CN112692303B - 一种微流控3d打印复合材料制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微流控3D打印复合材料制备装置及方法，第一多通道切换阀连通第一储液槽和第一计量注射泵，第一种增强相溶液经第一多通道切换阀进入第一计量注射泵；第一多通道切换阀连通第一计量注射泵和第二多通道切换阀，以及第二多通道切换阀连通第一多通道切换阀和第二计量注射泵，第一种增强相溶液进入第二多通道切换阀，第二计量注射泵吸入第一种增强相溶液，同样将第二种增强相溶液从第二储液槽转移到第二注射针筒中，两种增强相溶液经微流控芯片混合后从打印针头输出；本发明通过微流控技术控制打印微滴的尺寸和增强相的均匀分散并控制微滴滴在基体层上完全浸润但不会随意扩散，能按需求定制复合材料中增强相的分布和种类。

Description

一种微流控3D打印复合材料制备装置及方法

技术领域

本发明属于复合材料制备领域，具体是采用微流控技术和3D打印技术相结合的复合材料制备装置及其制备方法。

背景技术

电子、化工、装备制造和航天航空等行业对材料的性能提出了更高要求，单一的材料已经不能满足需求，在传统的复合材料加入了增强相后虽然提高了材料的强度，但是延展性显著降低，导致综合力学性能不佳，因此极大限制了复合材料的应用。根据现有理论，增强相的分布特征决定了其增强效果，增强相的非均匀分布比均匀分布有更好的强度和延展性平衡效果。例如，通过低能球磨随后反应烧结工艺制备出3D网状分布的TiBw/TC4复合材料，该种材料不仅克服了均匀分布的钛基复合材料室温脆性问题，表现出优异的强韧性，而且由于网状分布使基体具有连通性，表现出优异的塑形。然而传统的控制增强相非均匀分布的工艺不仅步骤繁琐且难以精准控制增强相颗粒在基体中的空间分布，因此如何实现这一工艺成为制备性能优异的复合材料的关键问题。

随着3D打印技术的快速发展，3D打印技术中出现一种名为粘结剂喷射(BinderJetting， BJ)打印的3D打印技术，其原理是集成粉床打印技术，如选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)打印技术以及粘结剂喷射于一体，通过将粘结剂液滴精准喷射在单层基体，随后将打印后的基体层层堆叠最终实现了复杂坯体的快速成型。利用该技术的特点，通过溶液喷射技术将增强相以溶液形式沉积在基体内部并形成相应的分布形状，但由于增强相的尺寸通常在微米甚至纳米级别且增强相含量在基体中的含量较低，现有3D打印中的喷射装置无法满足对增强相分布含量的精准控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微流控3D打印复合材料制备装置及其制备方法，以解决目前传统制备复合材料中难以实现对增强相非均匀分布的精确控制且生产成本高、工艺复杂的问题。

本发明一种微流控3D打印复合材料制备装置采用的技术方案是：计算机控制系统通过控制线分别连接打印控制装置、升降台、升降台动力装置、送粉装置和移动式铺粉装置，还包括废液槽、第一储液槽、第二储液槽、第三储液槽、第一多通道切换阀和第一计量注射泵，废液槽中储存清洗后的废液，第一储液槽和第二储液槽中分别储存两种不同的增强相溶液，第三储液槽中储存清洗剂，第一多通道切换阀上有一个中心孔和四个通道孔，中心孔与第一计量注射泵的进出液口，四个通道孔中的三个通道孔作为进液口分别一一对应地与第一储液槽、第二储液槽和第三储液槽的出液口连接，第四个通道孔作为出液口与其下方的第二多通道切换阀的进液口连接；第二多通道切换阀上有一个中心孔和四个通道孔，第二多通道切换阀的中心孔与第二计量注射泵的进出液口连接，第二多通道切换阀的四个通道孔有三个作为出液口分别一一对应地与废液槽、第一注射针筒、第二注射针筒的进液口连接，第二多通道切换阀的第四个通道孔作为进液口与第一多通道切换阀的出液口连接，第一注射针筒和第二注射针筒连接微量注射泵装置且正下方是微流控芯片，第一注射针筒和第二注射针筒的出口分别连接微流控芯片的一个进液口，微流控芯片的正下方是打印针头，微流控芯片的出口通过毛细软管与打印针头连接；打印针头内置于倒锥形针套中，倒锥形针套固定连接XY移动装置上；打印针头的正下方是升降台，升降台底部与升降台动力装置连接，在升降台上表面放置载料盘；移动式铺粉装置在送粉装置的上方，移动式铺粉装置和送粉装置之间是水平布置的铺粉平台，铺粉平台延伸至升降台的上方。

