CN113059806A - 一种具有缠绕结构的双组份材料制件及其基于3d打印的制备方法 - Google Patents

一种具有缠绕结构的双组份材料制件及其基于3d打印的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有缠绕结构的双组份材料制件及其基于3D打印的制备方法，本发明是基于FDM 3D打印，通过喷头设计和材料体系的选择实现具有缠绕结构的双组份材料制件的制备，且可通过改变外部进料筒的旋转速度和压力大小实现双组份材料的缠绕度和质量配比，达到微观性能的调控，继而实现宏观上制件中各部位性能的调控。相比于单一组份打印材料，本发明通过引入第二组分材料可弥补第一组分材料在性能上的不足，改善微观沉积线条的性能，从而优化整个打印制件的性能。

Description

一种具有缠绕结构的双组份材料制件及其基于3D打印的制备 方法
技术领域
本发明涉及一种具有缠绕结构的双组份材料制件及其基于3D打印的制备方法，属于增材制造领域。
背景技术
随着电子信息技术的成熟，3D打印也应运而生并大规模普及，开启了无模具制造的时代。《经济学人》杂志曾描述，以3D打印为代表的数字化制造技术将改写制造业的生产方式，进而改变产业链的运作模式。
3D打印，又名增材制造(Additive Manufacturing,AM)出现于20世纪70年代。按照美国材料与试验协会国际标准组织F42增材制造技术委员会给出的定义：3D打印是根据3D模型数据，用材料的层层相连接来制造物体的工艺。其核心就是将所需成型制件的复杂3D实体通过切片处理转化为简单的2D截面的组合，依据制件的3D计算机辅助设计模型，在3D打印设备上直接成型实体制件。3D打印最大的特点是不用模具成型，因此可以省去开模费用，大大降低成本。
熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)是利用高温将材料融化，通过打印头挤出成细丝，在构件平台堆积成型。FDM是最常见的3D打印技术，其工作过程为：在计算机的控制下，按照三维模型确定的制件截面轮廓，打印喷头作水平X方向的运动，构件平台作水平Y方向的运动，同时由送丝机构将热塑性塑料丝送入喷头，受加热后成为可流动的熔体，然后通过喷嘴挤出并沉积在平台上。FDM采用的3D打印材料主要是为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚乳酸(PLA)、聚酰胺(PA)和聚碳酸酯(PC)等。但是这些单一组份的材料打印的产品往往性能比较单一，不能满足多样化的使用需求。比如PLA的韧性比较差，受到冲击时容易开裂。针对这个问题，目前主要是通过对材料本体进行改性来解决。
改性是通过物理、机械和化学等作用使高分子材料原有性能得到改善，但是改性后的材料在3D打印过程中依然在微观上是均一的，不能根据制品的结构和形状在微观上进行材料设计。
CN201810741380.2公开了一种功能化皮芯结构的3D打印线材的制备，其首先采用偶联剂包覆的功能助剂与柔性聚合物经双螺杆挤出机共混得到母粒，再将母粒与PLA共混经单螺杆挤出制成线材。虽然制得的3D打印线材具有皮芯结构，但是在3D打印过程中由于受到喷头的挤压会发生皮层和芯层的融合，沉积线条达不到皮芯结构。
