CN112706398A - 一种彩色3d打印挤出装置及其操作方法 - Google Patents

一种彩色3d打印挤出装置及其操作方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于三维增材制造技术领域，涉及一种彩色3D打印挤出装置及其操作方法；所述装置除包含必要的运动平台、进料系统，还包含可控制运动平台、进料系统和可编程直流电源设备的软件控制系统；其基本工作原理是当打印材料流经喷头主体时，废料通道和出料口内置的铂电极通电，可电解打印材料中的水分子，产生H+和OH―从而改变打印材料的pH值；并且，电解时的电压与产生的H+和OH―浓度成正相关，打印材料中的pH敏感型色素材料在不同pH下会呈现出不同颜色，实现彩色打印；本发明极大降低了彩色打印头零部件的复杂度和打印原料要求，从而提高打印头的可靠性、普适性和灵活性。同时，设备简单、使用方便，具有低成本、效率高等优点。

Description

一种彩色3D打印挤出装置及其操作方法
技术领域
本发明属于三维增材制造技术领域，具体涉及一种彩色3D打印挤出装置及其操作方法，特指一种基于单通道、单色原料实现彩色3D打印的装置及其操作方法。
背景技术
3D打印属于快速成型技术的一种，具有效率高、成本低、速度快等诸多优点，被誉为第三次产业革命的核心技术之一。其基本原理是由快速原型机在Ⅹ、Y平面内通过扫描形成工件的截面形状，而在Z坐标上不断地作层面厚度的位移形成堆叠，最终构建出立体对象。近年来，随着3D打印技术的快速发展，其应用也越来越广泛，涉及航空、制造、食品等诸多领域。虽然3D打印在构建三维空间结构方面已相对成熟，但如何同时赋予打印模型期望的颜色，实现彩色3D打印，依然存在诸多问题与挑战，是当前3D打印技术的前沿探索领域之一。
目前，彩色3D打印主要通过两种方式实现：第一种是打印、上色分步进行，即先将模型打印成型，然后再进行上色，显然这样的方法耗时费力，最后上色的质量也不易保证；第二种是利用三基色混合原理将三原色材料进行混合得到不同颜色再进行打印，这种方式打印头机械结构复杂，成本高昂，而且对原材料要求较高，不具备普适性。
发明内容
鉴于以上问题，本发明的目的在于提供一种基于单通道、单色原料实现彩色3D打印挤出装置及其操作方法。
为了解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
本发明首先提供一种彩色3D打印挤出装置，包括步进电机、联轴器、螺杆、螺纹连接件、直通螺纹插管、导料槽、机架、输料管、进料口、喷头主体、出料口、废料管道、铂片电极、铂丝电极、可编程直流电源设备、连接导线和废料出口；
所述的螺杆顶部通过联轴器与步进电机连接；所述的螺杆设置在导料槽内，导料槽内部为中空结构；所述导料槽的一侧连通设有直通螺纹插管，直通螺纹插管与导料槽螺纹连接；所述直通螺纹插管的另一端与输料管道连接；所述输料管道远离直通螺纹插管的一端设有进料口，用于输入打印材料；
所述喷头主体为倒锥形结构，记宽端为上端，窄端为下端；所述导料槽的下端与喷头主体的上端通过螺纹连接；所述导料槽的上端通过螺纹连接件与机架连接；所述机架通过螺钉固定在3D打印机运动机构上；
所述的喷头主体的侧壁连通有废料管道，所述的废料管道内中间位置设有铂丝电极；所述废料管道远离喷头主体的一端设有废料出口；所述喷头主体的下端设有出料口，所述的出料口内设有铂片电极；所述铂片电极为圆筒状，嵌入出料口内，形成出料通道。