所述的微流控3D打印复合材料制备装置的制备方法采用的技术方案是包括以下步骤：

步骤A：计算机控制系统控制打印控制装置工作，打印控制装置控制第一多通道切换阀连通第一储液槽和第一计量注射泵，第一种增强相溶液经第一多通道切换阀进入第一计量注射泵；再控制第一多通道切换阀连通第一计量注射泵和第二多通道切换阀，以及控制第二多通道切换阀连通第一多通道切换阀和第二计量注射泵，第一种增强相溶液经第一计量注射泵、第一多通道切换阀进入第二多通道切换阀，控制第二计量注射泵从第二多通道切换阀吸入第一种增强相溶液；

步骤B：第二多通道切换阀连通第二计量注射泵与和第一注射针筒，第一种增强相溶液进入第一注射针筒；

步骤C：重复步骤A，不同的是打印控制装置控制第一多通道切换阀连通第三储液槽和第一计量注射泵，将清洗剂从第三储液槽转移到第二计量注射泵中，然后控制第二多通道切换阀连通第二计量注射泵和废液槽，清洗通道；

步骤D：先重复步骤A和B，不同的是打印控制装置控制第二种增强相溶液从第二储液槽转移到第二注射针筒中，再次重复步骤C清洗通道：

步骤E：计算机控制系统控制升降台动力装置工作，升降台按单层基体的厚度距离向下移动，送粉装置送出基体，移动式铺粉装置将基体经铺粉平台推到载料盘上；

步骤F：打印控制装置控制微量注射泵装置工作，将第一注射针筒和第二注射针筒中的两种增强相溶液按设定体积推出，两种增强相溶液经微流控芯片被调控至微米级液滴并通过微流控通道进行混合后从微流控芯片出口处流出，通过毛细软管从打印针头输出，打印控制装置控制XY移动装置移动，控制打印针头将两种增强相微滴沉积在单层基体上。

相较于现有技术，本发明提供的技术方案具备以下有益效果：

1.本发明可制备3D增强相复合材料，通过微流控技术控制打印微滴的尺寸和增强相的均匀分散并控制微滴滴在基体层上完全浸润但不会随意扩散，通过3D打印技术实现打印图案的精准控制，再通过送粉装置、移动式铺粉装置和升降台将每层基体的增强相图案层层堆叠得到3D形状的增强相分布在基体块中，能按需求定制复合材料中增强相的分布和种类，进而改变其材料的性能。

2.本发明引入微流控(Microfluidics)技术，利用微硅胶管道操纵微小流体精准控制增强相在微滴中的含量并结合3D打印技术，实现增强相非均匀分布金属基复合材料，增强相在基体中空间精准可控分布，极大地提升复合材料的综合性能，且绿色无污染。

3.本发明通过计算机的自动控制，使用溶剂作为载体、微流控技术作为辅助手段，保证了多种增强相在复合材料中的分布可人为调控并通过3D打印技术实现增强相空间的几何分布。

4.本发明适用于不同级别尺度的单层基体厚度，特别是将单层控制到微米级时仍然适用，且使最终块体中增强相的分布位置更加精准，分布形状更加细致，分布效果更佳。

5.本发明采用微流控技术降低了耗材，减少了复合材料制备过程中资源的浪费，环保优势明显。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1为本发明一种微流控3D打印复合材料制备装置的结构示意图；