CN201810761848.4公开了一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，其分别将皮层聚合物和芯层聚合物经不同流道输送至3D打印机不同喷嘴的外层和中层挤出制得皮芯结构的双组份材料。但是其中的3D打印机部件多、结构复杂，主要由料仓I、料仓II、螺杆挤出机I、螺杆挤出机II、计量泵I、计量泵II、分配板、喷嘴和多根熔体管道组成，且该发明没有公开喷嘴内部结构。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种基于3D打印可实现制备具有缠绕结构的双组份材料的喷头；本发明的另一个目的是提供一种基于上述喷头制备具有缠绕结构的双组份材料的3D打印方法；本发明的再一个目的是提供一种采用上述3D打印方法制备得到的具有缠绕结构的沉积线条和包括该沉积线条的制件。
在3D打印过程中采用所述喷头得到的沉积线条具有缠绕结构，且可以调节工艺参数实现沉积线条中双组份材料的质量比的控制，同时有效简化3D打印设备的部件，且进一步拓展材料体系；所述缠绕结构还能够在不影响原来的结构的力学性能的基础上，提升其功能性。
本发明目的是通过如下技术方案实现的：
本发明提出了一种用于3D打印的喷头，所述喷头包括内部进料筒、内喷嘴、加热腔、固定滑轨、外喷嘴和外部进料筒；
所述内部进料筒的外围设置加热腔，所述加热腔的外围设置外部进料筒；
所述加热腔的外部和外部进料筒通过固定滑轨连接，且所述外部进料筒可沿加热腔旋转；
所述内部进料筒底部设置内喷嘴，所述外部进料筒底部设置外喷嘴，且所述外喷嘴的出料口设置在内喷嘴的出料口下方。
根据本发明，所述内部进料筒的形状为圆柱形结构，所述圆柱形结构的直径为4-8mm，高度为6-10mm，例如所述圆柱形结构的直径为6mm，高度为8mm。
根据本发明，所述内喷嘴的出料口的开口大小为0.2-0.6mm。
根据本发明，所述外部进料筒的形状为圆环结构，所述圆环结构的外直径为60-80mm，内直径为30-38mm，例如所述圆环结构的外直径为70mm，内直径为34mm；所述外部进料筒的高度为100-120mm；所述外部进料筒的壁厚为1-2mm；圆环结构的外部进料筒的内部通过固定滑轨与加热腔连接。
根据本发明，所述外喷嘴的出料口的开口大小为0.2-0.6mm。
根据本发明，所述外喷嘴的出料口设置在内喷嘴的出料口下方0.2-0.5mm。
根据本发明，所述外部进料筒的轴与内部进料筒的轴重合。
根据本发明，所述固定滑轨通过圆柱形连接件固定在加热腔上，所述外部进料筒可在固定滑轨上自由圆周旋转；例如所述固定滑轨通过圆柱形连接件固定在加热腔距离底部1/4处。
根据本发明，所述外部进料筒上还设置有旋转动力装置，所述旋转动力装置可以控制所述外部进料筒匀速旋转运动，旋转速度为90-720rad/s。
根据本发明，在所述喷头上方设置有步进电机，通过在所述喷头上方设置的步进电机实现内部进料筒内物料的挤出，所述步进电机的转速为50-150r/min。
根据本发明，在所述喷头上方设置有高速电磁阀，通过在所述喷头上方设置的高速电磁阀控制外部进料筒上方的压力，实现外部进料筒内物料的喷出，同时通过旋转动力装置控制外部进料筒围绕内部进料筒作自由圆周旋转，在压力的作用下，外部进料筒的物料从外喷嘴的出料口喷出，并沉积在从内喷嘴的出料口挤出的细丝上，形成缠绕结构。
本发明还提供一种具有缠绕结构的沉积线条，所述沉积线条包括内层和外层，所述外层是通过缠绕的方式在内层表面形成所述缠绕结构，所述沉积线条的缠绕度为1.5-24rad/mm。
根据本发明，所述内层由第一组分材料构成，所述缠绕层由第二组分材料构成，所述第一组分材料和第二组分材料的质量比为1:0-0.5，且第二组分材料的质量不为0。
根据本发明，所述沉积线条通过包括上述用于3D打印的喷头的3D打印设备制备得到的。
本发明还提供一种3D打印方法，所述方法包括如下步骤：
利用上述的用于3D打印的喷头，通过调节步进电机的转速和外部进料筒的旋转速度，以及通过调节步进电机的转速和外部进料筒上方的压力，得到具有缠绕结构的沉积线条。
