CN116653285B - 一种调控光敏浆料流变性能的多材料增材制造装置及方法 - Google Patents

一种调控光敏浆料流变性能的多材料增材制造装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种调控光敏浆料流变性能的多材料增材制造装置及方法，涉及增材制造技术领域。该方法通过调控光敏浆料流变性能得到相匹配的浆料，挤出后具有良好保形性，再采用垂直打印模块进行光固化成型，结合水平打印、填充打印增材制造获得多材料三维立体结构部/器件；该装置包括底座、送料组件、垂直打印模块、填充打印模块、物料清除模块和三轴机械臂等；其中，基于多材料增材制造增加了用于牺牲相材料的填充打印模块，以实现复杂结构材料的一体成形和构筑器件内部高精度空心结构，从而极大地提高打印精度。本发明的多材料增材制造装置及方法简便易操作，大幅度降低多材料增材制造的制造难度，减少设备和材料成本，易于实现工业应用。

Description

一种调控光敏浆料流变性能的多材料增材制造装置及方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及一种调控光敏浆料流变性能的多材料增材制造装置及方法。
背景技术
增材制造又称3D打印，相较于传统制造技术，在复杂结构材料的制备方面有着成型速度快，成型精度高的优点，是一门独特的技术。目前普及的3D打印工艺有熔融沉积成型（FDM）、选择激光烧结成型(SLM)、直写成型(DIW)、光固化成型(SLA/DLP)等，这些技术均只能实现单一材料的零部件制造，且往往只具备单一性能，无法进一步满足用户对多功能定制化产品的需求。
进一步的，提出了多材料打印的概念，即采用不同类型的材料进行打印，实现复杂三维结构的多功能定制化和制造一体化。多材料3D打印技术在众多应用领域有着重要应用价值。例如，通过多材料打印技术实现三维电路板的制备，简化制造工艺，从而制造功能更复杂的电子器件；利用多材料打印技术实现表层和内部不同组分的医学植入体，从而制造多功能化植入体；相较于传统的制造领域的制造工艺，多材料打印技术可以简化甚至跳过组装工艺，直接实现复合材料结构一体化的制备。但是目前的多材料3D打印方案中，存在成型要求苛刻、设备材料成本昂贵和距离工业化应用有待提高等缺点。
比如，专利申请号CN202210943440.5多材料增材制造设备及多材料增材制造方法，该设备包括透光板、激光成形光源、零件托放装置、原料传输膜、原料传输膜运动装置、原料供给及回收系统以及控制系统，通过原料传输膜在多个原料供给系统间的移动来实现多材料增材制造，但是其存在材料粘度要求高，成型工艺复杂等不足；专利公告号CN113459509B一种多成型方式耦合的增材制造设备及方法，该设备包括机架、供料成型模块、光固化模块、刮刀模块、材料挤出模块和对打印材料进行保温的保温模块，通过材料挤出模块和供料成型模块依次成型来实现多材料增材制造，但是其存在成型工艺复杂、设备材料成本昂贵等不足。
因此，本发明设计了一种简便易操作、设备材料便宜的调控材料流变性能的多材料增材制造装置及方法。
发明内容
本发明提供了一种调控光敏浆料流变性能的多材料增材制造装置及方法，其目的是为了解决背景技术存在的上述问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种调控光敏浆料流变性能的多材料增材制造装置及方法，该方法通过调控光敏浆料流变性能得到相匹配的浆料，挤出后具有良好保形性，再采用垂直打印模块进行光固化成型，结合水平打印、填充打印模块增材制造获得多材料三维立体结构部/器件；该装置包括底座、送料组件、垂直打印模块、填充打印模块、物料清除模块和三轴机械臂等；其中，基于多材料增材制造增加了用于牺牲相材料的填充打印模块，以实现复杂结构材料的一体成形和构筑器件内部高精度空心结构，从而极大地提高打印精度。本发明的多材料增材制造装置及方法简便易操作，大幅度降低多材料增材制造的制造难度，减少设备和材料成本，易于实现工业应用。
