CN113352601A - 一种高黏度树脂多重同心结构的3d打印装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种高黏度树脂多重同心结构的3D打印装置及方法，包括电机；电机上设置有传动齿轮，外筒壳体内设置有外挤出螺杆；外挤出螺杆顶端设置有与传动齿轮相啮合的齿轮；外壳筒体与外挤出螺杆之间的空腔构成第一封闭空间；第一封闭空间底部设置有外打印喷头，内挤出螺杆与外挤出螺杆之间的空腔构成第二封闭空间；第二封闭空间底部设置有中打印喷头；内挤出螺杆内部开设有第三封闭空间，第三封闭空间底部设置有内打印喷头；三个喷头同心设置。本发明通过设置外挤出螺杆与内挤出螺杆，通过内外双层螺杆旋转剪切作用，并包覆内层材料，可实现高黏度树脂材料的单一结构、双重同心结构、三重同心结构的直写挤出打印，扩展了直写打印可打印的材料范围。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印成型技术领域，具体涉及一种高黏度树脂多重同心结构的3D打印装置及方法。
背景技术
3D打印技术是一种快速成型技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末金属、塑料等可粘合的材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。常见的有熔融沉积成型技术(FDM)，光固化快速成型技术(SLA)，选择性激光烧结技术(SLS)等等。
直写打印技术是一种新兴的3D技术，主要通过直接挤出细丝的方法来制造复杂的三维结构，常用于各类高分子材料的打印。其具有如下的几个优点：
(1)打印材料仅需满足具有剪切稀化的流变性能即可打印，因此可适用于各类高分子材料；
(2)在基体中含有混杂纤维等功能材料时，直写挤出式打印头有利于基体中的纤维定向排列，达到增强或增韧的目的。
然而，直写打印技术也存在如下的限制和缺点：
(1)打印材料较为单一。现有的打印头往往只能实现一种材料的打印挤出，而对于多种功能材料的打印往往需要多打印头联动，设计控制复杂，操作繁琐，效率较低。
(2)打印材料需要严格控制流变性能。材料黏度过低则无法在挤出后保持定型能力，而高黏度材料则由于小直径打印喷嘴的限制，易堵塞、难从喷嘴处均匀挤出。
发明内容
针对现有的直写式3D打印中材料单一、在高粘度下打印时易堵塞等问题，本发明提供一种高黏度树脂多重同心结构的3D打印装置及方法。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种用于高黏度树脂多重同心结构的3D打印装置，包括电机与外壳筒体；电机的输出轴上设置有传动齿轮，外筒壳体内设置有外挤出螺杆；外挤出螺杆顶端设置有与传动齿轮相啮合的齿轮；
外壳筒体与外挤出螺杆之间的空腔构成外部材料挤出打印的第一封闭空间；第一封闭空间底部设置有外打印喷头，与外挤出螺杆旋向相反的内挤出螺杆与外挤出螺杆之间的空腔构成中部材料挤出打印的第二封闭空间；第二封闭空间底部设置有中打印喷头；内挤出螺杆内部开设有内部材料挤出打印的第三封闭空间，第三封闭空间底部设置有内打印喷头；外打印喷头、中打印喷头和内打印喷头同心设置。
优选的，外筒壳体侧壁上开设有孔，该孔上设置有外层转接头，外层转接头连接有外层送料管，外层送料管连接有外层料筒。
优选的，电机与外壳筒体设置在支撑板上，支撑板设置在能够沿XYZ三轴移动的打印平台上。
优选的，支撑板包括垂直设置的水平板和竖直板，竖直板设置在水平板上，外壳筒体设置在水平板上。
优选的，外筒壳体与外打印喷头螺纹连接，外挤出螺杆与中打印喷头螺纹连接，内挤出螺杆与内打印喷头螺纹连接。
优选的，电机的输出轴上设置有联轴器，传动齿轮设置在联轴器上。
优选的，外挤出螺杆通过滚动轴承嵌套于外筒壳体中，滚动轴承底部垫有密封垫圈。
优选的，外壳筒体顶部设置有盖板，内挤出螺杆顶部嵌于盖板中。
优选的，所述内挤出螺杆顶部开有两孔，其中一个孔设置有中层转接头，另一个孔设置有内层转接头，中层转接头与中层送料管相连接，内层转接头与内层送料管相连接；中层送料管连接有中层料筒，内层送料管连接有内层料筒。
