CN113085166A - 一种环状夹心喷嘴、4d打印系统、方法及其产品 - Google Patents

Abstract

本发明属于4D打印相关技术领域，并公开了一种环状夹心喷嘴、4D打印系统、方法及其产品。该喷嘴包括多个同心圆环，相邻的圆环之间的环状间隙作为出料口，以此形成多个环状的出料口。4D打印系统包括上述所述的喷嘴、速度传感器和控制器，其中，所述速度传感器用于检测所述碰嘴中每个出料口中材料的挤出速度，并将速度反馈给所述控制器；所述控制器根据速度传感器反馈所述挤出速度调节每个出料口的挤出速度，使得每个出料口的挤出速度相同。本发明还公开了相应的打印方法和产品。通过本发明，实现多种材料以相同的速度同时挤出，以此形成多材料的环状夹心结构，该方法适用于上述环状夹心结构的成形，尤其适用于仿神经纤维产品的制备。

Description

一种环状夹心喷嘴、4D打印系统、方法及其产品

技术领域

本发明属于4D打印相关技术领域，更具体地，涉及一种环状夹心喷嘴、4D打印系统、方法及其产品。

背景技术

随着社会的发展和人民日益增长的智能机器人需求，现代科学技术对机器人技术提出了新的挑战。机器人在未来会抛开“钢筋铁骨”工业化刻板映像，向“有血有肉”轻盈灵动的真正意义上的类人“工程生命体”发展。其中传感器是机器人系统种最关键的最主要的器件之一。传感器是机器人获取信息的源头，充当了机器人的眼、耳、口、鼻以及触觉感知作用。而将所有传感器信息汇聚的系统相比来说更为关键，在生物体中，进行信息收集、存储和处理的则是生物的神经系统。因此，类比于生物体，模拟开发出类似的仿神经系统来进行信息收集、存储和处理，能够为构建未来的类人仿生机器人提供核心部件，使类人仿生机器人更加轻盈灵动。

神经系统(nervous system)是机体内对生理功能活动的调节起主导作用的系统，主要由神经组织组成，分为中枢神经系统和周围神经系统两大部分。神经纤维的主要机能是传导神经冲动。各种神经纤维传导的速度不同，大致在每秒3～120米之间。把感受器的神经冲动传到中枢神经系统的，叫传入纤维；把中枢神经系统的冲动传到效应器官的，叫传出纤维。全部由传入纤维组成的纤维束叫感觉神经；全部由传出纤维组成的纤维束叫运动神经；兼有传入和传出两种纤维的纤维束叫混合神经。神经纤维由神经元的轴突或长的树突以及包裹在轴突外的髓鞘构成。而神经元的轴突或树突则被神经元细胞膜分为内外两部分，膜内外处于电势平衡状态，当有神经递质释放改变内外电势差，即形成神经冲动，完成信号传递。

在充分了解了神经纤维的传递机制后，可据此进行仿生神经的设计和制造。依据神经纤维的信号传递机制构成，需要将仿神经纤维设计成环状夹心结构。然而目前来说，对于这种环状夹心结构的多材料3D打印制造来说，仍然具有较大困难。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种环状夹心喷嘴、4D打印系统、方法及其产品，其通过设计环状夹心的喷嘴结构，实现多种材料以相同的速度同时挤出，以此形成多材料的环状夹心结构，该方法适用于上述环状夹心结构的成形，尤其适用于仿神经纤维产品的制备，并且对应的打印系统结构简单，成形方法高效，成形获得的产品精度高。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种环状夹心喷嘴，该喷嘴包括多个同心圆环，相邻的圆环之间的环状间隙作为出料口，以此形成多个环状的出料口。

进一步优选地，相邻的所述同心圆环之间的间距相同，以此使得所述出料口的厚度相同。

进一步优选地，所述喷嘴上设置有多个进料口，与所述出料口一一对应。

按照本发明的另一个方面，提供了一种环状夹心多材料4D打印系统，该4D打印系统包括权上述所述的喷嘴、速度传感器和控制器，其中，

所述速度传感器用于检测所述碰嘴中每个出料口中材料的挤出速度，并将速度反馈给所述控制器；所述控制器根据速度传感器反馈所述挤出速度调节每个出料口的挤出速度，使得每个出料口的挤出速度相同。

进一步优选地，所述喷嘴的每个出料口中设置为不同的材料，以此实现多材料的同时挤出。

进一步优选地，所述4D打印系统中还包括温度传感器和压力传感器，其中，所述温度传感器用于测量每个出料口中每种材料的温度，并将其反馈给所述控制器，所述压力传感器用于测量每个出料口中材料所受到的压力，并将其反馈给所述控制器。