本发明的实施例提供了一种调控光敏浆料流变性能的多材料增材制造装置，包括底座；所述底座的上端面向下形成有凹槽；
所述凹槽的底面向下凹陷形成收料槽；所述收料槽一端设置有进料槽；所述进料槽一端设置有可竖直和水平运动的刮刀；所述收料槽上方还设置有下沉式打印平台；所述凹槽的底部设置有送料组件；所述送料组件内置送料中转料筒和送料传输螺杆泵，由连接至计算机的相应电机控制；
三轴机械臂，固定于所述凹槽的上方；所述三轴机械臂末端设置有垂直打印模块和填充打印模块；通过控制信号输入控制三轴机械臂在三维空间中移动，以配合相应模块完成指令；
所述垂直打印模块包括点胶组件和物料储存组件；其中，点胶组件包括点胶头和信号控制线；所述物料储存组件包括物料盒、外置加热套和相应信号控制线；
所述填充打印模块包括点胶组件和牺牲相材料储存组件；其中，点胶组件包括点胶头和信号控制线；牺牲相材料储存组件包括物料盒、外置加热套和相应信号控制线；
物料清除模块，包括物料清除组件和回收组件，用于清除未固化的第一材料、第二材料或牺牲相材料；其中，物料清除组件包括吸料针筒、回收料盒、回收传输管；回收组件内置回收中转料筒、回收传输螺杆泵和气泵，由连接至计算机的相应电机控制；所述物料清除组件设置于三轴机械臂末端；所述回收组件设置于凹槽侧壁；
激光光源，设置在所述凹槽的侧壁上，用以对第一材料、第二材料或牺牲相材料进行光照固化。
本发明的实施例还提供了一种基于上述的多材料增材制造装置的调控光敏浆料流变性能的多材料增材制造方法，包括如下步骤：
S1：控制信号输入，送料组件将第一材料经由收料槽送至进料槽，随后刮刀接收信号后将第一材料刮至下沉式打印平台上，多余第一材料被刮至收料槽进行回收，经光源照射使物料固化成型，完成第一材料的打印；控制信号输入，三轴机械臂将物料清除模块移至已成型的第一材料上进行吸取，将打印区域内多余未固化的第一材料清除干净；
S2：控制信号输入，三轴机械臂将垂直打印模块的点胶组件移动到指定位置，进行第二材料打印，经光源照射使其固化成型，完成第二材料的打印；
S3：控制信号输入，牺牲相材料储存组件持续对牺牲相材料进行加热，使牺牲相材料保持液相；控制信号输入，三轴机械臂将填充打印模块的点胶组件移动到指定位置，进行牺牲相材料的打印，经光源照射/降温使其固化成型，完成牺牲相材料的打印；
S4：重复步骤S1~S3直至打印完成，即得多材料的三维立体结构部/器件；
所述第二材料的制备过程为：将交联剂加入光敏单体溶液中，引入调节剂进行超声溶解，完全溶解后利用高速分散器混合均匀，再加入光引发剂和分散剂进行超声溶解，完全溶解后在加入相应的无机粉体，利用混料机混合均匀，得到改变流变性能的保形型浆料。
优选地，所述第二材料的制备过程中光敏单体0.1-50份，交联剂0.1-50份，无机粉体0.1-60份，调节剂0.01-5份，分散剂0.01-5份，光引发剂0.01-5份。
优选地，所述第一材料的制备过程为：将交联剂加入光敏单体中，利用高速分散器混合均匀，再加入光引发剂和分散剂进行超声溶解，完全溶解后加入相应的无机粉体，利用混料机混合均匀，得到刮平型浆料。
优选地，所述光敏单体包括二季戊四醇六丙烯酸酯（DPHA）、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（TMPTA）、乙氧基三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（EO-TMPTA）、季戊四醇三丙烯酸酯（PETA）、季戊四醇四丙烯酸酯（PET4A）中的至少一种；所述交联剂包括1,6-己二醇二丙烯酸酯（HDDA）、二缩二丙二醇二丙烯酸酯（DPGDA）、二缩三丙二醇二丙烯酸酯（TPGDA）、丙烯酸羟乙酯（HEA）中的至少一种。