所述可编程直流电源设备通过连接导线分别与铂丝电极和铂片电极连接。
优选的，所述的废料管道为内窄外宽的类锥形结构，口径由内部到外部平滑增大；所述窄口径为0.5mm，宽口径为5mm。
优选的，所述的废料管道末端设有传送软管，用以排出废料。
优选的，所述铂片电极的厚度0.1～0.5mm，含铂量999‰。
优选的，所述铂丝电极的直径0.5～1mm，含铂量999‰。
优选的，所述出料口的口径范围为0.5～3mm。
本发明还提供一种基于单通道、单色原料实现彩色3D打印的操作方法，包括以下步骤：
S1.打印材料的制备：首先制备可电化学变色的pH敏感型色素材料，然后选取原材料与可电化学变色的pH敏感型色素材料混合制备得到打印材料；
S2.打印材料由进料口输入，经过输料管传送至导料槽内部；同时开启步进电机，螺杆在步进电机的带动下开始转动，将打印材料向下输送至喷头主体内；在螺杆的驱动下，进入喷头主体内的打印材料，一部分打印材料会经过废料管道，由废料出口输出；另一部分打印材料经过出料口形成打印挤出丝；
S3.扫描电压-色调关系的建立：在打印材料的挤出过程中，即打印材料进入喷头主体内时，可编程直流电源设备提供电压通过连接导线传送给铂丝电极和铂片电极，与打印材料形成电解回路，通过电解反应引起铂丝电极和圆柱状铂片电极表面形成不同的pH环境，进而使打印材料中的色素变色，出料口挤出不同颜色的打印挤出丝；同时，采集不同电压下挤出丝的色调H，绘制U-H关系曲线。
S4.彩色打印：加载待打印的彩色打印模板，使得挤出装置按照模板进行逐行扫描打印，形成不同图案；同时，根据当前扫描位置提取模板对应位置处的颜色色调H，将H代入S3所得U-H关系曲线，得到所需电压U，根据相应位置设定不同U值，从而实现最终打印产物的颜色控制。
优选的，S1中所述pH敏感型色素材料包括天然色素和人工色素；所述天然色素包括从植物中提取花青素、姜黄素或石蕊；所述人工色素包括化工合成的酚酞、甲基橙或中性红。
优选的，S1中所述pH敏感型色素材料的用量与原材料的质量比值为0.1％～1％。
所采用打印机除包含必要的运动平台、进料系统等装置，还包含可控制上述运动平台、进料系统和可编程直流电源设备的软件控制系统；其基本工作原理是当打印材料流经喷头主体时，废料管道和出料口内置的铂电极通电可电解打印材料中的水分子，产生H+和OH―从而改变打印材料的pH值，并且，电解时的电压与产生的H+和OH―浓度成正相关。上述添加或内含的pH敏感型色素材料在不同pH下会呈现出不同颜色。因此，只需控制对铂电极所施加的电压即可改变原材料颜色，实现彩色3D打印。
本发明的优点和技术效果是：
1.本发明提供一种基于单通道、单色原料实现彩色3D打印的方法及装置，解决目前彩色3D打印机械结构复杂，成本高，对原材料要求高，普适性差的缺点。
2.本发明基于单通道打印头实现彩色3D打印，可极大降低彩色打印头零部件的复杂度，从而提高打印头的可靠性，降低其成本。
3.本发明基于单一色素实现彩色打印，降低了对原材料的要求，具有更好地普适性。
4.本发明通过改变直流电源输出的电压实现颜色改变，相较于机械式控制具有更高的敏捷性、灵活性。
附图说明
图1本发明挤出装置的剖面示意图；
图2实例1中不同电压条件下挤出丝的颜色变化图像；
图3实例1中挤出丝色调H与电压U的U-H关系曲线；
图4实例1中打印物体实物图；