根据本发明，所述方法进一步包括以下步骤：基于该沉积线条制得制件。
根据本发明，所述方法包括如下步骤：
(1)选择材料体系；
(2)利用上述的喷头进行3D打印，通过调节步进电机的转速和外部进料筒的旋转速度，可实现沉积线条中两组份材料缠绕度的调控；通过调节步进电机的转速和外部进料筒上方的压力，可实现沉积线条中两组份材料配比的调控，得到具有缠绕结构的沉积线条；基于该沉积线条制得制件。
本发明还提供一种制件，所述制件包括上述的具有缠绕结构的沉积线条。
根据本发明，所述制件是基于FDM 3D打印，通过上述喷头制备得到的。具体的，所述制件是基于上述3D打印方法制备得到的。
本发明的有益效果为：
本发明提供了一种具有缠绕结构的双组份材料制件及其基于3D打印的制备方法，本发明是基于FDM 3D打印，通过喷头设计和材料体系的选择实现具有缠绕结构的双组份材料制件的制备，且可通过改变外部进料筒的旋转速度和压力大小实现双组份材料的缠绕度和质量配比，达到微观性能的调控，继而实现宏观上制件中各部位性能的调控。相比于单一组份打印材料，本发明通过引入第二组分材料可弥补第一组分材料在性能上的不足，改善微观沉积线条的性能，从而优化整个打印制件的性能。
附图说明
图1是本发明一个优选方案所述的喷头的主视图。
图2是本发明一个优选方案所述的喷头的A-A剖面图。
图3是本发明一个优选方案所述的喷头的左视图。
图4是本发明一个优选方案所述的喷头的B-B剖面图。
图5是本发明一个优选方案所述的喷头的仰视图。
图6是实施例6制备得到的制件的导热系数测试曲线。
具体实施方式
[3D打印的喷头]
如前所述，本发明提出了一种用于3D打印的喷头，所述喷头包括内部进料筒、内喷嘴、加热腔、固定滑轨、外喷嘴和外部进料筒；
所述内部进料筒的外围设置加热腔，所述加热腔的外围设置外部进料筒；
所述加热腔的外部和外部进料筒通过固定滑轨连接，且所述外部进料筒可沿加热腔旋转；
所述内部进料筒底部设置内喷嘴，所述外部进料筒底部设置外喷嘴，且所述外喷嘴的出料口设置在内喷嘴的出料口下方。
本发明中，所述的下方是指更靠近地面的地方。
在一个具体实施方式中，所述加热腔的形状没有特别的限定，所述加热腔内部设置加热器，所述加热器例如可以是加热棒，所述加热腔设置的目的是为了给内部进料筒内的物料加热，使其熔融并被挤出；例如，所述加热腔为长方体结构、正方体结构、圆柱形结构、甚至是其他的异性结构均可。例如所述加热腔是尺寸为30mm*20mm*15mm的长方体结构。
在一个具体实施方式中，所述内部进料筒的形状为圆柱形结构，所述圆柱形结构的直径为4-8mm，高度为6-10mm，例如所述圆柱形结构的直径为6mm，高度为8mm。
在一个具体实施方式中，所述内部进料筒底部连接内喷嘴，所述内喷嘴的出料口的开口大小可以根据待熔融沉积的物料的不同进行调整，例如为0.2-0.6mm，如0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm或0.6mm。
在一个具体实施方式中，所述内部进料筒的内壁上设置聚四氟乙烯层，或者选用聚四氟乙烯管作为内部进料筒，以保证热塑性丝材不会粘附在内部进料筒的内壁上。
在一个具体实施方式中，所述外部进料筒的形状为圆环结构，所述圆环结构的外直径为60-80mm，内直径为30-38mm，例如所述圆环结构的外直径为70mm，内直径为34mm；所述外部进料筒的高度为100-120mm；所述外部进料筒的壁厚为1-2mm；圆环结构的外部进料筒的内部通过固定滑轨与加热腔连接。