优选地，所述光引发剂包括2-异丙基硫杂蒽酮（ITX）、苯基双（2，4，6-三甲基苯甲酰基）氧化膦（819）、三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦（TPO）中的至少一种；所述无机粉体包括Al2O3、SiC、Si3N4、ZrO2、HAP、WC、MgO-Al2O3-SiO2、CaO- B2O3-SiO2、莫来石、玻璃粉、Au、Ag、Cu、W、Ni、Mo中的至少一种；所述分散剂包括XYS-710、XYS-2800、XYS-5800、KOS110、SP710中的至少一种。
优选地，所述调节剂包括甲基纤维素（MC）、乙基纤维素（EC）、6900-20X和气硅中的至少一种。
优选地，所述第一材料和第二材料的粘度范围为5~300 Pa·s，并呈现剪切变稀的特性。
优选地，所述第一材料和第二材料的粘度需对应匹配以适用于打印装置，匹配参数见如下表1：
表1第一材料和第二材料的粘度匹配参数表
优选地，所述牺牲相材料包括石蜡、海藻酸钠、琼脂、明胶（GEL）、聚乙酸乙烯酯和甲基丙烯酰化明胶（GelMA）中的至少一种。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
第一、降低多材料增材制造难度，通过浆料流变性能的调控，实现了同一增材制造设备能使用多种材料进行成型，且易于操作。
第二、填充打印系统的引入，可实现增材制造设备在成型具有微流道及空心等结构的器件具备更高的精度，可以更好的成型此类复杂结构。
第三、设备及材料成本低，本发明提出的材料体系和采用的多材料增材制造设备成本较低，且适用范围广，易于实现工业化应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1~4制备的浆料A和B性能表征图；
图2是本发明实施例1制备的三维立体结构部/器件示意图；
图3是本发明实施例的三维立体结构部/器件设计示意图；其中，①第一层设计图；②第二层设计图；③第三层设计图；④第四层设计图；
图4是本发明实施例的多材料增材制造装置示意图；
图5是本发明实施例的多材料增材制造装置送料组件示意图；
图6是本发明实施例的多材料增材制造装置垂直打印模块放大图；
图7是本发明实施例的多材料增材制造装置物料清除模块示意图。
【附图标记说明】
1-收料槽；2-送料组件；3-下沉式打印平台；4-进料槽；5-刮刀；6-回收组件；7-垂直打印模块；8-填充打印模块；9-三轴机械臂；10-物料清除组件；11-激光光源；A1-送料中转料筒；A2-送料传输螺杆泵；B1-点胶头；B2-物料盒；B3-外置加热套；C1-吸料针筒；C2-回收料盒；C3-回收传输管；C4-气泵；C5-回收中转料筒；C6-回收传输螺杆泵。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
在本申请文件的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。在本申请文件的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。
本发明针对现有的问题，提供了一种调控光敏浆料流变性能的多材料增材制造装置及方法。
本发明的实施例提供了一种调控光敏浆料流变性能的多材料增材制造装置，包括底座；所述底座的上端面向下形成有凹槽；
所述凹槽的底面向下凹陷形成收料槽1；所述收料槽1一端设置有进料槽4；所述进料槽4一端设置有可竖直和水平运动的刮刀5；所述收料槽1上方还设置有下沉式打印平台3；所述凹槽的底部设置有送料组件2；所述送料组件2内置送料中转料筒A1和送料传输螺杆泵A2，由连接至计算机的相应电机控制；