一种根据上述的装置的用于高黏度树脂多重同心结构的3D打印方法，包括以下步骤：
1)将三种相同或者不同的树脂材料分别填入内层料筒、中层料筒及外层料筒中，然后控制电机的旋转带动外挤出螺杆旋转，向内层料筒、中层料筒及外层料筒中通入气压，并向内打印喷头、中打印喷头和外打印喷头挤压输送材料，待内打印喷头、中打印喷头和外打印喷头均挤出材料时，停止电机旋转，完成打印前的填料；
2)电机转动传动齿轮转动，传动齿轮带动外挤出螺杆转动，第一封闭空间内的外层打印材料向下挤出，并通过外打印喷头沉积于承接平台；第二封闭空间内的中层打印材料向下挤出，并通过中打印喷头沉积于承接平台，第三封闭空间内的内层材料由气压挤出，并内打印喷头沉积于承接平台。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明提出针对三种材料的一种一次三维打印成型的方法及相应的打印喷头设计，以解决传统制造方法打印材料单一、多材料打印时控制不便的问题，为特殊结构的三维成型方法提供了一个新的思路方法。本发明通过设置外挤出螺杆与内挤出螺杆，引入内、中、外三层打印通道，通过内中双层旋转剪切作用，实现了外、中层高黏度的树脂材料的直写挤出打印，将内层材料包覆其中，形成独特的三层结构。本发明扩展了直写打印可打印的材料范围，解决直写打印技术在打印高黏度复合材料时挤出困难、控制繁琐的问题；本发明通过设计的内中外三层通道的打印喷头，可以实现单一材料、双层材料、三层材料之间的可切换打印。
本发明打印方法通过同心嵌套的旋向相反的双重螺杆，能够打印挤出一种多重同心结构，相比于多喷头形式的打印头，本发明设计的打印头结构紧凑、移动惯性小、控制精度较高，采用单一动力源实现了内中外三层同心结构材料的一次三维打印成型，可用于制备各类特殊功能需求的同心结构体。
附图说明
图1是本发明装置的示意图。
图2是本发明机头部分的剖面示意图。
图3是本发明螺杆及外筒剖面示意图。
图4是本发明机筒凹槽设置示意图。
图5是本发明所打印的外、中、内层典型材料的黏度—剪切速率曲线图。
图中，1为电机，2为第一连接螺栓，3为电机支座板，4为第二连接螺栓，5为支撑板，6为联轴器，7为传动齿轮，8为盖板，9为紧固螺栓，10为外层转接头，11为外打印喷头，12为外筒壳体，13为外层送料管，14为外层料筒，15为第三连接螺栓，16为内挤出螺杆，17为内层转接头，18为内层送料管，19为中层送料管，20为中层转接头，21为内层料筒，22为中层料筒，23为滚动轴承，24为外挤出螺杆，25为中打印喷头，26为内打印喷头，27为密封垫圈，28为密封圈。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明中的高黏度树脂指具有剪切稀化特性、在剪切速率0.1s-1的条件下，表观黏度范围在4000-10000Pa·s之间，采用直写挤出打印困难的树脂材料，图5为典型的打印材料的黏度随剪切速率变化的曲线。
参照图1、图2和图3，一种用于高黏度树脂的多重同心结构的3D打印装置，包括可沿XYZ三轴移动的打印平台，该打印平台上设置有支撑板5，支撑板5包括垂直设置的水平板和竖直板，竖直板设置在水平板上，水平板上设置有外壳筒体12，外壳筒体12用于作为外层材料的螺杆挤出料筒；外筒壳体12两侧通过紧固螺栓9与支撑板5连接固定，外筒壳体12底端设有螺纹，螺纹连接有外打印喷头11，以便于更换不同尺寸大小的打印喷头。
支撑板5上设置有电机支座板3，电机支座板3上设置有电机1，电机1的输出轴上设置有联轴器6，联轴器6上设置有传动齿轮7；具体的，电机1通过第二连接螺栓4固定于电机支座板3上；电机支座板3通过第一连接螺栓2固定于支撑板5上。
外筒壳体12内设置有顶端带齿轮的外挤出螺杆24，外筒壳体12与外挤出螺杆24之间形成空腔，具体的，外挤出螺杆24通过滚动轴承23嵌套于外筒壳体12中。
具体的，参见图4，外筒壳体12顶端开有凹槽，凹槽内设置有带齿轮的外挤出螺杆24，凹槽侧壁开设有孔，孔对应于圆周角的角度为90°。外挤出螺杆24顶端的齿轮与传动齿轮7啮合，传动齿轮7经联轴器6与电机1相连，电机1、传动齿轮7与带齿轮的外挤出螺杆24构成动力传动系统。