图2为图1的外形左视缩小图；

图3为图1中注射针筒与锥形适配器、鲁尔连接器的结构放大图；

图4为本发明一种微流控3D打印复合材料制备装置的制备方法流程图。

图中：1-废液槽；2-第一储液槽；3-第二储液槽；4-第三储液槽；5-第一计量注射泵； 6-第一多通道切换阀；7-打印控制装置；8-第二计量注射泵；9-微流控芯片；10-移动式铺粉装置；11-刮板；12-压辊；13-送粉装置；14-载料盘；15-升降台；16-升降台动力装置；17- 传感器；18-计算机控制系统；19-输入面板；20-显示面板；21-设备箱体；22-铺粉平台；23-XY 移动装置；24-打印针头；25-倒锥形针套；26-第一注射针筒；27-第二注射针筒；28-微量注射泵装置；29-第二多通道切换阀；30-夹持装置；31-第一鲁尔连接器；32-第二鲁尔连接器； 33-第一锥形适配器；34-第二锥形适配器。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明一种微流控3D打印复合材料制备装置的外部有一个设备箱体 21，在设备箱体21上设有计算机控制系统18、打印控制装置7、升降台动力装置16、送粉装置13和移动式铺粉装置10，计算机控制系统18通过控制线分别连接打印控制装置7、升降台动力装置16、送粉装置13和移动式铺粉装置10。计算机控制系统18外部配有输入面板19和显示面板20。

设备箱体21的顶部设有废液槽1、第一储液槽2、第二储液槽3、第三储液槽4、第一多通道切换阀6和第一计量注射泵5。废液槽1、第一储液槽2、第二储液槽3、第三储液槽4这四个槽横向并列布置，位于同一高度，均固定连接在设备箱体21上。废液槽1中储存清洗后的废液，第一储液槽2和第二储液槽3中分别储存两种不同的增强相溶液，第三储液槽4储存的是清洗剂。

第一多通道切换阀6安装在储液槽4一侧旁，第一计量注射泵5水平安装在第一多通道切换阀6的上方。第一多通道切换阀6上共设有五个孔，分别为一个中心孔和四个通道孔，四个通道孔相互之间不连通，只能通过多通道切换阀内部转子的旋转控制单个通道孔与中心孔之间的连通，实现多通道位与中心孔的切换连通，即中心孔为公共通道位。第一多通道切换阀6中心孔通过硅胶管道与第一计量注射泵5的进出液口直接连接。第一多通道切换阀6的四个通道孔中，有三个通道孔作为进液口分别一一对应地与第一储液槽2、第二储液槽3、第三储液槽4的出液口通过硅胶管道连接，第四个通道孔作为出液口与其下方的第二多通道切换阀29的进液口通过硅胶管道连接。若需要增加储液槽，可根据所增加的储液槽数量增加相同数量的第一多通道切换阀6上的通道孔即可。

第二多通道切换阀29上共有五个孔，分别为一个中心孔和四个通道孔，中心孔为公共通道位，中心孔通过硅胶管道与其旁边的第二计量注射泵8的进出液口直接连接；四个通道孔有三个作为出液口分别一一对应地与废液槽1、第一注射针筒26、第二注射针筒27的进液口通过硅胶管道连接；第四个通道孔作为进液口与其上方的第一多通道切换阀6的出液口通过硅胶管道连接。第一注射针筒26和第二注射针筒27并排布置，位于第二多通道切换阀29的下方。

废液槽1、第一储液槽2、第二储液槽3、第三储液槽4、第一计量注射泵5、第一多通道切换阀6、第二计量注射泵8、第二多通道切换阀29、第一注射针筒26和第二注射针筒27的所有接口端可通过螺纹连接安装直通接头，直通接头可用于直接连接硅胶管道。第一多通道切换阀6和第二多通道切换阀29配有一个中心孔和多个通道孔，多个通道孔之间不连通，但与中心孔之间可切换连通。

第一注射针筒26和第二注射针筒27连接微量注射泵装置28，微量注射泵装置28固定连接在设备箱体21上，并且位于第二多通道切换阀29的下方。微量注射泵装置28能控制第一注射针筒26和第二注射针筒27吸入或者射出溶液。