其中的附图标记为：1-步进电机；2-联轴器；3-机架；4-螺纹连接件；5-螺杆；6-导料槽；7-直通螺纹插管；8-输料管；9-喷头主体；10-废料管道；11-铂丝电极；12-铂片电极；13-出料口；14-可编程直流电源设备；15-连接导线；16-废料出口；17-进料口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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；
如图1所示，本发明的一种彩色3D打印挤出装置，包括步进电机1、联轴器2、螺杆5、螺纹连接件4、直通螺纹插管7、导料槽6、机架3，输料管8、进料口17、喷头主体9、出料口13、废料管道10、铂片电极12、铂丝电极11、连接导线15和废料出口16；
所述的螺杆5顶部通过联轴器2与步进电机1连接；所述的螺杆5设置在导料槽6内，导料槽6内部为中空结构；所述导料槽6的一侧连通设有直通螺纹插管7，直通螺纹插管7与导料槽6螺纹连接；直通螺纹插管7的另一端与输料管道8连接；输料管道8插入直通螺纹插管7内，两者密封嵌合；此外，在输料管道8远离直通螺纹插管7的一端设有进料口17，通过进料口17输入打印材料；
所述喷头主体9为倒锥形结构，记宽端为上端，窄端为下端；所述导料槽6的下端与喷头主体9的上端通过螺纹密封连接；所述导料槽6的上端通过螺纹连接件4与机架3连接；所述机架3通过螺钉固定在3D打印机运动机构上；
所述的喷头主体9的侧壁连通有废料管道10，废料管道10水平设置，同时废料管道10内的中间位置设有铂丝电极11；所述废料管道10远离喷头主体9的一端还设有废料出口16；同时，废料管道10还可连接传送软管，用以排出废料；
所述喷头主体9的下端设有出料口13，所述的出料口13内设有铂片电极12；铂片电极12为圆筒状，嵌入出料口13内，形成出料通道。
所述可编程直流电源设备14通过连接导线15分别与铂丝电极11和铂片电极12连接；提供电压通过导线15传送给铂丝电极11和铂片电极12，与打印材料形成电解回路，通过电解反应引起铂丝电极11和圆柱状铂片电极12表面形成不同的pH环境.
实施例1：
本实施例以面糊彩色打印为例，对本发明实施过程进行说明，具体包括以下步骤：
(1)色素材料制备：取紫山药500g置于50℃的烘箱中烘干至恒重，然后使用粉碎机粉碎，过40目筛得到干粉状紫山药粉；紫山药粉用75％乙醇水溶液进行提取，料液比按照1:10g/mL混合，水浴锅提取3h；使用布氏漏斗对得到的提取液进行抽滤，使用旋转蒸发仪除去乙醇，得到花青素浓缩液。将提取液装入AB-8大孔吸附树脂色谱柱(1.5cm×60cm)上，静置2小时，用蒸馏水洗涤糖类等水溶性杂质，随后用70％乙醇溶液(5柱体积(cv)；流速：2ml/min)洗脱花青素，直至色谱柱内无色。将洗脱液减压浓缩，再进行冷冻干燥，得到紫山药色素冻干粉；
(2)打印材料配制：以面粉、鸡蛋液、食用盐和水为原料；取面粉250g，混匀的鸡蛋液100g、食用盐5g、水700mL混合步骤(1)的紫山药冻干粉2g，混匀制成面糊，即为打印材料，备用；
(3)扫描电压-色调关系的建立：初次打印时，上述打印材料由进料口进入输料管、导料槽中，在步进电机的带动下，螺杆转动，将面糊挤出；挤出装置结构如图1所示；当面糊通过喷头主体时，通过可编程直流电源设备向铂电极施加不同电压U，所述电压以5V步长由-60V变化至60V；分别采集不同电压下的打印挤出丝，测定打印挤出丝色调H，并绘制U-H关系曲线。所得不同电压下挤出丝的颜色图像和U-H关系曲线分别如图2和图3所示。