进一步优选地，所述4D打印系统中还包括驱动单元，用于驱动不同材料在所述喷嘴中流动。

进一步优选地，所述4D打印系统的控制器设置有计算模块，该计算模块根据所述温度传感器、压力传感器和速度传感器分别反馈的温度、压力和速度，以及材料特性计算出每种材料以相同的速度流动所需的推进力，并将该推进力反馈给所述驱动单元，所述驱动单元以相应的推进力驱动材料流动，以此实现不同出料口的材料以相同的速度同时挤出。

按照本发明的又一个方面，提供了一种利用上述所述的打印系统进行4D打印的方法，在3D打印过程中，采用所述喷嘴实现多种材料的同时且相同速度的挤出。

按照本发明的再一个方面，提供了一种上述所述的方法制备获得的产品。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

1.本发明采用的环状夹心多材料喷嘴，通过设置多层同心圆环，对应多个出料口，可以实现相同或者不同材料的同时挤出，每个出料口的厚度相同，使得各个出料口受到的阻力尽量相同，促进每个出料口的挤出速度相同；

2.本发明中采用的4D打印系统中通过设置速度传感器检测喷嘴中每个出料口的挤出速度，以此控制每个出料口中的速度并使其相等，实现不同材料同时且相同速度的挤出，为了实现不同出料口的挤出速度一致，具体通过反馈回的温度信号、速度信号、压力信号，借助计算模块分析，控制伺服驱动单元给伺服电机设置不同的角速度让动力装置产生不同的推进力，使得不同材料流体能够在流体通道中以相同速度进行流动，形成了一种反馈控制系统，克服了高温下流体产生的背压以及不同材料流体受到阻力不同的技术问题，使得四种不同的流体材料以相同速度在喷嘴处喷出形成一种新的环状夹心结构。

3.本发明中提供的4D成型系统可以实现相同材料或者多种不同材料的环状夹心结构的成型，尤其适用于仿神经纤维产品的成型，成型方法简单便捷，适用范围广，成本低。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例中所构建的环状夹心喷嘴的结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例中所构建的4D打印系统的结构示意图；

图3是按照本发明的优选实施例中所构建的不同材料在喷嘴中汇合的截面示意图；

图4是按照本发明的优选实施例中所构建的推进机构连接关系示意图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-出料口，2-进料口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明所要解决的技术问题是提供一种环状夹心多材料的4D打印推进装置控制系统，其能够有效的控制高温熔融状态下四种材料的压力状况，消除背压影响，使多种材料在不同的流体通道中以相同速度进行流动并且以同一速度到达同一流体通道，在该流体通道中形成一种多材料构成的夹心环状多材料结构。此推进压力控制系统的有效设计能够显著提高4D打印质量，保障高精度计量工艺水准，确保4D打印产品的质量稳定性。

如图1所示，一种环状夹心喷嘴，该喷嘴包括多个同心圆环，相邻的圆环之间的环状间隙作为出料口1，以此形成多个环状的出料口1；每个同心圆环之间的间距相同，以此使得出料口的厚度相同；喷嘴上设置有多个进料口2，与出料口1一一对应。

如图2所示，一种环状夹心多材料4D打印推进系统包括控制器、驱动单元、动力装置、喷嘴。其中，控制器包含有计算模块，动力装置中设有温度传感器、背压传感器，喷嘴处设有速度传感器、压力传感器。控制器的计算模块会根据喷嘴处的速度传感器反馈的速度参数与用户设定好的速度参数进行比较，从而通过温度传感器、压力传感器以及材料的属性参数计算出推进力，并且将信号传递给驱动单元，推进不同材料运动，使得他们在喷嘴处以同一运动速度喷出，形成一种环状夹心多材料结构。

本实施例中，采用的是四种材料，且驱动单元采用的螺杆驱动，在四种材料流体运动之前，螺杆处的背压传感器会将压力参数反馈给控制器，同时四种不同流体材料在流体通道中的温度会通过温度传感器将温度参数反馈给控制器，此时，计算模块时刻会根据反馈回的压力参数、温度参数，喷嘴处不同流体反馈回的速度参数，以及不同材料的性质参数计算出四种材料的推进力大小，从而控制四种不同材料，使得四种材料在喷嘴处的喷出速度为设定值。当喷嘴处的材料流体速度高于设定值时，推进机构中的控制模块会收到喷嘴处速度传感器反馈回的速度信号，通过驱动单元减小推进压力，控制喷嘴处材料流体速度为用户设定值。当喷嘴处的材料流体速度低于用户设定值时，相应增加驱动多单元的推进压力，以此提高喷嘴处的流速。

进一步地，驱动单元选通过螺杆推动流体从喷嘴喷出，控制器通过控制伺服电机轴转动的角速度，传递给螺杆不同的进给速度。

进一步地，温度传感器使用热敏电阻温度传感器。

本发明在3D打印过程中，控制器通过反馈回的温度信号、速度信号、压力信号，借助计算模块分析，控制驱动单元产生不同的推进力，使得不同材料流体能够在流体通道中以相同速度进行流动，形成了一种反馈控制系统。克服了高温下流体产生的背压以及不同材料流体受到阻力不同的技术问题，使得四种不同的流体材料以相同速度在喷嘴处喷出形成一种新的环状夹心结构。