在一个具体实施方式中，所述外部进料筒底部连接外喷嘴，所述外喷嘴的出料口的开口大小可以根据待熔融沉积的物料的不同进行调整，例如为0.2-0.6mm，如0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm或0.6mm。
在一个具体实施方式中，所述外喷嘴的出料口设置在内喷嘴的出料口下方0.2-0.5mm。
在一个具体实施方式中，所述内喷嘴的出料口与垂直方向相切，有利于减少进料阻力，保证打印顺畅度，同时可以降低热塑性高分子的挤出胀大效应，提升打印尺寸的精准度。
在一个具体实施方式中，所述外部进料筒的轴与内部进料筒的轴重合。
在一个具体实施方式中，所述固定滑轨通过圆柱形连接件固定在加热腔上，所述外部进料筒可在固定滑轨上自由圆周旋转；例如所述固定滑轨通过圆柱形连接件固定在加热腔距离底部1/4处。
在一个具体实施方式中，所述圆柱形连接件的数量没有特别的限定，保证固定滑轨和加热腔固定连接即可，例如所述圆柱形连接件为3-6个，且在固定滑轨上呈360°均匀分布；所述圆柱形连接件的直径为2-3mm。
在一个具体实施方式中，通过控制外部进料筒在固定滑轨上的旋转，实现对内部进料筒和外部进料筒的相对运动，从而制备得到具有缠绕结构的双组份材料。
在一个具体实施方式中，为了保证外部进料筒在固定滑轨上旋转的稳定性，所述外部进料筒上还设置有旋转动力装置，所述旋转动力装置可以控制所述外部进料筒匀速旋转运动，旋转速度为90-720rad/s。
在一个具体实施方式中，在所述喷头上方设置有步进电机，通过在所述喷头上方设置的步进电机实现内部进料筒内物料的挤出。所述物料例如是热塑性聚合物丝材，该物料在加热腔的加热作用下，熔融塑化成为熔体，并通过内部进料筒进入内喷嘴，在步进电机施与物料的压力下挤出成细丝，所述步进电机的转速为50-150r/min。
在一个具体实施方式中，在所述喷头上方设置有高速电磁阀，通过在所述喷头上方设置的高速电磁阀控制外部进料筒上方的压力，实现外部进料筒内物料的喷出，同时通过旋转动力装置控制外部进料筒围绕内部进料筒作自由圆周旋转，在压力的作用下，外部进料筒的物料从外喷嘴的出料口喷出，并沉积在从内喷嘴的出料口挤出的细丝上，形成缠绕结构。通过改变旋转速度、压力大小，可实现两种材料的缠绕度和配比；例如，所述压力为1-10MPa，在这个压力范围调整可实现两种材料的缠绕度和配比的控制；再例如，所述旋转速度为90-720rad/s，在这个速度范围调整，或者进一步与上述压力范围调整配合，可实现两种材料的缠绕度和配比的控制。
[材料体系]
本发明还提供一种适用于3D打印的材料体系，所述材料体系包括第一组分材料和第二组分材料，所述第一组分材料包括热塑性聚合物；所述第二组分材料包括溶解在溶剂中的热塑性聚合物或可反应生成热固性聚合物。
在一个具体实施方式中，为了第一组分材料和第二组分材料能够更好的结合，对第一组分材料进行增粘改性。所述第一组分材料中还包括萜烯树脂或氢化萜烯树脂，其加入量为2wt％-8wt％，所述萜烯树脂或氢化萜烯树脂的引入可有效改善第一组分材料和第二组分材料的结合力。
在一个具体实施方式中，为了使喷射连续且顺畅，所述第二组分材料在室温下的动力黏度为200-1500cP。
在一个具体实施方式中，所述第一组分材料选自聚碳酸酯(PC)，所述第二组分材料选自溶解在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中的热塑性聚氨酯(TPU)，且所述第一组分材料和第二组分材料的质量比为1:0-0.5，且第二组分材料的质量不为0。示例性地，所述聚碳酸酯虽然强度大、刚性好，但是韧性不足，通过TPU缠绕可大大提升韧性。