三轴机械臂9，固定于所述凹槽的上方；所述三轴机械臂9末端设置有垂直打印模块7、填充打印模块8；通过控制信号输入控制三轴机械臂9在三维空间中移动，以配合相应模块完成指令；
所述垂直打印模块7包括点胶组件和物料储存组件；其中，点胶组件包括点胶头B1和信号控制线；所述物料储存组件包括物料盒B2、外置加热套B3和相应信号控制线；
所述填充打印模块8包括点胶组件、牺牲相材料储存组件；其中，点胶组件包括点胶头和信号控制线；牺牲相材料储存组件包括物料盒、外置加热套及相应信号控制线；
物料清除模块，包括物料清除组件10和回收组件6，用于清除未固化的第一材料、第二材料或牺牲相材料；其中，物料清除组件10包括吸料针筒C1、回收料盒C2、回收传输管C3；回收组件6内置回收中转料筒C5、回收传输螺杆泵C6和气泵C4，由连接至计算机的相应电机控制；所述物料清除组件10设置于三轴机械臂9末端；所述回收组件6设置于凹槽侧壁；
激光光源11，设置在所述凹槽的侧壁上，用以对第一材料、第二材料或牺牲相材料进行光照固化。图4是该多材料增材制造装置示意图。图5是该多材料增材制造装置送料组件示意图。图6是该多材料增材制造装置垂直打印模块放大图。图7是该多材料增材制造装置物料清除模块示意图。
本发明的实施例还提供了一种基于上述的多材料增材制造装置的调控光敏浆料流变性能的多材料增材制造方法，包括如下步骤： 该三维立体结构部/器件设计示意图如图3所示。
S1：控制信号输入，送料组件2将第一材料经由收料槽1送至进料槽4，随后刮刀5接收信号后将第一材料刮至下沉式打印平台3上，多余第一材料被刮至收料槽1进行回收，经光源照射使物料固化成型，完成第一材料的打印；控制信号输入，三轴机械臂9将物料清除模块移至已成型的第一材料上进行吸取，将打印区域内多余未固化的第一材料清除干净；
S2：控制信号输入，三轴机械臂9将垂直打印模块7的点胶组件移动到指定位置，进行第二材料打印，经光源照射使其固化成型，完成第二材料的打印；
S3：控制信号输入，牺牲相材料储存组件持续对牺牲相材料进行加热，使牺牲相材料保持液相；控制信号输入，三轴机械臂9将填充打印模块8的点胶组件移动到指定位置，进行牺牲相材料的打印，经光源照射/降温使其固化成型，完成牺牲相材料的打印；
S4：重复步骤S1~S3直至打印完成，即得多材料的三维立体结构部/器件；
所述第二材料的制备过程为：将交联剂加入光敏单体溶液中，引入调节剂进行超声溶解，完全溶解后利用高速分散器混合均匀，再加入光引发剂和分散剂进行超声溶解，完全溶解后在加入相应的无机粉体，利用混料机混合均匀，得到改变流变性能的保形型浆料。
优选地，所述第二材料的制备过程中光敏单体0.1-50份，交联剂0.1-50份，无机粉体0.1-60份，调节剂0.01-5份，分散剂0.01-5份，光引发剂0.01-5份。
优选地，所述第一材料的制备过程为：将交联剂加入光敏单体中，利用高速分散器混合均匀，再加入光引发剂和分散剂进行超声溶解，完全溶解后加入相应的无机粉体，利用混料机混合均匀，得到刮平型浆料。
以下结合具体实施例进一步展开说明。
实施例1
采用流变性能不同的Cu和MgO-Al2O3-SiO2光敏浆料增材制造成型低温共烧陶瓷LTCC组件
步骤一：制备保形型浆料A。将HDDA（1.6份）和TMPTA（2.4份）与EC（0.03份）混合后于80 ℃下超声10 min，随后将其置于高速分散器下分散5 min，再加入分散剂XYS-2800（0.1份）及光引发剂TPO（0.1份）、819（0.15份）后置于超声波溶解仪中超声15min，使其充分溶解，最后加入C粉（6份）再置于混料机中搅拌1 min，使其混合均匀，至此浆料A制备完毕。其中高速分散器为2800 rad/min，混料机转速为1200 rad/min。