第一注射针筒26和第二注射针筒27的正下方是微流控芯片9，微流控芯片9固定在设备箱体21上，第一注射针筒26和第二注射针筒27的出口分别连接微流控芯片9的一个进液口。微流控芯片9的正下方是打印针头24，微流控芯片9的出口通过足够长的毛细软管与打印针头24连接，打印针头24的口径根据所需微滴尺寸而定。

打印针头24内置于适配的倒锥形针套25中，倒锥形针套25固定连接于XY移动装置23上，XY移动装置23上设有夹持装置30，用于固定夹持倒锥形针套25。XY移动装置 23能够在水平面的X、Y方向上移动，从而带动倒锥形针套25和一起打印针头24沿X、 Y方向上来回移动。

在打印针头24的正下方有升降台15，升降台15形状为圆形，升降台15底部与升降台动力装置16上的液压杆通过螺栓紧密连接，升降台动力装置16工作时能带动升降台15上下垂直移动。在升降台15上表面放置载料盘14，载料盘14是承载基体块体的部件，当升降台15上下垂直运动时随着上下移动。

升降台15的旁侧设有移动式铺粉装置10和送粉装置13，移动式铺粉装置10在送粉装置13的上方，移动式铺粉装置10和送粉装置13之间是水平布置的铺粉平台22，铺粉平台22延伸至升降台15的上方。送粉装置13有一个出粉口和一个回收口。移动式铺粉装置10的下端具有刮板11和压辊12，移动式铺粉装置10安装在一个内置的水平平滑轨道上并保证移动式铺粉装置10上的刮板11和压辊12与铺粉平台22上表面平行。在升降台 15和铺粉平台22之间安装有传感器17，用于检测铺粉平台22的位置。

设备箱体21为方形金属箱，其一侧设有箱门，箱门中部设有把手，箱门上设有观察窗口，可通过观察窗口看到设备箱体21内部。

第一多通道切换阀6、第二多通道切换阀29、第一计量注射泵5、第二计量注射泵8、微量注射泵装置28和XY移动装置23分别通过控制线连接打印控制装置7。计算机控制系统18通过控制线分别连接打印控制装置7、升降台动力装置16、送粉装置13和移动式铺粉装置10。打印控制装置7通过接收计算机控制系统18的指令对上第一多通道切换阀6、第二多通道切换阀29、第一计量注射泵5、第二计量注射泵8、微量注射泵装置28和XY 移动装置23进行控制。计算机控制系统18控制升降台动力装置16、送粉装置13和移动式铺粉装置10工作。

参见图3，第一注射针筒26和第二注射针筒27的结构相同，与微流控芯片9的连接方式也相同。以第一注射针筒26为例，其出口处连接锥形适配器33和鲁尔连接器31，通过锥形适配器33和鲁尔连接器31与微流控芯片9的一个进液口连接。鲁尔连接器31套在第一注射针筒26出口，鲁尔连接器31内通过螺纹旋入锥形适配器33，锥形适配器33中心通孔套有毛细软管，毛细软管一端与第一注射针筒26出口处串接，另一端穿过锥形适配器33并露出1-2mm。毛细软管、鲁尔连接器31、锥形适配器33、微流控芯片9进液口具有相同的中心轴。

在载料盘14的侧边设有弹簧块，作为载料盘14的夹持部分，当升降台15处于铺粉平台22下方时，弹簧块受为压缩状态，不影响载料盘14的正常移动；当升降台15上升至其平面与铺粉平台22齐平时，载料盘14上的弹簧块释放弹出，操作员可将载料盘14拖出，保证基体块体平稳取出。

再结合图4，本发明一种微流控3D打印复合材料制备装置的工作步骤如下：

1.初始状态时，升降台15的上表面与铺粉平台22的下表面在同一水平高度，两者上下贴合。人工通过输入面板19向计算机控制系统18输入升降台15向下移动的命令，此时计算机控制系统18控制升降台动力装置16使升降台15向下移动一定距离，该距离需大于载料盘14的厚度。之后，人工将载料盘14侧边的弹簧块压缩至载料盘14内部，将载料盘 14放置在升降台15上，这时载料盘14处于铺粉平台22下方。人工将金属基体填入送粉装置13中，并且分别将已配制好的两种不同的增强相溶液倒入第一储液槽2和第二储液槽 3中，将清洗剂装入第三储液槽4中。