在一个具体实施方式中，所述第一组分材料选自热塑性聚氨酯，所述第二组分材料选自环氧树脂(EP)和胺类固化剂的组合物，且所述第一组分材料和第二组分材料的质量比为1:0-0.33，且第二组分材料的质量不为0。通过环氧树脂的固化缠绕可大幅度提升强度和模量。
在一个具体实施方式中，所述第二组分材料选自溶解在溶剂中的热塑性聚合物时，其从外部喷嘴出来后遇到熔融的第一组分材料，受热溶剂蒸发而沉积在第一组分材料的表面；所述第二组分材料选自可反应生成热固性聚合物，其从外部喷嘴出来后受热加速反应而固化在第一组分材料表面。
在一个具体实施方式中，所述第一组分材料通过均匀混合再经过双螺杆挤出机塑化并造粒，然后通过单螺杆挤出机拉丝，拉出的丝直径为1.75mm。
在一个具体实施方式中，所述材料体系可以通过上述喷头打印得到具有缠绕结构的沉积线条和包括该沉积线条的制件。
[3D打印方法]
本发明还提供一种3D打印方法，所述方法包括如下步骤：
利用上述的3D打印喷头，通过调节步进电机的转速和外部进料筒的旋转速度，以及通过调节步进电机的转速和外部进料筒上方的压力，得到具有缠绕结构的沉积线条。
进一步的，所述方法还包括：基于该沉积线条制得制件。
示例性地，所述方法包括如下步骤：
(1)选择合适的材料体系；
(2)利用上述的喷头进行3D打印，通过调节步进电机的转速和外部进料筒的旋转速度，可实现沉积线条中两组份材料缠绕度的调控；通过调节步进电机的转速和外部进料筒上方的压力，可实现沉积线条中两组份材料配比的调控，得到具有缠绕结构的沉积线条；基于该沉积线条制得制件。
根据本发明，所述外部进料筒上方的压力为1-10MPa，所述外部进料筒的旋转速度为90-720rad/s，所述步进电机的转速为50-150r/min。
例如，在步进电机的转速一定的情况下，提高外部进料筒的旋转速度，沉积线条中两组份材料缠绕度越高。
[具有缠绕结构的沉积线条]
本发明还提供一种具有缠绕结构的沉积线条，所述沉积线条包括内层和外层，所述外层是通过缠绕的方式在内层表面形成所述缠绕结构，所述沉积线条的缠绕度为1.5-24rad/mm。
在一个具体实施方式中，所述内层由第一组分材料构成，所述缠绕层由第二组分材料构成，所述第一组分材料和第二组分材料的质量比为1:0-0.5，且第二组分材料的质量不为0。
在一个具体实施方式中，所述沉积线条通过上述的3D打印的喷头制备得到的。具体的，所述沉积线条是上述的适用于3D打印的材料体系通过上述的基于3D打印的喷头制备得到的。
在一个具体实施方式中，所述第一组分材料作为内组分材料加入到上述的喷头的内部进料筒中；所述第二组分材料作为外组分材料加入到上述的喷头的外部进料筒中；在打印过程中，所述第二组分材料缠绕在所述第一组分材料的外表面，形成具有缠绕结构的沉积线条。
在一个具体实施方式中，所述沉积线条的缠绕度指第二组份材料在单位长度的第一组份材料上的缠绕圈数。
[制件]
本发明还提供一种制件，所述制件包括上述的具有缠绕结构的沉积线条。
在一个具体实施方式中，所述制件是基于FDM 3D打印，通过上述喷头制备得到的。
在一个具体实施方式中，所述制件是基于上述的3D打印方法制备得到的。
在一个具体实施方式中，所述制件可以根据实际需要，通过改变第一组分材料和第二组分材料的缠绕度或质量比，而实现微观性能上的调控，继而实现宏观上制件中各部位性能的调控。
下文将结合具体实施例对本发明的制备方法做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
下述实施例中所使用的喷头如下：
喷头包括内部进料筒、内喷嘴、加热腔、固定滑轨、外喷嘴和外部进料筒；所述内部进料筒的外围设置加热腔，所述加热腔的外围设置外部进料筒；所述加热腔的外部和外部进料筒通过固定滑轨连接，且所述外部进料筒可沿加热腔旋转；所述内部进料筒底部设置内喷嘴，所述外部进料筒底部设置外喷嘴，且所述外喷嘴的出料口设置在内喷嘴的出料口下方。所述加热腔是尺寸为30mm*20mm*15mm的长方体结构。