步骤二：制备刮平型浆料B。将HDDA（23.5份）和TMPTA（36.5份）混合，随后将其置于高速分散器下分散5 min，再加入分散剂KOS110（1.5份）及光引发剂TPO（2份）、819（1份）后置于超声波溶解仪中超声15min，使其充分溶解，最后加入MgO-Al2O3-SiO2粉（40份）再置于混料机中搅拌1 min，使其混合均匀，至此浆料B制备完毕。其中高速分散器为2800 rad/min，混料机转速为1200 rad/min。
步骤三：将浆料A装入垂直打印模块7中，将填充材料明胶装入填充打印模块8中，并将两个模块分别装至三轴机械臂9上，将浆料B倒入进料槽4中，随后进行打印，得到不同浆料体系层叠的三维立体结构。
步骤四：将成型的制件从下沉式打印平台3上取出，使用酒精对其残余树脂进行清洗，再置于温度为40 ℃的条件下保温0.5小时，使制件完全干燥。最后，将坯体置于惰性气氛的排胶烧结炉内，以3 ℃/min的升温速率升至500 ℃保温1小时进行排胶，然后继续以8℃/min的升温速率升至900 ℃进行烧结2小时，得到Cu和MgO-Al2O3-SiO2构成的LTCC组件，该组件结构示意图如图2所示。
实施例2
采用流变性能不同的Ag和CaO-B2O3-SiO2光敏浆料增材制造成型低温共烧陶瓷LTCC组件
步骤一：制备保形型浆料A。将TPGDA（2.1份）和PET4A（2.4份）与MC（0.02份）混合后于80 ℃下超声10 min，随后将其置于高速分散器下分散5 min，再加入分散剂XYS-710（0.15份）及光引发剂TPO（0.1份）、819（0.1份）后置于超声波溶解仪中超声15min，使其充分溶解，最后加入Ag粉（5份）和玻璃粉（0.4份）再置于混料机中搅拌1 min，使其混合均匀，至此浆料A制备完毕。其中高速分散器为2800 rad/min，混料机转速为1200 rad/min。
步骤二：制备刮平型浆料B。将TPGDA（21份）和PET4A（24份）混合，随后将其置于高速分散器下分散5 min，再加入分散剂KOS110（2 份）及光引发剂TPO（1.5份）、819（1.5份）后置于超声波溶解仪中超声15min，使其充分溶解，最后加入CaO-B2O3-SiO2粉（50份）再置于混料机中搅拌1 min，使其混合均匀，至此浆料B制备完毕。其中高速分散器为2800 rad/min，混料机转速为1200 rad/min。
步骤三：将浆料A装入垂直打印模块7中，将填充材料GelMA装入填充打印模块8中，并将两个模块分别装至三轴机械臂9上，将浆料B倒入进料槽4中，随后进行打印，得到不同浆料体系层叠的三维立体结构。
步骤四：将成型的制件从下沉式打印平台3上取出，使用酒精对其残余树脂进行清洗，再置于温度为40 ℃的条件下保温0.5小时，使制件完全干燥。最后，将坯体置于惰性气氛的排胶烧结炉内，以3 ℃/min的升温速率升至550 ℃保温1小时进行排胶，然后继续以8℃/min的升温速率升至850 ℃进行烧结2小时，得到Ag和CaO-B2O3-SiO2构成的LTCC组件。
实施例3
采用流变性能不同的Ni和莫来石光敏浆料增材制造成型高温共烧陶瓷HTCC组件
步骤一：制备保形型浆料A。将DPGDA（1.3份）和TMPTA（1.7份）与MC（0.02份）混合后于80 ℃下超声10 min，随后将其置于高速分散器下分散5 min，再加入分散剂XYS-5800（0.35份）及光引发剂TPO（0.1份）、819（0.2份）后置于超声波溶解仪中超声15min，使其充分溶解，最后加入Ni粉（6.5份）再置于混料机中搅拌1 min，使其混合均匀，至此浆料A制备完毕。其中高速分散器为2800 rad/min，混料机转速为1200 rad/min。
