CN114434795A - 一种用于3d打印机的复合凝胶浆料挤出机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于3D打印机的复合凝胶浆料挤出机，包括背板、前板、滑移板、丝杆模块、光轴模块、紫外固化模块、自动调平模块、开关板、针筒。其使用方法包括以下步骤：1，复合凝胶浆料挤出机的安装；2，复合凝胶浆料挤出机的连接；3，复合凝胶浆料的准备与填充；4，样品的打印。其特点体现在：1、一次性针筒价格低廉且避免不同浆料间的污染；2、使用42步进电机避免出现兼容性问题；3、使用光轴模块限制了滑移板的自由度，控制挤出速度和挤出量；4，可以打印热固性凝胶，光固化型凝胶。本发明解决了熔融沉积式3D打印机只能打印固体塑料的问题，并具有优秀的可移植性。
Description
技术领域
本发明涉及功能材料的3D打印制造领域，具体是一种复合凝胶浆料挤出机。
背景技术
3D打印（3DP）即快速成型技术的一种，又称增材制造，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。主要有光固化，熔融沉积和激光烧结三个技术路线，分别针对塑料和金属材质。其中熔融沉积式打印机的结构和原理最为简单，稳定可控。它是使用三个电机：X轴电机、Y轴电机、Z轴电机控制挤出机喷头和打印台进行相对移动；还有一个或多个挤出电机将塑料丝挤入到融化腔，融化后再挤出。挤出的塑料丝以一定的轨迹排布成平面，再逐层堆叠形成三维物体。
传统的熔融沉积式3D打印机伴随着技术的成熟和成本的下降，市场普及率越来越高，它因可以成型复杂的微观形状而引起了广大研究人员的注意，许多研究人员设想用3D打印机打印电极材料、传感材料等功能材料，使功能材料的微观和宏观性能得以结合。然而目前市面上的3d打印机挤出头往往采用热熔融式，它的原理是将热塑性塑料丝如ABS，PLA等固体融化后再挤出。这种挤出机融化腔小，一般是将塑料丝融化后立即挤出，不存在添加复合材料的条件。且商用的塑料成分一致，无法修改，只可作为结构件，无法实现一定的功能，如催化活性，传感性能等等。
市面上还有一类生物3D打印机，一般为整机，打印头拥有较大的腔体，可以维持其内生物墨水的细胞活性，这种机器可以将活细胞按照一定的规则进行排列打印组成生物组织。生物3D打印机相比普通打印机，成本高昂，使用条件苛刻，一般难以用于材料合成和器件制作。
复合凝胶浆料（粘结剂+功能材料）成型的材料既具有一定的强度，又因为其中添加了一定功能的活性物质而具有特殊的化学功能。因此对于3D打印功能材料来讲，使用复合凝胶浆料几乎是唯一可行的方式。凝胶浆料不同于热熔性的塑料，它具有一定的粘度和较大的流动性，需要较大的密闭腔体来存储和挤出，现有的3d打印机无法使用。因此，开发出一种移植性强的复合凝胶浆料挤出机可以大大降低实验成本，为实验室开发新材料提供帮助。
发明内容
本发明的目的，是提供一种复合凝胶浆料挤出机，这种挤出机可以挤出复合凝胶浆料，并且一定程度上实现材料的固化。此外，它可以便捷的安装到普通3D打印机上，从而在低成本下实现功能材料的3D打印。
为了实现上述功能，本发明采用的技术方案为：
一种用于3D打印机的复合凝胶浆料挤出机，包括背板、前板、滑移板、丝杆模块、光轴模块、紫外固化模块、自动调平模块、开关板、针筒；
背板为主体，其上有凹槽和特定位置的连接口；
前板也具有凹槽，且与背板大小一致，前、背板由对角线分布的两个螺栓连接，构成夹具，该夹具用来安装针筒；
滑移板移动推动针筒挤出，滑移板一侧安装在光轴模块的光轴上，另一侧安装在丝杆模块的丝杆上；
丝杆模块包括42步进电机、联轴器、T型螺母、丝杆，由丝杆通过联轴器连接于步进电机上构成，步进电机通过螺栓直接连接在背板上；
光轴模块，是由三个部件构成，包括法兰、直线轴承、光轴，光轴模块由法兰固定在背板上；光轴模块和丝杆模块共同构成了Z轴方向移动机构，在电机驱动下，控制滑移板挤压针筒进行挤出；
紫外线灯模块，用于光固化树脂的成型，包括底座、锁紧螺母、球连接杆、散热块、聚焦筒和聚焦透镜，光源是紫外LED灯珠，球连接杆和锁紧螺母的设计可以控制光源的照射方向；散热块可以保证LED灯长时间运行；聚焦筒和聚焦透镜组合可以对紫外灯进行聚焦，并可以调节焦点位置以提高光固化速度；