外筒壳体12侧壁开有一小孔，该孔通过外层转接头10与外层送料管13相连接，外层料管13与外层料筒14相连通，外料筒14通过外接气压往外筒壳体12和外挤出螺杆24之间的空腔送料；外挤出螺杆24底端设有螺纹并连接中打印喷头25，以便于更换不同尺寸大小的内打印喷头。
外壳筒体12顶部设置有盖板8，具体的，外壳筒体12的顶面上设置有3个孔，盖板8上开设有孔，通过螺栓连接。
外壳筒体12底部设置有外螺纹，方便与不同规格大小的外打印喷头11进行连接。
所述带齿轮的外挤出螺杆24为中空结构，底部具有外螺纹，方便与不同规格大小的中打印喷头25进行连接，外挤出螺杆24靠近顶端的空腔内开设有一凹槽，凹槽内部套入密封圈28，防止内部材料上流漏出。
所述外挤出螺杆24内部中空，外挤出螺杆24套于外壳筒体12中，外壳筒体12与外挤出螺杆24之间的空腔构成外部材料挤出打印的第一封闭空间；外打印喷头11位于第一封闭空间底部，内挤出螺杆16套于外挤出螺杆24中，内挤出螺杆16与外挤出螺杆24之间的空腔构成打印中部材料挤出打印的第二封闭空间，中打印喷头25位于第二封闭空间底部；内挤出螺杆16内部有中空的内层材料打印通道，该打印通道构成内部材料挤出打印的第三封闭空间，内打印喷头26位于第三封闭空间底部。外打印喷头11、中打印喷头25和内打印喷头26同心设置。
所述外挤出螺杆24顶端套有滚动轴承23并嵌套于外壳筒体12中，滚动轴承23底部垫有密封垫圈27，防止外部材料上流漏出。
所述内挤出螺杆16顶部开有两小孔，其中一个孔内设置有中层转接头20，另一个孔内设置有内层转接头17与中层送料管19相连接及内层送料管18相连接。中层送料管19与中层料筒22连接，中层料筒19通过外接气压往外挤出螺杆24和内挤出螺杆16之间的空腔送料；内层送料管18与内层料筒21连接，内层料筒21通过外接气压往内挤出螺杆16中空的空腔送料；内挤出螺杆16顶部嵌于盖板8中，通过盖板8与外壳筒体12的之间的第三连接螺栓15完成固定。
所述内挤出螺杆16与外挤出螺杆24旋向相反，挤出时内挤出螺杆16固定不动，外挤出螺杆24进行旋转运动，通过双层的螺杆旋动的挤出力，实现外中层高粘度物料的同步挤出，同时固定的内挤出螺杆16中间直接挤出内层材料，实现三种材料的同心打印。
所述内层料筒21、中层料筒22及外层料筒14的物料输送由气压作用推动，进行持续送料。
在打印同心结构前，需要先将三种相同或不同的树脂材料分别填入内层料筒21、中层料筒22及外层料筒14中，即树脂材料为三种不同的树脂材料时，将一种树脂材料填入内层料筒21中，一种树脂材料填入中层料筒22，一种树脂材料填入外层料筒14中，树脂材料为一种时，内层料筒21、中层料筒22及外层料筒14内均填入树脂材料；然后启动电机1带动外挤出螺杆24旋转，向内层料筒21、中层料筒22及外层料筒14中通入气压，并向打印头内挤压输送材料。待打印头底部的内打印喷头26、中打印喷头25和外打印喷头11都挤出材料时停止电机1旋转，完成打印前的填料工作。
打印过程中，支撑板5固定于可XYZ三轴移动的打印平台上，通过平台的移动在三维空间内进行打印；此时控制电机1的转动，通过齿轮7带动外挤出螺杆24转动，处于外挤出螺杆24和外壳筒体12之间的外层打印材料向下挤出；由于内外螺杆旋向相反，此时处于外挤出螺杆24和内挤出螺杆16之间的第一封闭空间内的中层打印材料也同步向下挤出，并通过外打印喷头11沉积于承接平台，同时固定的内挤出螺杆16的第二封闭空间内的内层材料直接由气压挤出，并通过中打印喷头25沉积于承接平台，同时第三封闭空间内的内层材料由气压挤出，并内打印喷头26沉积于承接平台。在此过程中，内层料筒21、中层料筒22及外层料筒14内始终保持一定气压以进行持续的材料供给。
一种基于上述装置的用于高黏度树脂多重同心结构的3D打印方法，包括以下步骤：
1)根据成型件的尺寸形状要求等，利用切片软件进行打印路径规划，并编写打印喷头和打印底板的相对运动程序以及控制旋转电机1的运动程序；
2)选定相应的打印树脂材料，树脂基体材料是指各类能经外部刺激固化完成后，形成具有一定力学性能的固体结构的树脂类材料。其中外层、中层采用相应的高粘度树脂，用以挤出定型。