步骤二：制备刮平型浆料B。将DPGDA（25.5份）和TMPTA（34.5份）混合，随后将其置于高速分散器下分散5 min，再加入分散剂XYS-2800（0.5份）及光引发剂TPO（1份）、819（2份）后置于超声波溶解仪中超声15min，使其充分溶解，最后加入莫来石粉（35份）再置于混料机中搅拌1 min，使其混合均匀，至此浆料B制备完毕。其中高速分散器为2800 rad/min，混料机转速为1200 rad/min。
步骤三：将浆料A装入垂直打印模块7中，将填充材料明胶装入填充打印模块8中，并将两个模块分别装至三轴机械臂9上，将浆料B倒入进料槽4中，随后进行打印，得到不同浆料体系层叠的三维立体结构。
步骤四：将成型的制件从下沉式打印平台3上取出，使用酒精对其残余树脂进行清洗，再置于温度为40 ℃的条件下保温0.5小时，使制件完全干燥。最后，将坯体置于惰性气氛的排胶烧结炉内，以3 ℃/min的升温速率升至700 ℃保温1小时进行排胶，然后继续以8℃/min的升温速率升至1700 ℃进行烧结2小时，得到金属-陶瓷多材料体系光敏浆料成型的HTCC组件。
实施例4
采用流变性能不同的W和Al203光敏浆料增材制造成型低温共烧陶瓷HTCC组件
步骤一：制备保形型浆料A。将DPHA（1.9份）和EO-TMPTA（2.6份）与气硅（0.04份）混合后于80 ℃下超声10 min，随后将其置于高速分散器下分散5 min，再加入分散剂XYS-2800（0.25份）及光引发剂TPO（0.15份）、819（0.1份）后置于超声波溶解仪中超声15min，使其充分溶解，最后加入W粉（4份）和玻璃粉（0.2份）再置于混料机中搅拌1 min，使其混合均匀，至此浆料A制备完毕。其中高速分散器为2800 rad/min，混料机转速为1200 rad/min。
步骤二：制备刮平型浆料B。将DPHA（15份）和EO-TMPTA（20份）混合，随后将其置于高速分散器下分散5 min，再加入分散剂KOS110（1.5份）及光引发剂TPO（2份）、819（2份）后置于超声波溶解仪中超声15min，使其充分溶解，最后加入Al203粉（60份）再置于混料机中搅拌1 min，使其混合均匀，至此浆料B制备完毕。其中高速分散器为2800 rad/min，混料机转速为1200 rad/min。
步骤三：将浆料A装入垂直打印模块7中，将填充材料石蜡装入填充打印模块8中，并将两个模块分别装至三轴机械臂9上，将浆料B倒入进料槽4中，随后进行打印，得到不同浆料体系层叠的三维立体结构。
步骤四：将成型的制件从下沉式打印平台3上取出，使用酒精对其残余树脂进行清洗，再置于温度为40 ℃的条件下保温0.5小时，使制件完全干燥。最后，将坯体置于惰性气氛的排胶烧结炉内，以3 ℃/min的升温速率升至700 ℃保温1小时进行排胶，然后继续以8℃/min的升温速率升至1700 ℃进行烧结2小时，得到金属-陶瓷多材料体系光敏浆料成型的HTCC组件。
实施例5
采用流变性能不同的Cu和MgO-Al2O3-SiO2光敏浆料增材制造成型低温共烧陶瓷LTCC组件
步骤一：制备保形型浆料A。将HDDA（1.6份）和TMPTA（2.4份）与EC（0.03份）混合后于80 ℃下超声10 min，随后将其置于高速分散器下分散5 min，再加入分散剂XYS-2800（0.1份）及光引发剂TPO（0.1份）、819（0.15份）后置于超声波溶解仪中超声15min，使其充分溶解，最后加入Cu粉（6份）再置于混料机中搅拌1 min，使其混合均匀，至此浆料A制备完毕。其中高速分散器为2800 rad/min，混料机转速为1200 rad/min。
步骤二：制备刮平型浆料B。将HDDA（23.5份）和TMPTA（36.5份）混合，随后将其置于高速分散器下分散5 min，再加入分散剂XYS-5800（1.5份）及光引发剂TPO（2份）、819（1份）后置于超声波溶解仪中超声15min，使其充分溶解，最后加入粉（40份）再置于混料机中搅拌1 min，使其混合均匀，至此浆料B制备完毕。其中高速分散器为2800 rad/min，混料机转速为1200 rad/min。
