CN114054780A - 一种双原料3d打印方法及打印装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于3D打印领域，公开了一种双原料3D打印方法，双原料为第一预定原料和第二预定原料，通过设置相互隔离的输送第一预定原料的第一原料通道和输送第二预定原料的第二原料通道，并且流出的第一预定原料与第二预定原料进行结合，形成复合式3D打印原料，再通过堆积复合式3D打印原料进行3D打印，因此，本发明能够通过设置不同的第一预定原料和第二预定原料，从而显著提升锂离子电池电极的导热、导电性能以及力学性能。本发明还公开了一种双原料3D打印装置，用于实施双原料3D打印方法。
Description
技术领域
本发明属于3D打印领域，具体涉及一种双原料3D打印方法及打印装置。
背景技术
锂离子电池具有能量密度高、循环寿命高的优势，已经成为电子产品、电动交通工具以及工业储能领域的一种重要的化学储能方式。目前锂离子电池面临的挑战主要有提高电池的充放电速度和能量密度，这也是现在的热门研究课题。在过去的几年里，为了促进锂离子电池的发展，大多数研究都集中在寻找新型电极材料及材料改性等方面，对于电极结构设计的研究却关注不多。
近年来，3D打印因具有成型快速、自由设计等特点，在许多领域得到了广泛的应用。已有研究人员将3D打印技术运用于锂电池电极制造。如北京大学团队于2016年应用3D打印技术制备LiMn0.21Fe0.79PO4(LMFP)锂离子电池，实现高倍率和高容量。与传统的二维电极相比，三维电极具有面能量密度高、锂离子传输距离短，可有效提高功率密度等优点。
但是与此同时，现有3D打印锂离子电池电极仍具有很大的进步空间。其一，众所周知，锂电池电极中电极材料占比越大，该电极的体积能量密度就越大，那么，如何最大化利用3D打印技术制造出电极活性物质材料体积占比最大化的电极、打造出集集流体于一体、导电良好的锂离子电池电极，仍是技术难点，其次，超厚电极设计是一种很有前景的策略，可以在不改变基础材料化学性质的情况下提高锂离子电池的比能量。现有3d打印技术虽然可以制作较厚电极，但其所能打印的锂离子电池电极的形状较为单一，导热、导电性能与力学性能较差。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种双原料3D打印方法及打印装置，配合使用能够显著提高打印出的锂离子电池电极的导热、导电性能以及力学性能，而且能够打印更厚的锂离子电池电极。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案为：
一种双原料3D打印方法，双原料为第一预定原料和第二预定原料，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：设置用于输送第一预定原料的第一原料通道；
步骤S2：设置用于输送第二预定原料的第二原料通道，第二原料通道与第一原料通道相互隔离，并且第二原料通道的出口端位于第一原料通道的出口端的近旁；
步骤S3：第二原料通道流出的第二预定原料与第一原料通道流出的第一预定原料进行结合，形成复合式3D打印原料；
步骤S4：通过堆积复合式3D打印原料进行3D打印。
优选地，第一预定原料为第一电极材料浆料，第二预定原料为第二电极材料浆料或者呈丝状的集流体金属料，
当第二预定原料为呈丝状的集流体金属料时，加热第二原料通道的出口端，从而第二原料通道流出热熔的第二预定原料。
进一步地，第二原料通道同轴设置在第一原料通道内，从而复合式3D打印原料中的第一预定原料包裹结合在第二预定原料的外部。
一种用于实施上述的双原料3D打印方法的双原料3D打印装置，其特征在于，包括：第一送料组件，用于从外部输入第一预定原料；第二送料组件，用于从外部输入第二预定原料；双料输送组件，用于输送第一预定原料和第二预定原料；以及加热打印组件，用于形成复合式3D打印原料并进行输出；其中，双料输送组件包括第一输送管、第二输送管以及汇合三通管，汇合三通管具有第一流入口、第二流入口以及流出口，并且第一流入口通过管路与第一送料组件连通，第一输送管具有第一原料通道，第一输送管的入口设置在流出口上，出口与加热打印组件连通，第二输送管具有第二原料通道，第二输送管通过第二流入口和流出口穿过设置在汇合三通管上。
优选地，加热打印组件包括导热管和加热块，导热管的入口与第一输送管的出口连通，加热块套设在导热管的外部。