2.计算机控制系统18中内置最佳配合的打印参数，打印参数包括微量注射泵装置28 的推出速度、XY移动装置23的移动速度以及打印针头24的口径，打印参数通过显示面板20显示。

3.计算机控制系统18向打印制装置7发送指令，打印控制装置7控制第一多通道切换阀6，通过控制内部转子旋转将第一多通道切换阀6上连接的第一储液槽2的通道孔与连接第一计量注射泵5的中心孔切换至连通，以此实现第一储液槽2的出液口与第一计量注射泵5的进出液口的连通。

4.打印控制装置7控制第一计量注射泵5将定量的第一种增强相溶液从第一储液槽2的出液口吸出，该增强相溶液通过硅胶管道从第一多通道切换阀6的通道孔进入后再从第一多通道切换阀6的中心孔经过硅胶管道从第一计量注射泵5的进出液口进入到第一计量注射泵5。随后，打印控制装置7控制第一计量注射泵5停止工作并等待指令。

5.打印控制装置7控制第一多通道切换阀6，通过控制内部转子旋转将第一多通道切换阀6上的连接第一计量注射泵5的中心孔与连接第二多通道切换阀29的通道孔切换至连通，以此实现第一计量注射泵5的进出液口与第二多通道切换阀29的进液口的连通，同时关闭第一储液槽2与第一计量注射泵5的连通。随后，打印控制装置7控制第二多通道切换阀29，通过控制内部转子旋转将第二多通道切换阀29的连接第一多通道切换阀6的通道孔与第二计量注射泵8的中心孔切换至连通，以此实现第一多通道切换阀6的出液口与第二计量注射泵8的进出液口的连通，使第一计量注射泵5与第二计量注射泵8连通，同时，打印控制装置7控制第二计量注射泵8处于吸入状态。

6.打印控制装置7控制第一计量注射泵5将第一种增强相溶液注射出后，第一计量注射泵5停止工作并等待下次命令。第一种增强相溶液从第一计量注射泵5的进出液口流出后，途经连接第一计量注射泵5和第一多通道切换阀6的硅胶管道，进入连接第一计量注射泵5的第一多通道切换阀6的中心孔后，再从连接第二多通道切换阀29的第一多通道切换阀6的通道孔流出。此后，第一种增强相溶液途经连接第一多通道切换阀6和第二多通道切换阀29的硅胶管道，进入连接第一多通道切换阀6的第二多通道切换阀29的通道孔，再从连接第二计量注射泵8的第二多通道切换阀29的中心孔流出。此时，打印控制装置7 控制第二计量注射泵8将从连接第二计量注射泵8的第二多通道切换阀29的中心孔流出的第一种增强相溶液吸入后，第二计量注射泵8停止工作并等待指令。

7.打印控制装置7控制第二计量注射泵8与第一注射针筒26的连通。打印控制装置7 控制第二多通道切换阀29，通过控制内部转子旋转将第二多通道切换阀29上的连接第一注射针筒26的通道孔与第二多通道切换阀29上连接第二计量注射泵8的中心孔切换至连通，以此实现第二多通道切换阀29的进出液口与第一注射针筒26的进液口的连通，同时关闭第一计量注射泵5与第二计量注射泵8的连通。

8.打印控制装置7控制第二计量注射泵8注射出第一种增强相溶液进入第一注射针筒 26。打印控制装置7控制第二计量注射泵8将第一种增强相溶液注射出后，第二计量注射泵8暂时停止工作并等待下次命令。第一种增强相溶液从第二计量注射泵8的进出液口处流出，途经连接第二计量注射泵8和第二多通道切换阀29的硅胶管道，进入连接第二计量注射泵8的第二多通道切换阀29的中心孔后，再从连接第一注射针筒26的第二多通道切换阀29的通道孔流出。此后，第一种增强相溶液途经连接第二多通道切换阀29和第一注射针筒26的硅胶管道，由第一注射针筒26的进液口进入到第一注射针筒26。

