CN112743828A - 一种环状夹心多材料4d打印喷头及4d打印设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种环状夹心多材料4D打印喷头，包括喷头本体，所述喷头本体上沿周向设置有多个进料口，所述喷头本体的底端设置有与进料口一一对应的环状同轴的出料口，所述进料口和出料口通过依次内嵌的流道连通。本发明提供的4D打印喷头通过将多个进料口以内嵌流道的方式与出料口同轴化设置，既极大提升了喷头本体空间结构的利用率，又能保证异种材料的相互隔离、互不浸染，同时提高了打印效率与精度。

Description

一种环状夹心多材料4D打印喷头及4D打印设备
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种环状夹心多材料4D打印喷头及4D打印设备。
背景技术
熔融沉积成型(FDM)是一种应用比较广泛的快速成型工艺，它采用加热器将ABS、PLA、PPSF等其他热塑性材料融化为液体，并通过喷头将熔融的热塑性材料挤压成为细丝，根据零件的3D数据模型，通过层层叠加的方式沉积成型，具有制造成本低、环境友好、零件强度高、韧性优良的特点，因而被广泛应用于智能高分子聚合物材料的4D打印研究中。
多材料的4D打印一直是打印领域的技术瓶颈，目前常见的FDM挤出式打印机一般采用增加喷头数量的方法来实现多材料一体化成型，但增加喷头数量将导致相应配套装置(如加热装置)的设计难度加大，且多喷头设置增加了设备的体积占比；其次，多喷头FDM打印机最大的缺陷在于难以在精确的位置及时更换材料，打印速度、精度与效率难以达到更高的水平。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种环状夹心多材料4D打印喷头及4D打印设备，以解决FDM多喷头打印机设备设计复杂、难以精准快速更换打印材料及多喷头挤出材料结合精度低的问题。
本发明提供一种环状夹心多材料4D打印喷头，包括喷头本体，所述喷头本体上沿周向设置有多个进料口，所述喷头本体的底端设置有与进料口一一对应的环状同轴的出料口，所述进料口和出料口通过依次内嵌的流道连通。
进一步地，所述喷头本体上沿周向设置有第一进料口、第二进料口、第三进料口、第四进料口和第五进料口，所述喷头本体的底端设有环状同轴的第一出料口、第二出料口、第三出料口、第四出料口和第五出料口，所述第一进料口和第一出料口通过第一流道连通，所述第二进料口与第二出料口通过第二流道连通，所述第三进料口与第三出料口通过第三流道连通，所述第四进料口与第四出料口通过第四流道连通，所述第五进料口与第五出料口通过第五流道连通，所述第二流道内嵌于第一流道，所述第三流道内嵌于第二流道，所述第四流道内嵌于第三流道，所述第五流道内嵌于第四流道。
进一步地，所述第一流道、第二流道、第三流道、第四流道和第五流道同轴。
进一步地，所述第一流道的内壁与第二流道的外壁之间构成第一腔室，所述第二流道的内壁与第三流道的外壁之间构成第二腔室，所述第三流道的内壁与第四流道的外壁之间构成第三腔室，所述第四流道的内壁与第五流道的外壁之间构成第四腔室；从第一进料口进入的打印材料沿着第一腔室流至第一出料口，从第二进料口进入的打印材料沿着第二腔室流至第二出料口，从第三进料口进入的打印材料沿着第三腔室流至第三出料口，从第四进料口进入的打印材料沿着第四腔室流至第四出料口，从第五进料口进入的打印材料沿着第五流道的内壁流至第五出料口。
进一步地，所述第一进料口、第二进料口、第三进料口、第四进料口和第五进料口的截面为圆形。
进一步地，所述第一流道、第二流道、第三流道、第四流道和第五流道均为倒圆锥形。
进一步地，所述第一流道的底端的截面直径小于第一进料口的截面直径，所述第二流道的底端的截面直径小于第二进料口的截面直径，所述第三流道的底端的截面直径小于第三进料口的截面直径，所述第四流道的底端的截面直径小于第四进料口的截面直径，所述第五流道的底端的截面直径小于第五进料口的截面直径，