进一步地，加热块对导热管的有效加热长度为5mm-25mm，对应的有效加热时间为1秒-5秒。
进一步地，加热打印组件还包括设置在导热管的出口的打印头，打印头呈圆柱体，并且打印头具有沿自身周向设置的螺纹结构。
优选地，双料输送组件还包括防逆流密封圈，防逆流密封圈密封设置在第二输送管与第二流入口之间。
优选地，第一送料组件包括送料架和设置在送料架上的第一注射泵，第一注射泵的出口与第一流入口通过管路连通，第二送料组件包括送料座和设置在送料座上的送料件，当第二预定原料为第二电极浆料时，送料件为第二注射泵，当第二预定原料为集流体金属料时，送料件为送料电机，送料电机具有送料对轮，送料对轮的转动方向相互逆向，送料对轮间具有送料间隙，送料对轮通过摩擦力驱动穿设在送料间隙中的第二预定原料进行送料。
优选地，双料输送组件还包括散热器，散热器套设在第一输送管的外部，并且散热器位于汇合三通管与加热打印组件之间。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.因为本发明的双原料3D打印方法，双原料为第一预定原料和第二预定原料，通过设置相互隔离的输送第一预定原料的第一原料通道和输送第二预定原料的第二原料通道，并且流出的第一预定原料与第二预定原料进行结合，形成复合式3D打印原料，再通过堆积复合式3D打印原料进行3D打印，因此，本发明能够通过设置不同的第一预定原料和第二预定原料，从而显著提升锂离子电池电极的导热、导电性能以及力学性能。
2.因为本发明的第一预定原料为第一电极材料浆料，第二预定原料为第
二电极材料浆料或者呈丝状的集流体金属料，当第二预定原料为呈丝状的集流体金属料时，加热第二原料通道的出口端，从而第二原料通道流出热熔的第二预定原料，因此，本发明能够产生双电极材料浆料的复合式3D打印原料或者电极材料浆料与集流体金属料的复合式3D打印原料。
3.因为本发明的第二原料通道同轴设置在第一原料通道内，从而复合式3D打印原料中的第一预定原料包裹结合在第二预定原料的外部，因此，本发明能过实现夹心式双原料电机的3D打印。
4.因为本发明的双原料3D打印装置包括第一送料组件、第二送料组件、双料输送组件以及加热打印组件，双料输送组件包括第一输送管、第二输送管以及汇合三通管，汇合三通管与第一送料组件、第一输送管均连通，第二输送管穿过设置在汇合三通管上，因此，本发明的双原料3D打印装置能够实施上述的双原料3D打印方法。
5.因为本发明的打印头呈圆柱体，并且打印头具有沿自身周向设置的螺纹结构，因此，本发明的打印头内具有更大的用于容纳复合式3D打印原料的内腔，且具有更小的出料阻力。
6.因为本发明的防逆流密封圈密封设置在第二输送管与第二流入口之间，因此，本发明的双料输送组件在进行双料输送时，防逆流密封圈避免了第一预定原料的向上逆流。
7.因为本发明的散热器套设在第一输送管的外部，并且散热器位于汇合三通管与加热打印组件之间，因此，本发明通过散热器，能够使得第一输送管的外部的温升不至过快而导致热损伤，从而延长第一输送管的使用寿命。
附图说明
图1为本发明的实施例的双原料3D打印方法的步骤示意图；
图2为本发明的实施例的双原料3D打印装置的立体示意图；
图3为本发明的实施例的第一送料组件、双料输送组件以及加热打印组件的示意图；
图4为本发明的实施例的送料电机的示意图；
图5为本发明的实施例的双料输送组件的示意图。
图中：S100、双原料3D打印方法，100、双原料3D打印装置，A、打印基座，A1、第一横梁，A2、第二横梁，A3、同步带机构，A4、承料平台，B、集流体金属料，10、第一送料组件，11、送料架，12、第一注射泵，20A、安装壳体，20、第二送料组件，21、送料座，22、送料电机，221、送料对轮，221a、送料间隙，222、导向管，30、双料输送组件，30a、衔接套管，31、第一输送管，32、汇合三通管，321、第一流入口，322、第二流入口，323、流出口，33、第二输送管，34、散热器，40、加热打印组件，41、导热管，42、加热块，43、打印头。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的一种双原料3D打印方法及打印装置作具体阐述，需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