3)将三种相同或者不同的材料填入内层料筒21、中层料筒22及外层料筒14中，以实现单一材料或双层同心结构材料或三层同心结构材料的打印。控制电机1的旋转带动外挤出螺杆24旋转内层料筒21、中层料筒22及外层料筒14中通入气压，向打印头内挤压输送材料。待打印头底部的内打印喷头26、中打印喷头25和外打印喷头11都挤出材料时停止电机1旋转，完成打印前的填料。
4)打印过程中，支撑板5固定于可XYZ三轴移动的打印平台上，通过平台的移动在三维空间内进行打印；此时控制电机1的转动，通过齿轮7带动外挤出螺杆24转动，处于外挤出螺杆24和外壳筒体12之间的外层打印材料向下挤出；由于内外螺杆旋向相反，此时处于外挤出螺杆24和内挤出螺杆16之间的中层打印材料也同步向下挤出，同时固定的内挤出螺杆16中间空腔的内层材料直接由气压挤出，并分别通过同心设置的内打印喷头26、中打印喷头25和外打印喷头11沉积于承接平台；在此过程中，内层料筒21、中层料筒22及外层料筒14内始终保持一定气压以进行持续的材料供给。
5)挤出材料由于其高黏度特性，在沉积在承接平台上能够保持形状并构建三维实体。在打印完成后，经充分的外界刺激，如加热、紫外光照等方式，产生交联反应并完成固化，最终制备出需求的目标结构实体。
以下通过具体的实施例说明本发明的实际应用效果。
用本发明打印同心的两种高黏度环氧树脂构成的弯曲测试用长条形样件。
1)生成打印控制程序。设计打印80mm*10mm*4mm长条形样件；将绘制的样件三维模型以stl格式导入现有商业切片软件cura中进行切片。设置层高为1mm、打印喷头尺寸为1.2mm、打印速度10mm/s、填充率100％，进丝速率80％，设置完成后软件自动生成相应的程序控制G代码，将该G代码拷贝至打印机控制板中。打印机控制板输出端口连接三轴移动电机以及挤出电机1，用以控制三轴的移动以及电机1的转动。
2)配制相应的打印树脂材料。具体的，外层树脂材料的组成配方(以质量份数计)包括：环氧E51树脂100份，气相二氧化硅12份以及咪唑固化剂5份。
中层树脂材料的组成配方(以质量份数计)包括：环氧Epon872树脂100份以及咪唑固化剂5份。
内层树脂材料的组成配方(以质量份数计)包括：双酚A型环氧E51树脂100份以及咪唑固化剂5份。
上述填加材料逐步加入环氧树脂基体中混合均匀，最终得到中、外层的两种高黏度的复合树脂材料及内层的树脂材料。测试得到外、中、内层的流变性能如图5所示。
3)将上述配制好的材料分别填入内层料筒21、中层料筒22及外层料筒14中，通过打印机控制板指令启动电机1进行旋转，带动外挤出螺杆24旋转内层料筒21、中层料筒22及外层料筒14中分别通入压力为4.5kg/cm2、6kg/cm2、1kg/cm2的气压，向打印头内挤压输送材料。待打印头底部的内打印喷头26、中打印喷头25和外打印喷头11都挤出材料时停止电机1旋转，完成打印前的填料。
4)支撑板5固定于可XYZ三轴移动的打印平台上，通过平台的移动在三维空间内进行打印；电机1的转动通过传动齿轮7带动外挤出螺杆24转动，处于外挤出螺杆24和外壳筒体12之间的外层打印材料向下挤出；由于内外螺杆旋向相反，此时处于外挤出螺杆24和内挤出螺杆16之间的中层打印材料也同步向下挤出，同时固定的内挤出螺杆16中间空腔的内层材料直接由气压挤出，并分别通过同心设置的内径为0.4mm的内打印喷头26、内径为0.8mm的中打印喷头25和内径为1.2mm的外打印喷头11沉积于承接平台；在此过程中，内层料筒21、中层料筒22及外层料筒14内始终保持上述气压以进行持续的材料供给。
5)挤出材料由于其流变特性，在打印出口处恢复至高黏度状态、沉积在承接平台上，并能够维持自身形状，构建三维实体。打印完成后，将打印材料置于烘箱，经过80℃固化4h、150℃固化2h定型，完成目标结构实体的制造。
本发明实现了高黏度树脂的同心挤出，可完成不同直径大小的单层或双层或三层环氧树脂3D打印，装置结构紧凑，挤出控制精确，可通过出料的气压控制自由切换挤出模式，实现了多重材料的一体化制造。