步骤三：将浆料A装入垂直打印模块7中，将填充材料聚乙酸乙烯酯装入填充打印模块8中，并将两个模块分别装至三轴机械臂9上，将浆料B倒入进料槽4中，随后进行打印，得到不同浆料体系层叠的三维立体结构。
步骤四：将成型的制件从下沉式打印平台3上取出，使用酒精对其残余树脂进行清洗，再置于温度为40 ℃的条件下保温0.5小时，使制件完全干燥。最后，将坯体置于惰性气氛的排胶烧结炉内，以3 ℃/min的升温速率升至500 ℃保温1小时进行排胶，然后继续以8℃/min的升温速率升至900 ℃进行烧结2小时，得到金属-陶瓷多材料体系光敏浆料成型的LTCC组件。
实施例6
采用流变性能不同的Co和WC-Co光敏浆料增材制造成型硬质相和粘结相分布可控的WC-Co硬质合金部件
步骤一：制备保形型浆料A。将DPHA（3.5份）和TMPTA（4.5 份）与6900-20X（0.05份）混合后于80 ℃下超声10 min，随后将其置于高速分散器下分散5 min，再加入分散剂XYS-710（0.2份）、XYS-5800（0.1份）及光引发剂TPO（0.1份）、819（0.2份）后置于超声波溶解仪中超声15min，使其充分溶解，最后加入Co粉（5份）再置于混料机中搅拌1 min，使其混合均匀，至此浆料A制备完毕。其中高速分散器为2800 rad/min，混料机转速为1200 rad/min。
步骤二：制备刮平型浆料B。将DPHA（25份）和TMPTA（35份）混合，随后将其置于高速分散器下分散5 min，再加入分散剂XYS-5800（1.5份）及光引发剂TPO（2份）、819（1份）后置于超声波溶解仪中超声15min，使其充分溶解，最后加入WC粉（40份）和Co粉（5份）再置于混料机中搅拌1 min，使其混合均匀，至此浆料B制备完毕。其中高速分散器为2800 rad/min，混料机转速为1200 rad/min。
步骤三：将浆料A装入垂直打印模块7中，将填充材料海藻酸钠装入填充打印模块8中，并将两个模块分别装至三轴机械臂9上，将浆料B倒入进料槽4中，随后进行打印，得到不同浆料体系层叠的三维立体结构。
步骤四：将成型的制件从下沉式打印平台3上取出，使用酒精对其残余树脂进行清洗，再置于温度为40 ℃的条件下保温0.5小时，使制件完全干燥。最后，将坯体置于惰性气氛的排胶烧结炉内，以5 ℃/min的升温速率升至800 ℃保温1小时进行排胶，然后继续以10℃/min的升温速率升至1450 ℃进行烧结2小时，得到硬质相和粘结相分布可控的WC-Co硬质合金部件。
实施例7
采用流变性能不同的Al2O3和HAP光敏浆料增材制造成型Al2O3-HAP髋关节假体
步骤一：制备保形型浆料A。将HDDA（2份）和TMPTA（2.5份）与6900-20X（0.05份）混合后于80 ℃下超声10 min，随后将其置于高速分散器下分散5 min，再加入分散剂XYS-5800（0.3份）及光引发剂TPO（0.15份）、819（0.15份）后置于超声波溶解仪中超声15min，使其充分溶解，最后加入Al2O3粉（5份）再置于混料机中搅拌1 min，使其混合均匀，至此浆料A制备完毕。其中高速分散器为2800 rad/min，混料机转速为1200 rad/min。
步骤二：制备刮平型浆料B。将HDDA（20份）和TMPTA（25份）混合，随后将其置于高速分散器下分散5 min，再加入分散剂XYS-2800（1份）及光引发剂TPO（1.5份）、819（1.5份）后置于超声波溶解仪中超声15min，使其充分溶解，最后加入HAP粉（50份）再置于混料机中搅拌1 min，使其混合均匀，至此浆料B制备完毕。其中高速分散器为2800 rad/min，混料机转速为1200 rad/min。