本实施例中的双原料3D打印方法S100，双原料为第一预定原料和第二预定原料，第一预定原料为第一电极材料浆料，第二预定原料为第二电极材料浆料或者呈丝状的集流体金属料,
如图1所示，双原料3D打印方法S100包括以下步骤：
步骤S1：设置用于输送第一预定原料的第一原料通道。
步骤S2：设置用于输送第二预定原料的第二原料通道，第二原料通道与第一原料通道相互隔离，并且第二原料通道的出口端位于第一原料通道的出口端的近旁。
具体地，第二原料通道同轴设置在第一原料通道内。
步骤S3：第二原料通道流出的第二预定原料与第一原料通道流出的第一预定原料进行结合，形成复合式3D打印原料。
具体地，当第二预定原料为呈丝状的集流体金属料时，加热第二原料通道的出口端，从而第二原料通道流出热熔的第二预定原料，复合式3D打印原料中的第一预定原料包裹结合在第二预定原料的外部，在本实施例中，通过第一原料通道的出口端进行环绕式加热实现对第二原料通道的出口端进行加热。
步骤S4：通过堆积复合式3D打印原料进行3D打印。
具体地，通过堆积复合式3D打印原料进行3D打印能够得到的锂电池电极具有夹心结构，当第二预定原料为集流体金属料时，锂电池电极内含集流体金属料构成的均匀的三维集流体框架，从而1.使得锂电池电极进行导电时，电流通过三维集流体框架能够实现在锂电池电极内部具有更好的导电性能；2.使得锂电池电极进行导电时，产生的热能能够通过均匀的三维集流体框架实现在锂电池电极内部具有更好的导热性能；3.均匀的三维集流体框架使得锂电池电极具有良好的韧性，即具有良好的在塑性变形和破裂过程中吸收能量的能力。在承受冲击载荷时，由于其较传统电极具有更高的断裂应变，产生更大的变形，因而可以吸收更多冲击载荷带来的能量，具有更强的抗冲击载荷能力；当第二预定原料为第二电极材料浆料时，通过选用预定电极材料浆料的组合，实现预定的功能，例如：1.当第一预定原料为钛酸锂，第二预定原料为氯化锂时，能够保护内部氯化锂不易受潮；2.当第二预定原料为固态电解质材料时，固态电解质材料内的固态电解质作为离子导体被包裹在电极材料中，能过形成均匀分布于整个电极中的离子通道，从而提高离子电导率，进而提锂电池电极的倍率性能；3.当第二预定原料为聚苯胺(PAn)时，导电橡胶等具有良好导电性的材料作为电子导体被包裹在电极材料中，形成均匀分布于整个锂电池电极中的电子通道，从而提高了锂电池电极的电子电导率。
如图2和图3所示，一种用于实施上述的双原料3D打印方法S100的双原料3D打印装置100，包括打印基座A、安装壳体20A、第一送料组件10、第二送料组件20、双料输送组件30以及加热打印组件40。
打印基座A具有自上至下依次设置的第一横梁A1、第二横梁A2、承料平台A4以及同步带机构A3。
第一横梁A1用于可拆卸地设置集流体金属料丝盘，第二横梁A2水平设置，第二横梁A2上设置有移动驱动机构(附图中未标出)，安装壳体20A设置在移动驱动机构上，移动驱动机构用于驱动安装壳体20A沿第一水平方向移动，承料平台A4设置在同步带机构A3上，并且同步带机构A3用于驱动承料平台A4沿第二水平方向移动，第二水平方向与第一水平方向垂直。
第一送料组件10安装在打印基座A上，并位于第一横梁A1和第二横梁A2之间，第一送料组件10用于从外部输入第一预定原料。
第一送料组件10包括送料架11和设置在送料架11上的第一注射泵12，在本实施例中，第一注射泵12的出口竖直向下设置。
第二送料组件20、双料输送组件30以及加热打印组件40均设置在安装壳体20A上。
第二送料组件20用于从外部输入第二预定原料，第二送料组件20包括送料座21和设置在送料座21上的送料件，送料座21安装在安装壳体20A上。
当第二预定原料为第二电极浆料时，送料件为可拆卸设置的第二注射泵(附图中未示出)，如图4所示，当第二预定原料为集流体金属料B时，送料件为可拆卸设置的送料电机22，送料电机22具有送料对轮221，送料对轮221的转动方向相互逆向，送料对轮221间具有送料间隙221a，送料对轮221通过摩擦力驱动穿设在送料间隙221a中的丝状集流体金属料B进行送料，具体地，集流体金属料B以丝盘形式可拆卸地设置在第一横梁A1上，在进行3D打印的过程中，根据实际需求在预定工序时更换第二预定原料，即在预定工序使用第二注射泵替代盘丝状集流体金属料B及送料电机22，或者使用盘丝状集流体金属料B及送料电机22替代第二注射泵，从而实现第二预定原料在第二电极材料浆料和集流体金属料B的随时切换，进而实现不同构成、不同形状的打印成品，在本实施例中，送料电机22的送丝速度为5mm/s。