所述内部进料筒的形状为圆柱形结构，所述圆柱形结构的直径为6mm，高度为8mm，所述内部进料筒的内壁上设置聚四氟乙烯层。所述内部进料筒底部连接内喷嘴，所述内喷嘴的出料口的开口大小为0.4mm。
所述外部进料筒的形状为圆环结构，所述圆环结构的外直径为70mm，内直径为34mm；所述外部进料筒的高度为120mm；所述外部进料筒的壁厚为1mm；圆环结构的外部进料筒的内部通过固定滑轨与加热腔连接。所述外部进料筒底部连接外喷嘴，所述外喷嘴的出料口的开口大小为0.2mm。所述外喷嘴的出料口设置在内喷嘴的出料口下方0.3mm。
所述外部进料筒的轴与内部进料筒的轴重合。
所述固定滑轨通过4个直径为2mm的圆柱形连接件固定在加热腔距离底部1/4处，且圆柱形连接件在固定滑轨上呈360°均匀分布。
所述外部进料筒上还设置有旋转动力装置，所述旋转动力装置可以控制所述外部进料筒匀速旋转运动。
在所述喷头上方设置有步进电机，通过在所述喷头上方设置的步进电机实现内部进料筒内物料的挤出。所述物料例如是热塑性聚合物丝材，该物料在加热腔的加热作用下，熔融塑化成为熔体，并通过内部进料筒进入内喷嘴，在步进电机施与物料的压力下挤出成细丝。
在所述喷头上方设置有高速电磁阀，通过在所述喷头上方设置的高速电磁阀精准控制外部进料筒上方的压力，实现外部进料筒内物料的喷出，同时通过旋转动力装置控制外部进料筒围绕内部进料筒作自由圆周旋转，在压力的作用下，外部进料筒的物料从外喷嘴的出料口喷出，并沉积在从内喷嘴的出料口挤出的细丝上，形成缠绕结构。
对比例1
采用市场上商业化的单喷头单组份材料3D打印机(Ultimaker 2+)进行PC的打印，PC牌号为Makrolon 2405，Covestro。
3D打印参数设置：喷头出口直径0.4mm，打印温度为290℃，平台温度50℃，填充度为100％，每层厚度0.2mm。
对比例2
通过双螺杆挤出机熔融塑化PC和TPU的组合物，并挤出造粒，PC和TPU的质量比为4:1，并添加柠檬酸三丁酯，占总质量的1.2wt％。然后通过单螺杆挤出机制备成1.75mm的线材。采用市场上商业化的单喷头单组份材料3D打印机进行组合物的打印。PC牌号为Makrolon 2405，Covestro；TPU牌号为Desmopan 1080A，Covestro，柠檬酸三丁酯购自阿拉丁。
3D打印参数设置：喷头出口直径0.4mm，打印温度为290℃，平台温度50℃，填充度为100％，每层厚度0.2mm。
实施例1
采用上述的喷头进行3D打印，A组份(第一组分材料，下同)为PC，牌号为Makrolon2405，Covestro。B组份(第二组分材料，下同)为TPU的DMF溶液，室温下溶液动力粘度为220cP。TPU牌号为Desmopan 1080A，Covestro。溶液组成为：18wt％TPU、1.2wt％柠檬酸三丁酯、81.8wt％DMF。
3D打印参数设置：打印温度为290℃，平台温度50℃，填充度为100％，每层厚度0.2mm，旋转速度为240rad/s，压力为4MPa，步进电机的转速为100r/min。使得沉积线条中PC和TPU两组份比例为4:1，缠绕度为4.6rad/min。
实施例2
其他操作同实施例1，区别仅在于调整旋转速度为480rad/s，压力为4MPa，步进电机的转速为100r/min。使得沉积线条中PC和TPU两组份比例为4:1，缠绕度为9.2rad/min。
实施例3
