述控制面板通过所述多轴控制器与所述三轴联动平台电连接；所述控制面板内置有M2P上位机软件，所述控制面板用于通过所述多轴控制器控制所述三轴联动平台运动，从而带动所述打印喷头运动。
6.根据权利要求1所述的一种多材料混合3D打印成型装置，其特征在于，所述三轴联动平台包括X轴导轨、Y轴导轨和Z轴导轨；所述X轴导轨、所述Y轴导轨和所述Z轴导轨均与所述控制系统电连接；所述X轴导轨与所述Y轴导轨滑动连接；所述Y轴导轨与所述Z轴导轨滑动连接。
7.根据权利要求6所述的一种多材料混合3D打印成型装置，其特征在于，所述三轴联动平台还包括第一电机、第二电机和第三电机；所述X轴导轨通过所述第一电机与所述控制系统电连接；所述Y轴导轨通过所述第二电机与所述控制系统电连接；所述Z轴导轨通过所述第三电机与所述控制系统电连接。
8.根据权利要求1所述的一种多材料混合3D打印成型装置，其特征在于，所述微流通道通过螺纹与对应的点胶针压筒连接。
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