如图5所示，双料输送组件30用于输送第一预定原料和第二预定原料，双料输送组件30包括第一输送管31、防逆流密封圈(附图中未示出)、汇合三通管32、第二输送管33以及散热器34。
第一输送管31具有第一原料通道，第二输送管33具有第二原料通道，汇合三通管32具有第一流入口321、第二流入口322以及流出口323，在本实施例中，第一输送管31和第二输送管33均为直圆管。
第一流入口321通过管路与第一送料组件10连通，即第一流入口321与第一注射泵12的出口通过管路连通，第二输送管33通过第二流入口322和流出口323穿过设置在汇合三通管32上，第一输送管31的入口设置在流出口323上，出口与加热打印组件40连通，具体地，当第二预定原料为第二电极材料浆料时，第二输送管33的入口与第二注射泵的出口连通；当第二预定原料为集流体金属料B时，第二输送管33的入口位于送料间隙221a的近旁的下方，自送料间隙221a输出的集流体金属料B进入第二输送管33内，在本实施例中，送料电机22具有位于送料间隙221a的近旁的正下方的导向管222，导向管222用于对输出的丝状集流体金属料B进行导向。
即第二原料通道为第二送料组件32与加热打印组件40之间的的第二预定原料的输送通道，并且第二原料通道穿过汇合三通管32，第一预定原料通过汇合三通管32从第二原料通道的外部流过，并且第一原料通道为汇合三通管32与加热打印组件40之间的第一预定原料的输送通道，并且第二原料通道与第一原料通道同轴设置，在本实施例中，第二输送管33外部过盈套设有衔接套管30a，并且衔接套管30a的两端分别过盈套设在导向管222的输出口与第二流入口322内。
防逆流密封圈密封设置在第二输送管33与第二流入口322之间，即将第二输送管33的外表面与第二流入口322的轮廓之间的间隙密封，在本实施例中，防逆流密封圈密封设置在第二输送管33与衔接套管30a之间，从而使得第二输送管33的外表面与第二流入口322的轮廓之间的间隙密封。
散热器34套设在第一输送管31的外部，并且散热器34位于汇合三通管32与加热打印组件40之间。
加热打印组件40用于形成复合式3D打印原料并进行输出，加热打印组件40包括导热管41、加热块42以及打印头43。
导热管41的入口与第一输送管31的出口连通，加热块42套设在导热管41的外部,打印头43设置在导热管42的出口，打印头43呈圆柱体，并且打印头43具有沿自身周向设置的螺纹结构,具体地，加热块42对导热管41的有效加热长度为5mm-25mm，对应的有效加热时间为1秒-5秒，在本实施例中，有效加热长度优选为9mm，对应的有效加热时间优选为1.8秒。
以下为本实施例的双原料3D打印装置100的三个打印过程的实施：
1.电极材料浆料+集流体金属料打印：钛酸锂电极材料浆料+78度的锡铋合金丝：
首先，将钛酸锂：sp：联接剂按照8：1：1并加入去离子水在磁力搅拌机中搅拌均匀，制成第一电极材料浆料；然后，打开控制软件，导入打印模型，设置打印速度、热床温度以及打印温度；接着，将第一电极材料浆料通过第一注射泵12进料、将低熔点78度的锡铋合金丝作为集流体金属料B通过送料电机22进料，最后得到锂电池电极，该锂电池电极的形态为胶状电极材料包裹中心金属丝，类似钢筋混凝土的框架结构，该结构成型快且稳定，能长时间保持形状不变。经测试具有良好的力学性能与电化学性能。
2.电极材料浆料+集流体金属料打印：三元材料电极材料浆料+138度的锡铅合金丝：
首先，将三元材料：sp：联接剂按照8：1：1并加入去离子水在磁力搅拌机中搅拌均匀，制成第一电极材料浆料；然后，打开控制软件，导入打印模型，设置打印速度、热床温度以及打印温度；接着，将第一电极材料浆料通过第一注射泵12进料、将低熔点138度的锡铅合金丝作为集流体金属料B通过送料电机22进料；最后得到锂电池电极，该锂电池电极的形态为胶状电极材料包裹中心金属丝，类似钢筋混凝土的框架结构，该结构成型快且稳定，能长时间保持形状不变。经测试具有良好的力学性能与电化学性能。
3.两种液态电极材料浆料：氯化锂电极材料浆料+钛酸锂电极材料浆料：