其他操作同实施例1，区别仅在于调整压力为8MPa，步进电机的转速为100r/min，使得沉积线条中PC和TPU两组份比例为5:2，缠绕度为4.6rad/min。
实施例4
其他操作同实施例1，区别仅在于调整A组份为增粘改性的PC，增粘剂的质量份数为5wt％。增粘剂为氢化萜烯树脂，购自上海三连石化。
按ISO527、ISO179标准分别测试对比例1-2和实施例1-4制备得到的样条的拉伸性能和简支梁缺口冲击强度，结果如下表1所示：
表1对比例1-2和实施例1-4制备得到的样条的性能参数
拉伸强度/MPa 拉伸模量/MPa 简支梁缺口冲击强度/J/m<sup>2</sup>
对比例1 57.2 2010 27.8
对比例2 38.2 1384 39.5
实施例1 56.3 1926 39.8
实施例2 56.9 1982 42.3
实施例3 55.0 1853 49.3
实施例4 59.3 1789 40.2
从表1中数据可以看出，比较对比例1、对比例2和实施例1，通过喷头设计引入TPU在PC表面形成缠绕结构，在提升样条韧性的同时，不降低其拉伸性能。
比较实施例1和实施例2，改变喷嘴的旋转速度，实现在两组份配比一样的基础上改变缠绕度，有利于TPU在PC表面的均匀分布，对样条的韧性提升有一定帮助；
比较实施例1和实施例3，改变压力大小，实现在缠绕度一样的基础上改变两组份配比，可进一步提升样条的韧性；
比较实施例1和实施例4，对PC进行增粘改性后，可增加相邻沉积线条及PC和TPU之间的结合力，进而提升样条的拉伸性能和韧性。
对比例3
其他同对比例1，区别仅在于采用市场上商业化的单喷头单组份材料3D打印机进行TPU的打印，TPU牌号为Desmopan 1080A，Covestro。
实施例5
其他操作同实施例1，区别仅在于调整A组份为TPU，TPU牌号为Desmopan 1080A，Covestro；B组份为环氧树脂和固化剂，两者质量比例为100:12，其中环氧树脂为E51(购买自惠柏新材料科技(上海)股份有限公司)，固化剂为四乙烯五胺(购买自阿拉丁)，动力黏度通过稀释剂调节至在室温下250cP。
同时调整压力为5MPa，步进电机的转速为100r/min，使得沉积线条中TPU和环氧树脂两组份比例为4:1，缠绕度为4.6rad/min。
按ISO527标准测试对比例3和实施例5制备得到的样条的拉伸性能，结果如下表2所示：
表2对比例3和实施例5制备得到的样条的性能参数
拉伸强度/MPa 断裂伸长率/％
对比例3 15.3 550
实施例5 26.4 360
从表2中数据可以看出，比较对比例3和实施例5，通过喷头设计引入环氧树脂在TPU表面形成缠绕结构，可大幅度提升样条的力学性能。
实施例6
A组份为PC，牌号为Makrolon 2405，Covestro。B组份为氮化铝(AlN，购买自阿拉丁，粒径1微米)颗粒掺杂的TPU的DMF溶液。TPU牌号为Desmopan1080A，Covestro。溶液组成为：20wt％TPU、3wt％柠檬酸三丁酯、77wt％DMF。AlN的填充量为溶液总质量的40wt％，混合物在室温下的动力黏度为640cP。采用本发明的喷头进行3D打印，参数设置：打印温度为290℃，平台温度50℃，填充度为100％，每层厚度0.2mm，旋转速度为240rad/s。通过压力控制，使得A组份和B组份的比例按照打印层数递增从1:0线性渐变至1:1。打印得到长40mm、宽10mm、高6mm的长方体，采用热线法测试制件不同层的导热系数。
从图6可以看出，在打印过程中由于进行两种组份材料配比的改变，从而实现打印出来的沉积线条微观结构和组成不一样，进而实现整个制件中不同部位的宏观性能不一样。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于3D打印的喷头，其中，所述喷头包括内部进料筒、内喷嘴、加热腔、固定滑轨、外喷嘴和外部进料筒；