(4)彩色打印的实施：加载待打印的彩色打印模板，使得挤出装置按照模板进行逐行扫描打印，形成不同图案。同时，根据当前扫描位置提取模板对应位置处的颜色色调h，将h代入步骤(3)所得U-H关系曲线，得到所需电压u，根据相应位置设定不同u值，从而实现颜色控制，最终获得的打印物体如图4所示。
根据图2可以得出，铂片电极被施加不同的正电压时，会产生暗紫色、天蓝色、浅绿色、深绿色、黄色的挤出丝，铂片电极被施加不同的负电压时，会产生紫色、粉红色、红色的挤出丝，说明使用本方法可以实现彩色打印；根据图3可以得出，电压U在-45V和45V的范围内，电压U和挤出丝色调H之间存在S型曲线规律，说明使用本方法是可以通过控制电压大小来精准控制彩色打印。
根据图4可以得出，最终获得的打印物体为山峰状，其色彩随着打印高度的递增，由红色、粉色、紫色逐渐过渡为天蓝色、浅绿色、深绿色和黄色，说明本方法利用单喷头、单色原料已成功打印出具有七种渐变色彩的模型。
实施例2：
本实施例以咖啡奶泡打印为例，对本发明实施过程进行说明，具体包括以下步骤：
(1)色素材料制备：取黑枸杞300g置于50℃的烘箱中烘干至恒重，然后使用粉碎机粉碎，过40目筛得到干粉状枸杞粉。枸杞粉用75％乙醇水溶液进行提取，料液比按照1:10g/mL混合，水浴锅提取3h。使用布氏漏斗对得到的提取液进行抽滤，使用旋转蒸发仪除去乙醇，得到黑枸杞色素浓缩液。将浓缩液装入AB-8大孔吸附树脂色谱柱(1.5cm×60cm)上，静置2小时，用蒸馏水洗涤糖类等水溶性杂志，随后用70％乙醇溶液(5柱体积(cv)；流速：2ml/min)洗脱色素，直至色谱柱内无色。将洗脱液减压浓缩，再进行冷冻干燥，得到黑枸杞色素冻干粉；
(2)打印材料制备：以牛奶为原料，使用两个不锈钢杯分别取200mL冷藏牛奶，其中一份加入上述黑枸杞色素冻干粉2g，混匀，采用蒸汽法分别制成普通奶泡和黑枸杞色素奶泡，备用；
(3)扫描电压-色调关系的建立。初次打印时，将上述黑枸杞色素奶泡由进料口进入输料管、导料槽中，在步进电机的带动下，螺杆转动，将奶泡挤出。挤出装置结构如图1所示。当奶泡通过喷头主体时，通过可编程直流电源设备向铂电极施加不同电压U，所述电压以5V步长由-45V变化至45V。分别采集不同电压下的样品，测定样品色调H，并绘制U-H关系曲线。
(4)彩色打印的实施。将适量普通奶泡平铺于咖啡表面，形成平整基面。加载彩色打印模板，使得挤出装置按照模板进行逐行扫描打印，形成不同图案。同时，根据当前扫描位置提取模板对应位置处的颜色色调H，将H代入步骤(3)所得U-H关系曲线，得到所需电压U，根据相应位置设定不同U值，从而实现黑枸杞色素奶泡颜色控制，最终生成与模板一致的彩色图案。
说明：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (9)

1.一种彩色3D打印挤出装置，包括步进电机(1)、联轴器(2)、螺杆(5)、螺纹连接件(4)、直通螺纹插管(7)、导料槽(6)、机架(3)，输料管(8)和进料口(17)，其特征在于，还包括喷头主体(9)、出料口(13)、废料管道(10)、铂片电极(12)、铂丝电极(11)、可编程直流电源设备(14)、连接导线(15)和废料出口(16)；
所述的螺杆(5)顶部通过联轴器(2)与步进电机(1)连接；所述的螺杆(5)设置在导料槽(6)内，导料槽(6)内部为中空结构；所述导料槽(6)的一侧连通设有直通螺纹插管(7)，直通螺纹插管(7)与导料槽(6)螺纹连接；所述直通螺纹插管(7)的另一端与输料管道(8)连接；所述输料管道(8)远离直通螺纹插管(7)的一端设有进料口(17)，用于输入打印材料；