首先，将氯化锂：sp：联接剂按照8：1：1并加入去离子水在磁力搅拌机中搅拌均匀，制成第一电极材料浆料；将钛酸锂：sp：联接剂按照8：1：1并加入去离子水在磁力搅拌机中搅拌均匀，制成第二电极材料浆料；然后，打开控制软件，导入打印模型，设置打印速度、热床温度以及打印温度；接着，分别将第一电极材料浆料和第二电极材料浆料对应通过第一注射泵12和第二注射泵进料；最后得到锂电池电极，该锂电池电极的形态为钛酸锂胶状电极材料包裹中心氯化锂材料，类似一种夹层框架结构，结构符合预期，该结构成型快且稳定，能长时间保持形状不变。经测试具有良好的力学性能与电化学性能。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围，本领域普通技术人员在所附权利要求范围内不需要创造性劳动就能做出的各种变形或修改仍属本专利的保护范围。
Claims (10)
1.一种双原料3D打印方法，双原料为第一预定原料和第二预定原料，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：设置用于输送所述第一预定原料的第一原料通道；
步骤S2：设置用于输送所述第二预定原料的第二原料通道，所述第二原料通道与所述第一原料通道相互隔离，并且所述第二原料通道的出口端位于所述第一原料通道的出口端的近旁；
步骤S3：所述第二原料通道流出的所述第二预定原料与所述第一原料通道流出的所述第一预定原料进行结合，形成复合式3D打印原料；
步骤S4：通过堆积所述复合式3D打印原料进行3D打印。
2.根据权利要求1所述的双原料3D打印方法，其特征在于：
其中，所述第一预定原料为第一电极材料浆料，所述第二预定原料为第二电极材料浆料或者呈丝状的集流体金属料，
当所述第二预定原料为呈丝状的集流体金属料时，加热所述第二原料通道的出口端，从而所述第二原料通道流出热熔的所述第二预定原料。
3.根据权利要求2所述的双原料3D打印方法，其特征在于：
其中，所述第二原料通道同轴设置在所述第一原料通道内，从而所述复合式3D打印原料中的所述第一预定原料包裹结合在所述第二预定原料的外部。
4.一种用于实施权利要求3所述的双原料3D打印方法的双原料3D打印装置，其特征在于，包括：
第一送料组件，用于从外部输入所述第一预定原料；
第二送料组件，用于从外部输入所述第二预定原料；
双料输送组件，用于输送所述第一预定原料和所述第二预定原料；以及
加热打印组件，用于形成所述复合式3D打印原料并进行输出；
其中，所述双料输送组件包括第一输送管、第二输送管以及汇合三通管，该汇合三通管具有第一流入口、第二流入口以及流出口，并且所述第一流入口通过管路与所述第一送料组件连通，
所述第一输送管具有所述第一原料通道，所述第一输送管的入口设置在所述流出口上，出口与所述加热打印组件连通，
所述第二输送管具有所述第二原料通道，所述第二输送管通过所述第二流入口和所述流出口穿过设置在所述汇合三通管上。
5.根据权利要求4所述的双原料3D打印装置，其特征在于：
其中，所述加热打印组件包括导热管和加热块，
所述导热管的入口与所述第一输送管的出口连通，所述加热块套设在所述导热管的外部。
6.根据权利要求5所述的双原料3D打印装置，其特征在于：
其中，所述加热块对所述导热管的有效加热长度为5mm-25mm，对应的有效加热时间为1秒-5秒。
7.根据权利要求5所述的双原料3D打印装置，其特征在于：
其中，所述加热打印组件还包括设置在所述导热管的出口的打印头，该打印头呈圆柱体，并且所述打印头具有沿自身周向设置的螺纹结构。
8.根据权利要求4所述的双原料3D打印装置，其特征在于：
其中，所述双料输送组件还包括防逆流密封圈，该防逆流密封圈密封设置在所述第二输送管与所述第二流入口之间。
9.根据权利要求4所述的双原料3D打印装置，其特征在于：
其中，所述第一送料组件包括送料架和设置在该送料架上的第一注射泵，该第一注射泵的出口与所述第一流入口通过管路连通，
所述第二送料组件包括送料座和设置在该送料座上的送料件，
当所述第二预定原料为所述第二电极浆料时，所述送料件为第二注射泵，
当所述第二预定原料为所述集流体金属料时，所述送料件为送料电机，该送料电机具有送料对轮，该送料对轮的转动方向相互逆向，所述送料对轮间具有送料间隙，所述送料对轮通过摩擦力驱动穿设在所述送料间隙中的所述第二预定原料进行送料。
10.根据权利要求4所述的双原料3D打印装置，其特征在于：
其中，所述双料输送组件还包括散热器，该散热器套设在所述第一输送管的外部，并且所述散热器位于所述汇合三通管与所述加热打印组件之间。
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