如图3所示，使用名称材料A、材料B、材料C、材料D来分别代表四种不同的材料。材料A、材料B、材料C、材料D分别从图中所示标号为通道3、4、5、6处进入，并且以均匀速度在流体通道中进行流动，四种不同材料最终通过喷嘴以同一速度流出汇合形成一种环状夹心多材料结构。

启动打印设备前，用户需要设定喷嘴处材料喷出速度参数，并且选择各材料对应属性参数输入到控制器计算模块中。启动打印设备后，此时控制器会按照初始设置好的推进信号传递给推进机构，使其开始推动材料缸中不同材料运动，在材料A、材料B、材料C、材料D开始流动的瞬间，压力传感器会将四种材料的推进机构受到的背压通过压力传感器反馈到控制器中。在四种不同材料开始流动后，四种材料的速度和温度参数动态反馈到控制器中，根据反馈回的参数会动态调整四种材料流动的推进力。调整过程下面以材料A为例，其他三种材料调整方法可参照材料A。当材料A流体速度高于用户设定值，控制器就会得到响应，根据传感器反馈回材料A的温度信号、背压信号、压力信号，以及材料A的属性参数通过计算模块分析，改变控制器给予驱动单元的信号，从而改变推进装置A中伺服电机转动的角速度控制驱动材料A的动力装置减小压力供给，控制喷嘴处材料A流体材料速度回到用户设定值，达到一个动态平衡的过程。当材料A流体速度低于用户设定值，调整方法可参照材料A流体速度高于用户设定值的调整方法。控制材料A、材料B、材料C、材料D在流体通道中以相同速度流动之后，四种材料将在如图3所示流体通道3、4、5、6截面处汇合于喷嘴流体通道中，通道3、4、5、6互不干涉，在喷嘴处通道四种材料以相同速度从喷嘴口喷出，由于材料A、B、C、D之间的粘性，会迅速粘在一起形成一种多材料的环状夹心结构。

如图4所示，是驱动单元与材料缸，温度传感器、速度传感器和压力传感器、喷嘴之间的连接关系。驱动单元在收到控制器发出的不同信号，会控制伺服电机轴转动的角速度，角速度的大小会控制螺杆的进给速度，从而提供给流体材料不同的推进力。当速度传感器检测到材料A流动速度高于用户设定值时，控制器会根据接收到的传感器信号改变驱动单元驱动信号，伺服电机在收到伺服驱动单元信号后会降低角速度，螺杆推进力对应减小，直至材料A流动速度降低到用户设定值。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种环状夹心喷嘴，其特征在于，该喷嘴包括多个同心圆环，相邻的圆环之间的环状间隙作为出料口，以此形成多个环状的出料口。

2.如权利要求1所述的一种环状夹心喷嘴，其特征在于，相邻的所述同心圆环之间的间距相同，以此使得所述出料口的厚度相同。

3.如权利要求1所述的一种环状夹心喷嘴，其特征在于，所述喷嘴上设置有多个进料口，与所述出料口一一对应。

4.一种用于环状夹心多材料打印的4D打印系统，其特征在于，该4D打印系统包括权利要求1-3任一项所述的喷嘴、速度传感器和控制器，其中，

所述速度传感器用于检测所述碰嘴中每个出料口中材料的挤出速度，并将速度反馈给所述控制器；所述控制器根据速度传感器反馈所述挤出速度调节每个出料口的挤出速度，使得每个出料口的挤出速度相同。

5.如权利要求4所述的4D打印系统，其特征在于，所述喷嘴的每个出料口中设置为不同的材料，以此实现多材料的同时挤出。

6.如权利要求4或5所述的4D打印系统，其特征在于，所述4D打印系统中还包括温度传感器和压力传感器，其中，所述温度传感器用于测量每个出料口中每种材料的温度，并将其反馈给所述控制器，所述压力传感器用于测量每个出料口中材料所受到的压力，并将其反馈给所述控制器。

7.如权利要求6所述的4D打印系统，其特征在于，所述4D打印系统中还包括驱动单元，用于驱动不同材料在所述喷嘴中流动。

8.如权利要求7所述的4D打印系统，其特征在于，所述4D打印系统的控制器设置有计算模块，该计算模块根据所述温度传感器、压力传感器和速度传感器分别反馈的温度、压力和速度，以及材料特性计算出每种材料以相同的速度流动所需的推进力，并将该推进力反馈给所述驱动单元，所述驱动单元以相应的推进力驱动材料流动，以此实现不同出料口的材料以相同的速度同时挤出。

9.一种利用权利要求4-8任一项中所述的4D打印系统进行打印的方法，其特征在于，在3D打印过程中，采用所述喷嘴实现多种材料的同时且相同速度的挤出。

10.一种利用权利要求9中所述的方法制备获得的产品。

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