本发明将传统单一材料的直写打印技术扩展为可自由切换式的高黏度同心细丝打印，扩展了3D打印的成型工艺方法。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细说明，本领域普通技术人员应当理解：其依然可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种用于高黏度树脂多重同心结构的3D打印装置，其特征在于，包括电机(1)与外壳筒体(12)；电机(1)的输出轴上设置有传动齿轮(7)，外筒壳体(12)内设置有外挤出螺杆(24)；外挤出螺杆(24)顶端设置有与传动齿轮(7)相啮合的齿轮；
外壳筒体(12)与外挤出螺杆(24)之间的空腔构成外部材料挤出打印的第一封闭空间；第一封闭空间底部设置有外打印喷头(11)，与外挤出螺杆旋向相反的内挤出螺杆(16)与外挤出螺杆(24)之间的空腔构成中部材料挤出打印的第二封闭空间；第二封闭空间底部设置有中打印喷头(25)；内挤出螺杆(16)内部开设有内部材料挤出打印的第三封闭空间，第三封闭空间底部设置有内打印喷头(26)；外打印喷头(11)、中打印喷头(25)和内打印喷头(26)同心设置。
2.根据权利要求1所述的一种用于高黏度树脂的多重同心结构3D打印装置，其特征在于，外筒壳体(12)侧壁上开设有孔，该孔上设置有外层转接头(10)，外层转接头(10)连接有外层送料管(13)，外层送料管(13)连接有外层料筒(14)。
3.根据权利要求1所述的一种用于高黏度树脂多重同心结构的3D打印装置，其特征在于，电机(1)与外壳筒体(12)设置在支撑板(5)上，支撑板(5)设置在能够沿XYZ三轴移动的打印平台上。
4.根据权利要求3所述的一种用于高黏度树脂多重同心结构的3D打印装置，其特征在于，支撑板(5)包括垂直设置的水平板和竖直板，竖直板设置在水平板上，外壳筒体(12)设置在水平板上。
5.根据权利要求1所述的一种用于高黏度树脂多重同心结构的3D打印装置，其特征在于，外筒壳体(12)与外打印喷头(11)螺纹连接，外挤出螺杆(24)与中打印喷头(21)螺纹连接，内挤出螺杆(16)与内打印喷头(26)螺纹连接。
6.根据权利要求1所述的一种用于高黏度树脂多重同心结构的3D打印装置，其特征在于，电机(1)的输出轴上设置有联轴器(6)，传动齿轮(7)设置在联轴器(6)上。
7.根据权利要求1所述的一种用于高黏度树脂多重同心结构的3D打印装置，其特征在于，外挤出螺杆(24)通过滚动轴承(23)嵌套于外筒壳体(12)中，滚动轴承(23)底部垫有密封垫圈(27)。
8.根据权利要求1所述的一种用于高黏度树脂多重同心结构的3D打印装置，其特征在于，外壳筒体(12)顶部设置有盖板(8)，内挤出螺杆(16)顶部嵌于盖板(8)中。
9.根据权利要求1所述的一种用于高黏度树脂多重同心结构的3D打印装置，其特征在于，所述内挤出螺杆(16)顶部开有两孔，其中一个孔设置有中层转接头(20)，另一个孔设置有内层转接头(17)，中层转接头(20)与中层送料管(19)相连接，内层转接头(17)与内层送料管(18)相连接；中层送料管(19)连接有中层料筒(22)，内层送料管(18)连接有内层料筒(21)。
10.一种根据权利要求2所述的装置的用于高黏度树脂多重同心结构的3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将三种相同或者不同的树脂材料分别填入内层料筒(21)、中层料筒(22)及外层料筒(14)中，然后控制电机(1)的旋转带动外挤出螺杆(24)旋转，向内层料筒(21)、中层料筒(22)及外层料筒(14)中通入气压，并向内打印喷头(26)、中打印喷头(25)和外打印喷头(11)挤压输送材料，待内打印喷头(26)、中打印喷头(25)和外打印喷头(11)均挤出材料时，停止电机(1)旋转，完成打印前的填料；
2)电机(1)转动传动齿轮(7)转动，传动齿轮(7)带动外挤出螺杆(24)转动，第一封闭空间内的外层打印材料向下挤出，并通过外打印喷头(11)沉积于承接平台；第二封闭空间内的中层打印材料向下挤出，并通过中打印喷头(25)沉积于承接平台，第三封闭空间内的内层材料由气压挤出，并内打印喷头(26)沉积于承接平台。
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