9.开始清洗通道：第一种增强相溶液会在途经的硅胶管道、第一计量注射泵5、第一多通道切换阀6、第二计量注射泵8、第二多通道切换阀29中留有残留物质，为保证第一种增强相溶液的输送不对接下来进行输送的第二种增强相溶液造成污染从而实现对增强相溶液含量的精准控制，需要对通道进行清洗。步骤3到步骤6是最终将第一种增强相溶液从第一储液槽2转移到第二计量注射泵8中，因此根据自身管路连接重复步骤3到步骤6，以雷同的方法，打印控制装置7控制第一多通道切换阀6连通第三储液槽4和第一计量注射泵5，将清洗剂从第三储液槽4转移到第二计量注射泵8中这一转移过程，清洗剂将途经之处的残留溶液一起带出。

10.打印控制装置7控制第二计量注射泵8与废液槽1的连通。打印控制装置7控制第二多通道切换阀29，通过控制内部转子旋转将第二多通道切换阀29上的连接废液槽1 的通道孔与第二多通道切换阀29上连接第二计量注射泵8的中心孔切换至连通，以此实现了第二多通道切换阀29的进出液口与废液槽1的进液口的连通。

11.打印控制装置7控制第二计量注射泵8注射出清洗剂到废液槽1。打印控制装置7 控制第二计量注射泵8将清洗剂注射出，清洗剂从第二计量注射泵8的进出液口处流出，途经连接第二计量注射泵8和第二多通道切换阀29的硅胶管道，进入连接第二计量注射泵8的第二多通道切换阀29的中心孔后，再从连接废液槽1的第二多通道切换阀29的通道孔流出。此后，清洗剂途经连接第二多通道切换阀29和废液槽1的硅胶管道，由废液槽的进液口1进入到废液槽1内，完成整个通道的清洗。

12.打印控制装置7控制第二种增强相溶液从第二储液槽3转移到第二注射针筒27并再次清洗通道：该步骤根据自身管路连接，重复步骤3到步骤11的方法，第二增强相溶液从第二储液槽3转移到第二注射针筒27后，通道再次被清洗。在第一注射针筒26和第二注射针筒27中的两种增强相溶液均到达设置量后，打印控制装置7停止工作。

13.单层基体的铺制：计算机控制系统18向升降台动力装置16发送指令，升降台动力装置16控制升降台15按设定距离向下移动且载料盘14跟随升降台15向下移动，此设定距离即为单层基体的厚度。当载料盘14和升降台15到达指定位置后随即停止，载料盘14 上表面或是已铺制基体上表面与铺粉平台22的高度差为预设单层基体的厚度。此时，计算机控制系统18控制送粉装置13和移动式铺粉装置10先后工作，送粉装置13先从出口处送出足够单层基体铺制的基体后，移动式铺粉装置10开始工作，其刮板11和压辊12与铺粉平台22上表面贴合，刮板11随着移动式铺粉装置10的移动将基体表面经铺粉平台22 推到载料盘14上，紧接着压辊12将填入基体压实，之后移动式铺粉装置10返回初始位置待命。此时，传感器17检测基体上层是否与铺粉平台22在同一水平高度并将检测结果反馈给计算机控制系统18，若基体上层未能与铺粉平台22在同一水平高度则计算机控制系统18控制送粉装置13和移动式铺粉装置10重复铺制，直至铺粉合格后，送粉装置13和移动式铺粉装置10暂时停止工作等待下一次单层基体的铺制。

14.微流控喷射。计算机控制系统18发送打印开始命令到打印控制装置7，打印控制装置7控制微量注射泵装置28精准地将第一注射针筒26和第二注射针筒27中的两种增强相溶液按设定体积推出，微量注射泵装置28根据所需溶液的体积能精确控制推出速度。两种增强相溶液经过鲁尔连接器31、锥形适配器33以及毛细软管同时导入到微流控芯片9中。两种增强相溶液经微流控芯片9被调控至微米级液滴并通过微流控通道进行混合，所得液滴中两种增强相混合均匀且含量精准，最终以微米级液滴形式从微流控芯片9出口处流出，并通过毛细软管从打印针头24输出。