自动调平传感器用于控制挤出喷嘴与平台间的距离，具体可以使用市售已有的BL-touch，用螺栓连接于背板下；
开关板用于触发3D打印机的限位开关，安装在背板左侧；
针筒的直径为11-16mm，长度为36-60mm。
一种用于3D打印机的复合凝胶浆料挤出机的使用方法，包括以下步骤：
步骤1，复合凝胶浆料挤出机的安装，拆掉3D打印机原装的挤出喷头，安装本发明挤出机；
步骤2，复合凝胶浆料挤出机的连接，将3D打印机原装步进电机的连接线转接到本发明的42步进电机上，并将自动调平传感器连接在主板上，在软件中打开自动调平功能；
步骤3，复合凝胶浆料的准备与填充，将粘结剂，分散剂，添加剂混合，制得复合凝胶浆料作为打印凝胶，再将打印凝胶装入针筒后，安装到打印机上，即可完成填充，即填料过程；
步骤4，样品的打印，打印时，通过计算机软件，将3维样品切片并生成G代码传输给打印机，打印机根据G代码的信息，控制针头的移动和挤出。
本发明的特点体现在：
1、采用价格低廉的一次性针筒填充复合凝胶浆料，避免不同浆料间的污染；
2、使用一个42步进电机提供挤出动力，电机转动产生的扭力，通过丝杆结构传递给滑移板，此外42步进电机与3D打印机原装电机具有相同的控制方式，避免出现兼容性问题；
3、使用光轴模块限制了滑移板的自由度，使之仅可在Z轴方向移动，这就给了针筒作用力以控制其挤出，3D打印机的控制信号作用在42步进电机上，可以控制挤出速度和挤出量；
4、对于热固性凝胶，挤出后可以直接成型；对于光固化型凝胶，安装一个紫外光固化灯辅助成型；对于无粘结剂型的凝胶（水基墨水），可以添加速冻台实现成型。
相对于现有技术，本发明的优点在于：
1、结构简单，可移植性性强，成本低廉。将挤出机安装于传统3D打印机上，再修改打印机的固件即可使用，使用方法于与原装打印机相同，基本没有学习成本，也大大降低了新设备的购入成本。
2、解决了各种功能材料无法用于3D打印的问题。利用本发明，使用热固化凝胶或光固化凝胶作为粘结剂，前者通过3D打印机热床加热自然成型，后者可以通过本发明设计的紫外灯固化成型。复合所需的功能材料，如不同形状的纳米催化剂，即可形成特定的打印浆料，实现各种材料打印的目标。
3、将材料微观性能和宏观性能相结合。通过本发明挤出机，微观材料可以堆叠形成具有一定宏观形状的物体，宏观物体的形状可以通过计算机进行设计。这将功能材料的微观性能（如催化、离子存储、离子传输、电子传输等性能）和宏观结构（如孔道，凹槽，尖锥）结合在一起，为新材料的应用开阔道路。
附图说明:
图1为本发明实施例的主体结构示意图，其中，1为背板、2为前板、3为滑移板、4为丝杆模块、5为光轴模块、6为紫外灯模块、7为自动调平传感器、8为开关板、9为针筒；
图2为主体结构的三视图；
图3为丝杆模块的示意图，其中，4.4为丝杆、4.3为T型螺母、4.2为联轴器、4.1为42步进电机；
图4为丝杆模块的三视图；
图5为光轴模块的示意图，其中，5.3为光轴、5.2为直线轴承、5.1为法兰；
图6为光轴模块的三视图；
图7为紫外灯模块的示意图，其中，6.6为聚焦透镜、6.5为聚焦筒、6.4为散热块、6.3为球连接杆、6.2为锁紧螺母和6.1为底座；
图8为紫外灯模块的三视图。
具体实施方式：
本发明通过实施例，结合说明书附图对本发明内容作进一步详细说明，但不是对本发明的限定。
实施例
一种用于3D打印机的复合凝胶浆料挤出机，如图1和图2所示，包括1-背板、2-前板、3-滑移板、4-丝杆模块、5-光轴模块、6-紫外固化模块、7-自动调平模块、8-开关板、9-针筒。
1-背板为主体，其上有凹槽和特定位置的连接口。
2-前板也具有凹槽，且与1-背板大小一致，前、背板由对角线分布的两个螺栓连接，构成夹具，该夹具用来安装9-针筒。
3-滑移板移动推动9-针筒挤出，滑移板一侧安装在5-光轴模块的5.3-光轴上，另一侧安装在4-丝杆模块的4.4-丝杆上。
4-丝杆模块如图3和图4所示，包括4.1-42步进电机、4.2-联轴器、4.3-T型螺母、4.4-丝杆，由4.4-丝杆通过4.2-联轴器连接于4.1-步进电机上构成，步进电机通过螺栓直接连接在1-背板上。