所述内部进料筒的外围设置加热腔，所述加热腔的外围设置外部进料筒；
所述加热腔的外部和外部进料筒通过固定滑轨连接，且所述外部进料筒可沿加热腔旋转；
所述内部进料筒底部设置内喷嘴，所述外部进料筒底部设置外喷嘴，且所述外喷嘴的出料口设置在内喷嘴的出料口下方。
2.根据权利要求1所述的喷头，其中，所述内部进料筒的形状为圆柱形结构，所述圆柱形结构的直径为4-8mm，高度为6-10mm，例如所述圆柱形结构的直径为6mm，高度为8mm。
优选地，所述内喷嘴的出料口的开口大小为0.2-0.6mm。
3.根据权利要求1或2所述的喷头，其中，所述外部进料筒的形状为圆环结构，所述圆环结构的外直径为60-80mm，内直径为30-38mm，例如所述圆环结构的外直径为70mm，内直径为34mm；所述外部进料筒的高度为100-120mm；所述外部进料筒的壁厚为1-2mm；圆环结构的外部进料筒的内部通过固定滑轨与加热腔连接。
优选地，所述外喷嘴的出料口的开口大小为0.2-0.6mm。
优选地，所述外喷嘴的出料口设置在内喷嘴的出料口下方0.2-0.5mm。
优选地，所述外部进料筒的轴与内部进料筒的轴重合。
4.根据权利要求1-3任一项所述的喷头，其中，所述固定滑轨通过圆柱形连接件固定在加热腔上，所述外部进料筒可在固定滑轨上自由圆周旋转；例如所述固定滑轨通过圆柱形连接件固定在加热腔距离底部1/4处。
5.根据权利要求1-4任一项所述的喷头，其中，所述外部进料筒上还设置有旋转动力装置。
优选地，在所述喷头上方设置有步进电机，通过在所述喷头上方设置的步进电机实现内部进料筒内物料的挤出。
优选地，在所述喷头上方设置有高速电磁阀。
6.一种具有缠绕结构的沉积线条，其中，所述沉积线条包括内层和外层，所述外层是通过缠绕的方式在内层表面形成所述缠绕结构，所述沉积线条的缠绕度为1.5-24rad/mm。
7.根据权利要求6所述的具有缠绕结构的沉积线条，其中，所述内层由第一组分材料构成，所述缠绕层由第二组分材料构成，所述第一组分材料和第二组分材料的质量比为1:0-0.5，且第二组分材料的质量不为0。
优选地，所述沉积线条通过包括权利要求1-5任一项所述的用于3D打印的喷头的3D打印设备制备得到。
8.一种3D打印方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
利用权利要求1-5任一项所述的3D打印喷头，通过调节步进电机的转速和外部进料筒的旋转速度，以及通过调节步进电机的转速和外部进料筒上方的压力，得到具有缠绕结构的沉积线条。
优选地，所述方法进一步包括：基于该沉积线条制得制件。
9.根据权利要求8所述的3D打印方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)选择材料体系；
(2)利用权利要求1-5任一项所述的3D打印喷头进行3D打印，通过调节步进电机的转速和外部进料筒的旋转速度，可实现沉积线条中两组份材料缠绕度的调控；通过调节步进电机的转速和外部进料筒上方的压力，可实现沉积线条中两组份材料配比的调控，得到具有缠绕结构的沉积线条；基于该沉积线条制得制件。
10.一种制件，所述制件包括权利要求6或7所述的具有缠绕结构的沉积线条。
优选地，所述制件是基于FDM 3D打印，通过权利要求1-5任一项所述的3D打印的喷头制备得到的。
优选地，所述制件是基于权利要求8或9所述的3D打印方法制得的。
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