15.单层基体打印。打印控制装置7控制XY移动装置23按程序设定路线控制打印针头 24精准地将两种增强相微滴沉积在单层基体的设定位置上。微量注射泵装置28的推出速度、XY移动装置23的移动速度以及打印针头24的口径的良好配合保证了增强相微滴在规定路径下能被准确且均匀沉积，实现在单层基体中增强相精准的分布位置，细致的分布形状以及绝佳的分布效果。完成第一层基体的打印后，计算机控制系统18发送停止命令到打印控制装置7，打印控制装置7控制微量注射泵装置28和XY移动装置23暂时停止工作并等待下一次单层基体打印。

16.打印完成。计算机控制系统18时刻记录从单层基体铺制到单层基体打印的循环次数。根据目标基体块体的厚度以及单层基体的厚度，因此已知目标循环次数，当计算机控制系统18检测到未到达目标循环次数，继续循环步骤13-16；当计算机控制系统18检测到已到达目标循环次数，计算机控制系统18发送指令到升降台动力装置16，升降台动力装置16控制升降台15上升至升降台15上表面到与铺粉平台22在同一水平高度，载料盘14 侧边的弹簧块弹出，此时整个打印过程结束。打印完成后，最终单层基体经过层层堆叠成为具有设定厚度的基体块体且增强相在基体块体内部呈现设定的空间分布形状。

17.烧结复合材料。整个打印过程结束后，人工打开箱门，使用工具钳夹持弹簧块将载料盘14拖出，随后将载料盘14作为承烧板和打印坯体放入烧结炉中进行烧结，烧结完成后获得目标复合材料。

以上所述，仅是发明专利较佳实施例而已，并非对发明专利的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明专利的技术实质对以上实例所作的任何细微修改，等同变化与修饰，均仍属于本发明专利技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种微流控3D打印复合材料制备装置，计算机控制系统(18)通过控制线分别连接打印控制装置(7)、升降台(15)、升降台动力装置(16)、送粉装置(13)和移动式铺粉装置(10)，其特征是：还包括废液槽(1)、第一储液槽(2)、第二储液槽(3)、第三储液槽(4)、第一多通道切换阀(6)和第一计量注射泵(5)，废液槽(1)中储存清洗后的废液，第一储液槽(2)和第二储液槽(3)中分别储存两种不同的增强相溶液，第三储液槽(4)中储存清洗剂，第一多通道切换阀(6)上有一个中心孔和四个通道孔，中心孔与第一计量注射泵(5)的进出液口，四个通道孔中的三个通道孔作为进液口分别一一对应地与第一储液槽(2)、第二储液槽(3)和第三储液槽(4)的出液口连接，第四个通道孔作为出液口与其下方的第二多通道切换阀(29)的进液口连接；第二多通道切换阀(29)上有一个中心孔和四个通道孔，第二多通道切换阀(29)的中心孔与第二计量注射泵(8)的进出液口连接，第二多通道切换阀(29)的四个通道孔有三个作为出液口分别一一对应地与废液槽(1)、第一注射针筒(26)、第二注射针筒(27)的进液口连接，第二多通道切换阀(29)的第四个通道孔作为进液口与第一多通道切换阀(6)的出液口连接，第一注射针筒(26)和第二注射针筒(27)连接微量注射泵装置(28)且正下方是微流控芯片(9)，第一注射针筒(26)和第二注射针筒(27)的出口分别连接微流控芯片(9)的一个进液口，微流控芯片(9)的正下方是打印针头(24)，微流控芯片(9)的出口通过毛细软管与打印针头(24)连接；打印针头(24)内置于倒锥形针套(25)中，倒锥形针套(25)固定连接XY移动装置(23)；打印针头(24)的正下方是升降台(15)，升降台(15)底部与升降台动力装置(16)连接，在升降台(15)上表面放置载料盘(14)；移动式铺粉装置(10)在送粉装置(13)的上方，移动式铺粉装置(10)和送粉装置(13)之间是水平布置的铺粉平台(22)，铺粉平台(22)延伸至升降台(15)的上方。