进一步地，所述第一腔室、第二腔室、第三腔室、第四腔室和第五流道的体积相同。
进一步地，所述喷头本体的材质为铸铁、黄铜、不锈钢等金属材料或其他耐热非金属材料，所述喷头本体采用增材制造领域内的一般性技术如SLM(Selective lasermelting，选择性激光熔化)、EBM(Electron Beam Melting，电子束熔融)、SLS(SelectiveLaser Sintering，粉末材料选择性激光烧结)等进行一体化成型。
本发明还提供一种包括上述环状夹心多材料4D打印喷头的环状夹心多材料4D打印设备。
利用本发明提供的环状夹心多材料4D打印喷头进行打印的工作过程为：
(1)将各种打印材料在各材料罐中加热至熔融状态；打印材料包括两种及两种以上的SMP(Shape Memory Polymer，形状记忆高分子材料)及粘结剂材料，SMP材料包括热致型SMP材料、电致型SMP材料、光致型SMP材料、磁致型SMP以及化学感应型SMP材料等；光致型SMP材料为聚丙烯酸乙酯、液晶弹性体、交联的聚丙烯脂及含6-N-双螺吡喃的聚氨基甲酸脂-丙烯酸脂嵌段共聚物等具有光致形状记忆效应的材料之一；粘结剂材料为与其他各类型形状记忆高分子材料不产生交联、络合的材料；热致型SMP材料为交联聚乙烯(XL PE)、聚降冰片烯、反式1，4-聚戊二烯(TPI)和聚氨脂(PU)等具有热致形状记忆效应的材料之一；电致SMP材料为金属填充形状记忆聚合物复合材料、炭黑填充形状记忆聚合物复合材料、碳纳米管填充形状记忆聚合物复合材料及碳纤维填充形状记忆聚合物复合材料等具有电致形状记忆效应的材料之一；
(2)将装有光致型SMP材料的材料罐通过管道与第一进料口连接，将装有粘结剂材料的材料罐通过管道分别与第二进料口、第四进料口连接，将装有热致型SMP材料的材料罐通过管道与第三进料口连接，将装有电致型SMP材料的材料罐通过管道与第五进料口连接；
(3)对接完成后，通过与各材料罐连接的气动装置或机械装置将材料罐中的各打印材料以20mm/s至100mm/s的速度从对应的出料口同步挤出至沉积底板上，即光致型SMP材料通过第一腔室流至第一出料口，粘结剂材料分别从第二腔室和第四腔室流至第二出料口和第四出料口，热致型SMP材料从第三腔室流至第三出料口，电致型SMP材料从第五流道流至第五出料口，光致型SMP材料、粘结剂材料、热致型SMP材料、粘结剂材料、电致型SMP材料逐层叠加成型，直至最终试样成形。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：
1.本发明提供的4D打印喷头通过将多个进料口以内嵌流道的方式与出料口同轴化设置，既极大提升了喷头本体空间结构的利用率，又能保证异种材料的相互隔离、互不浸染，同时提高了打印效率与精度；
2.本发明提供的环状夹心多材料4D打印喷头通过气动或机械传动装置控制对不同进料口浆料的推挤或材料罐的更换，既可使从喷头挤出的丝材为各类材料的不同夹心组合，又能使从喷头挤出的丝材为单一材料，为多材料4D打印的多样化成型提供了思路；
3.利用本发明提供的环状夹心多材料4D打印喷头打印成形的形状记忆高分子复合材料经后期的适当训练，能同时具有感光、感温、感电及感磁的复合自感知作用。
附图说明
图1是本发明一种环状夹心多材料4D打印喷头的正视图；
图2是本发明一种环状夹心多材料4D打印喷头的侧视图；
图3是本发明一种环状夹心多材料4D打印喷头的俯视图；
图4是本发明一种环状夹心多材料4D打印喷头的半剖图；
图5为根据本发明环状夹心多材料4D打印喷头成形的形状记忆高分子复合材料示意图；
图6为成形的环状夹心形状记忆高分子复合材料的径向端面图；