5-光轴模块如图5和图6所示，是由三个部件构成，包括5.1-法兰、5.2-直线轴承、5.3-光轴，光轴模块由5.1-法兰固定在1-背板上；5-光轴模块和4-丝杆模块共同构成了Z轴方向移动机构，在电机驱动下，控制3-滑移板挤压9-针筒进行挤出。
6-紫外线灯模块如图7和图8所示，用于光固化树脂的成型，包括6.1-底座、6.2-锁紧螺母、6.3-球连接杆、6.4-散热块、6.5-聚焦筒和6.6-聚焦透镜，光源是紫外LED灯珠，6.3-球连接杆和6.2-锁紧螺母的设计可以控制光源的照射方向；6.4-散热块可以保证LED灯长时间运行；6.5-聚焦筒和6.6-聚焦透镜组合可以对紫外灯进行聚焦，并可以调节焦点位置以提高光固化速度。
7-自动调平传感器用于控制挤出喷嘴与平台间的距离，具体可以使用市售已有的BL-touch，用螺栓连接于1-背板下。
8-开关板用于触发3D打印机的限位开关，安装在1-背板左侧。
9-针筒的直径为14mm，长度为42mm。
本发明用于3D打印机的复合凝胶浆料挤出机的使用方法包括以下步骤：
步骤1，复合凝胶浆料挤出机的安装，拆掉3D打印机原装的挤出喷头，安装本发明挤出机；
步骤2，复合凝胶浆料挤出机的连接，将3D打印机原装步进电机的连接线转接到本发明的42步进电机上，并将自动调平传感器连接在主板上，在软件中打开自动调平功能；
步骤3，复合凝胶浆料的准备与填充，将粘结剂，分散剂，添加剂混合，制得复合凝胶浆料作为打印凝胶，再将打印凝胶装入针筒后，安装到打印机上，即可完成填充，即填料过程；
步骤4，样品的打印，打印时，通过计算机软件，将3维样品切片并生成G代码传输给打印机，打印机根据G代码的信息，控制针头的移动和挤出。
本装置结构简单，成本低，方便改装。主要用于材料实验室打印成型各种电极材料或传感器材料，解决了传统熔融沉积式3D打印机只能打印固体塑料的问题。
Claims (2)
1.一种用于3D打印机的复合凝胶浆料挤出机，其特征在于：包括背板、前板、滑移板、丝杆模块、光轴模块、紫外固化模块、自动调平模块、开关板、针筒；
背板为主体，其上有凹槽和特定位置的连接口；
前板也具有凹槽，且与背板大小一致，前、背板由对角线分布的两个螺栓连接，构成夹具，该夹具用来安装针筒；
滑移板移动推动针筒挤出，滑移板一侧安装在光轴模块的光轴上，另一侧安装在丝杆模块的丝杆上；
丝杆模块包括42步进电机、联轴器、T型螺母、丝杆，由丝杆通过联轴器连接于步进电机上构成，步进电机通过螺栓直接连接在背板上；
光轴模块，是由三个部件构成，包括法兰、直线轴承、光轴，光轴模块由法兰固定在背板上；光轴模块和丝杆模块共同构成了Z轴方向移动机构，在电机驱动下，控制滑移板挤压针筒进行挤出；
紫外线灯模块，用于光固化树脂的成型，包括底座、锁紧螺母、球连接杆、散热块、聚焦筒和聚焦透镜，光源是紫外LED灯珠，球连接杆和锁紧螺母的设计可以控制光源的照射方向；散热块可以保证LED灯长时间运行；聚焦筒和聚焦透镜组合可以对紫外灯进行聚焦，并可以调节焦点位置以提高光固化速度；
自动调平传感器用于控制挤出喷嘴与平台间的距离，具体可以使用市售的BL-touch，用螺栓连接于背板下；
开关板用于触发3D打印机的限位开关，安装在背板左侧；
针筒的直径为11-16mm，长度为36-60mm。
2.一种用于3D打印机的复合凝胶浆料挤出机的使用方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，复合凝胶浆料挤出机的安装：拆掉3D打印机原装的挤出喷头，安装本发明挤出机；
步骤2，复合凝胶浆料挤出机的连接：将3D打印机原装步进电机的连接线转接到本发明的42步进电机上，并将自动调平传感器连接在主板上，在软件中打开自动调平功能；
步骤3，复合凝胶浆料的准备与填充：将粘结剂，分散剂，添加剂混合，制得复合凝胶浆料作为打印凝胶，再将打印凝胶装入针筒后，安装到打印机上，即可完成填充，即填料过程；
步骤4，样品的打印：打印时，通过计算机软件，将3维样品切片并生成G代码传输给打印机，打印机根据G代码的信息，控制针头的移动和挤出。
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