2.根据权利要求1所述的一种微流控3D打印复合材料制备装置，其特征是：第一注射针筒(26)和第二注射针筒(27)的结构相同，出口处通过锥形适配器(33)和鲁尔连接器(31)与微流控芯片(9)的一个进液口连接，鲁尔连接器(31)套在注射针筒出口，鲁尔连接器(31)内通过螺纹旋入锥形适配器(33)，锥形适配器(33)中心通孔套着毛细软管，毛细软管一端与第一注射针筒(26)出口处串接，另一端穿过锥形适配器(33)并露出1-2mm。

3.根据权利要求1所述的一种微流控3D打印复合材料制备装置，其特征是：载料盘(14)的侧边设有能夹持载料盘(14)的弹簧块，升降台(15)处于铺粉平台(22)下方时，弹簧块受为压缩状态，升降台(15)上升至与铺粉平台(22)齐平时，载料盘(14)上的弹簧块释放弹出。

4.根据权利要求1所述的一种微流控3D打印复合材料制备装置，其特征是：第一多通道切换阀(6)或第二多通道切换阀(29)的四个通道孔相互之间不连通，通过多通道切换阀内部转子的旋转控制单个通道孔与中心孔之间的连通。

5.根据权利要求1所述的一种微流控3D打印复合材料制备装置，其特征是：移动式铺粉装置(10)的下端具有刮板(11)和压辊(12)，移动式铺粉装置(10)设在一个水平平滑轨道上且刮板(11)和压辊(12)与铺粉平台(22)上表面平行。

6.一种如权利要求1所述的一种微流控3D打印复合材料制备装置的制备方法，其特征是包括以下步骤：

步骤A：计算机控制系统(18)控制打印控制装置(7)工作，打印控制装置(7)控制第一多通道切换阀(6)连通第一储液槽(2)和第一计量注射泵(5)，第一种增强相溶液经第一多通道切换阀(6)进入第一计量注射泵(5)；再控制第一多通道切换阀(6)连通第一计量注射泵(5)和第二多通道切换阀(29)，以及第二多通道切换阀(29)连通第一多通道切换阀(6)和第二计量注射泵(8)，第一种增强相溶液经第一计量注射泵(5)、第一多通道切换阀(6)进入第二多通道切换阀(29)，控制第二计量注射泵(8)从第二多通道切换阀(29)吸入第一种增强相溶液；

步骤B：第二多通道切换阀(29)连通第二计量注射泵(8)与和第一注射针筒(26)，第一种增强相溶液进入第一注射针筒(26)；

步骤C：重复步骤A，不同的是打印控制装置(7)控制第一多通道切换阀(6)连通第三储液槽(4)和第一计量注射泵(5)，将清洗剂从第三储液槽(4)转移到第二计量注射泵(8)中，然后控制第二多通道切换阀(29)连通第二计量注射泵(8)和废液槽(1)，清洗通道；

步骤D：先重复步骤A和B，不同的是打印控制装置(7)控制第二种增强相溶液从第二储液槽(3)转移到第二注射针筒(27)中，再次重复步骤C清洗通道：

步骤E：计算机控制系统(18)控制升降台动力装置(16)工作，升降台(15)按单层基体的厚度距离向下移动，送粉装置(13)送出基体，移动式铺粉装置(10)将基体经铺粉平台(22)推到载料盘(14)上；

步骤F：打印控制装置(7)控制微量注射泵装置(28)工作，将第一注射针筒(26)和第二注射针筒(27)中的两种增强相溶液按设定体积推出，两种增强相溶液经微流控芯片(9)被调控至微米级液滴并通过微流控通道进行混合后从微流控芯片(9)出口处流出，通过毛细软管从打印针头(24)输出，打印控制装置(7)控制XY移动装置(23)控制打印针头(24)将两种增强相微滴沉积在单层基体上。

7.根据权利要求6所述的一种微流控3D打印复合材料制备装置的制备方法，其特征是：计算机控制系统(18)根据目标基体块体的厚度以及单层基体的厚度，循环步骤E-F；直至打印过程结束。

8.根据权利要求7所述的一种微流控3D打印复合材料制备装置的制备方法，其特征是：将载料盘(14)拖出，载料盘(14)作为承烧板和打印坯体放入烧结炉中烧结。

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