图7为成形的环状夹心形状记忆高分子复合材料的轴向剖视图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1-图4，本发明的实施例提供了一种环状夹心多材料4D打印喷头，包括喷头本体10，喷头本体10上沿周向设置有第一进料口101、第二进料口102、第三进料口103、第四进料口104和第五进料口105，喷头本体10的底端设有环状同轴的第一出料口106、第二出料口107、第三出料口108、第四出料口109和第五出料口110，各进料口与各出料口一一对应。
第一进料口101和第一出料口106通过第一流道111连通，第二进料口102与第二出料口107通过第二流道112连通，第三进料口103与第三出料口108通过第三流道113连通，第四进料口104与第四出料口109通过第四流道114连通，第五进料口105与第五出料口110通过第五流道115连通，第二流道112内嵌于第一流道111，第三流道113内嵌于第二流道112，第四流道114内嵌于第三流道113，第五流道115内嵌于第四流道114，第一流道111、第二流道112、第三流道113、第四流道114和第五流道115同轴，且第一流道111、第二流道112、第三流道113、第四流道114、第五流道115的底端处于同一水平面，第一流道111的内壁与第二流道112的外壁之间构成第一腔室116，第二流道112的内壁与第三流道113的外壁之间构成第二腔室117，第三流道113的内壁与第四流道114的外壁之间构成第三腔室118，第四流道114的内壁与第五流道115的外壁之间构成第四腔室119；从第一进料口101进入的打印材料沿着第一腔室116流至第一出料口106，从第二进料102口进入的打印材料沿着第二腔室117流至第二出料口107，从第三进料口103进入的打印材料沿着第三腔室118流至第三出料口108，从第四进料口104进入的打印材料沿着第四腔室119流至第四出料口109，从第五进料口105进入的打印材料沿着第五流道115的内壁流至第五出料口110，实现异种材料相互隔离、互不浸染。
本实施例中，第一进料口101、第二进料口102、第三进料口103、第四进料口104和第五进料口105的截面为圆形，第一进料口101、第二进料口102、第三进料口103、第四进料口104和第五进料口105的截面直径依次为15mm、12.5mm、10mm、7.5mm和5mm；第一进料口101、第二进料口102、第三进料口103、第四进料口104和第五进料口105的端部均设有螺纹，与外部材料罐通过管道连接，可实现不同打印材料的更换。
本实施例中，第一流道111、第二流道112、第三流道113、第四流道114和第五流道115均为倒圆锥形，第一流道111、第二流道112、第三流道113、第四流道114和第五流道115的底端的截面直径依次为5.5mm、4.5mm、3.5mm、2.5mm和1.5mm。
本实施例中，喷头本体1的材质为铸铁、黄铜、不锈钢等金属材料或其他耐热非金属材料，喷头本体1采用增材制造领域内的一般性技术如SLM(Selective laser melting，选择性激光熔化)、EBM(Electron Beam Melting，电子束熔融)、SLS(Selective LaserSintering，粉末材料选择性激光烧结)等进行一体化成型。
利用本实施例提供的4D打印喷头进行打印的过程为：
(1)将使用的粘结剂材料20、热致型SMP材料30、电致型SMP材料40和光致型SMP材料50分别在各材料罐中加热至熔融状态；
(2)将装有光致型SMP材料50的材料罐通过管道与第一进料口101连接，将装有粘结剂材料20的材料罐通过管道分别与第二进料口102、第四进料口104连接，将装有热致型SMP材料30的材料罐通过管道与第三进料口103连接，将装有电致型SMP材料40的材料罐通过管道与第五进料口105连接；