所述喷头主体(9)为倒锥形结构，记宽端为上端，窄端为下端；所述导料槽(6)的下端与喷头主体(9)的上端通过螺纹连接；所述导料槽(6)的上端通过螺纹连接件(4)与机架(3)连接；所述机架(3)通过螺钉固定在3D打印机运动机构上；
所述的喷头主体(9)的侧壁连通有废料管道(10)，所述的废料管道(10)内中间位置设有铂丝电极(11)；所述废料管道(10)远离喷头主体(9)的一端设有废料出口(16)；所述喷头主体(9)的下端设有出料口(13)，所述的出料口(13)内设有铂片电极(12)；所述铂片电极(12)为圆筒状，嵌入出料口(13)内，形成出料通道；
所述可编程直流电源设备(14)通过连接导线(15)分别与铂丝电极(11)和铂片电极(12)连接。
2.根据权利要求1所述的一种彩色3D打印挤出装置，其特征在于，所述的废料管道(10)为内窄外宽的类锥形结构，口径由内部到外部平滑增大；所述窄口径为0.5mm，宽口径为5mm。
3.根据权利要求1所述的一种彩色3D打印挤出装置，其特征在于，所述的废料管道末端设有传送软管，用以排出废料。
4.根据权利要求1所述的一种彩色3D打印挤出装置，其特征在于，所述铂片电极(12)的厚度0.1～0.5mm，含铂量999‰。
5.根据权利要求1所述的一种彩色3D打印挤出装置，其特征在于，所述铂丝电极(11)的直径0.5～1mm，含铂量999‰。
6.根据权利要求1所述的一种彩色3D打印挤出装置，其特征在于，所述出料口(13)的口径范围为0.5～3mm。
7.一种彩色3D打印挤出装置的操作方法，其特征在于，包括以下步骤:
S1.打印材料的制备：首先制备可电化学变色的pH敏感型色素材料，然后选取原材料与可电化学变色的pH敏感型色素材料混合制备得到打印材料；
S2.打印材料由进料口(17)输入，经过输料管(8)传送至导料槽(6)内部；同时开启步进电机(1)，螺杆(5)在步进电机(1)的带动下开始转动，将打印材料向下输送至喷头主体(9)内；在螺杆(5)的驱动下，进入喷头主体(9)内的打印材料，一部分打印材料会经过废料管道(10)，由废料出口(16)输出；另一部分打印材料经过出料口(13)形成打印挤出丝；
S3.扫描电压-色调关系的建立：在打印材料的挤出过程中，即打印材料进入喷头主体(9)内时；可编程直流电源设备(14)提供电压通过连接导线(15)传送给铂丝电极(11)和铂片电极(12)，与打印材料形成电解回路，通过电解反应引起铂丝电极(11)和圆柱状铂片电极(12)表面形成不同的pH环境，进而使打印材料中的色素变色，出料口(13)挤出不同颜色的打印挤出丝；同时，采集不同电压下挤出丝的色调H，绘制U-H关系曲线；
S4.彩色打印：加载待打印的彩色打印模板，使得挤出装置按照模板进行逐行扫描打印，形成不同图案；同时，根据当前扫描位置提取模板对应位置处的颜色色调H，将H代入S3所得U-H关系曲线，得到所需电压U，根据相应位置设定不同U值，从而实现最终打印产物的颜色控制。
8.根据权利要求7所述的一种彩色3D打印挤出装置的操作方法，其特征在于，S1中所述pH敏感型色素材料包括天然色素和人工色素；所述天然色素包括从植物中提取花青素、姜黄素或石蕊；所述人工色素包括化工合成的酚酞、甲基橙或中性红。
9.根据权利要求7所述的一种彩色3D打印挤出装置的操作方法，其特征在于，S1中所述pH敏感型色素材料的用量与原材料的质量比值为0.1％～1％。
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