(3)对接完成后，通过与各材料罐连接的气动装置或机械装置将材料罐中的各打印材料以50mm/s的速度从对应的出料口同步挤出至沉积底板上，即光致型SMP材料50通过第一腔室116流至第一出料口106，粘结剂材料20分别从第二腔室117和第四腔室119流至第二出料口107和第四出料口109，热致型SMP材料30从第三腔室118流至第三出料口108，电致型SMP材料40从第五流道115流至第五出料口110，光致型SMP材料50、粘结剂材料20、热致型SMP材料30、粘结剂材料20、电致型SMP材料40逐层叠加成型，直至最终试样成形。
本实施例中，使用的光致型SMP材料50为液晶弹性体；粘结剂材料20为环氧树脂；热致型SMP材料30为交联聚乙烯(XLPE)；电致型SMP材料40为炭黑填充的PLA(polylactide，聚乳酸)复合材料。
利用上述环状夹心多材料4D打印喷头打印成形的形状记忆高分子复合材料见图5，图6为该形状记忆高分子复合材料的径向端面图，图7为该形状记忆高分子复合材料的轴向剖视图。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种环状夹心多材料4D打印喷头，其特征在于，包括喷头本体，所述喷头本体上沿周向设置有多个进料口，所述喷头本体的底端设置有与进料口一一对应的环状同轴的出料口，所述进料口和出料口通过依次内嵌的流道连通。
2.根据权利要求1所述的环状夹心多材料4D打印喷头，其特征在于，所述喷头本体上沿周向设置有第一进料口、第二进料口、第三进料口、第四进料口和第五进料口，所述喷头本体的底端设有环状同轴的第一出料口、第二出料口、第三出料口、第四出料口和第五出料口，所述第一进料口和第一出料口通过第一流道连通，所述第二进料口与第二出料口通过第二流道连通，所述第三进料口与第三出料口通过第三流道连通，所述第四进料口与第四出料口通过第四流道连通，所述第五进料口与第五出料口通过第五流道连通，所述第二流道内嵌于第一流道，所述第三流道内嵌于第二流道，所述第四流道内嵌于第三流道，所述第五流道内嵌于第四流道。
3.根据权利要求2所述的环状夹心多材料4D打印喷头，其特征在于，所述第一流道、第二流道、第三流道、第四流道和第五流道同轴。
4.根据权利要求2所述的环状夹心多材料4D打印喷头，其特征在于，所述第一流道的内壁与第二流道的外壁之间构成第一腔室，所述第二流道的内壁与第三流道的外壁之间构成第二腔室，所述第三流道的内壁与第四流道的外壁之间构成第三腔室，所述第四流道的内壁与第五流道的外壁之间构成第四腔室；从第一进料口进入的打印材料沿着第一腔室流至第一出料口，从第二进料口进入的打印材料沿着第二腔室流至第二出料口，从第三进料口进入的打印材料沿着第三腔室流至第三出料口，从第四进料口进入的打印材料沿着第四腔室流至第四出料口，从第五进料口进入的打印材料沿着第五流道的内壁流至第五出料口。
5.根据权利要求2所述的环状夹心多材料4D打印喷头，其特征在于，所述第一进料口、第二进料口、第三进料口、第四进料口和第五进料口的截面为圆形。
6.根据权利要求2所述的环状夹心多材料4D打印喷头，其特征在于，所述第一流道、第二流道、第三流道、第四流道和第五流道均为倒圆锥形。
7.根据权利要求2所述的环状夹心多材料4D打印喷头，其特征在于，所述第一流道的底端的截面直径小于第一进料口的截面直径，所述第二流道的底端的截面直径小于第二进料口的截面直径，所述第三流道的底端的截面直径小于第三进料口的截面直径，所述第四流道的底端的截面直径小于第四进料口的截面直径，所述第五流道的底端的截面直径小于第五进料口的截面直径。
8.一种环状夹心多材料4D打印设备，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述的环状夹心多材料4D打印喷头。
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