步骤三：将浆料A装入垂直打印模块7中，将填充材料GelMA装入填充打印模块8中，并将两个模块分别装至三轴机械臂9上，将浆料B倒入进料槽4中，随后进行打印，得到不同浆料体系层叠的三维立体结构。
步骤四：将成型的制件从下沉式打印平台3上取出，使用酒精对其残余树脂进行清洗，再置于温度为40 ℃的条件下保温0.5小时，使制件完全干燥。最后，将制件置于惰性气氛的排胶烧结炉内，以3 ℃/min的升温速率升至600 ℃保温1小时进行排胶，然后继续以3℃/min的升温速率升至1200 ℃进行烧结2小时，得到Al2O3-HAP髋关节假体。
实施例8
采用流变性能不同的Al2O3和ZrO2光敏浆料增材制造成型Al2O3-ZrO2多材料结构
步骤一：制备保形型浆料A。将DPGDA（1.5份）和PETA（2份）与气硅（0.04份）混合后于80 ℃下超声10 min，随后将其置于高速分散器下分散5 min，再加入分散剂KOS110（0.3份）及光引发剂TPO（0.15份）、819（0.15份）后置于超声波溶解仪中超声15min，使其充分溶解，最后加入Al2O3（6份）再置于离混料机中搅拌1 min，使其混合均匀，至此浆料A制备完毕。其中高速分散器为2800 rad/min，混料机转速为1200 rad/min。
步骤二：制备刮平型浆料B。将DPGDA（19份）和PETA（26份）混合，随后将其置于高速分散器下分散5 min，再加入分散剂XYS-710（3份）及光引发剂TPO（2份）、819（1份）后置于超声波溶解仪中超声15min，使其充分溶解，最后加入ZrO2粉（40份）再置于混料机中搅拌1min，使其混合均匀，至此浆料B制备完毕。其中高速分散器为2800 rad/min，混料机转速为1200 rad/min。
步骤三：将浆料A装入垂直打印模块7中，将填充材料Gel装入填充打印模块8中，并将两个模块分别装至三轴机械臂9上，将浆料B倒入进料槽4中，随后进行打印，得到不同浆料体系层叠的三维立体结构。
步骤四：将成型的制件从下沉式打印平台3上取出，使用酒精对其残余树脂进行清洗，再置于温度为40 ℃的条件下保温0.5小时，使制件完全干燥。最后，将制件置于惰性气氛的排胶烧结炉内，以2 ℃/min的升温速率升750 ℃保温1小时进行排胶，然后继续以5℃/min的升温速率升至1600 ℃进行烧结2小时，得到Al2O3-ZrO2多材料结构。
实施例9
采用流变性能不同的Al和Cu光敏浆料增材制造成型Al-Cu复合材料空心连接件
步骤一：制备保形型浆料A。将HDDA（1.5份）和TMPTA（2份）与MC（0.01份）混合后于80 ℃下超声10 min，随后将其置于高速分散器下分散5 min，再加入分散剂SP-710（0.1份）及光引发剂TPO（0.1份）、819（0.15份）后置于超声波溶解仪中超声15min，使其充分溶解，最后加入Al粉（6份）再置于混料机中搅拌1 min，使其混合均匀，至此浆料A制备完毕。其中高速分散器为2800 rad/min，混料机转速为1200 rad/min。
步骤二：制备刮平型浆料B。将HDDA（15份）和TMPTA（20份）混合，随后将其置于高速分散器下分散5 min，再加入分散剂XYS-5800（1份）及光引发剂TPO（1份）、819（1份）后置于超声波溶解仪中超声15min，使其充分溶解，最后加入Cu粉（50份）再置于混料机中搅拌1min，使其混合均匀，至此浆料B制备完毕。其中高速分散器为2800 rad/min，混料机转速为1200 rad/min。
步骤三：将浆料A装入垂直打印模块7中，将填充材料聚乙酸乙烯酯装入填充打印模块8中，并将两个模块分别装至三轴机械臂9上，将浆料B倒入进料槽4中，随后进行打印，得到不同浆料体系层叠的三维立体结构。
步骤四：将成型的制件从下沉式打印平台3上取出，使用酒精对其残余树脂进行清洗，再置于温度为40 ℃的条件下保温0.5小时，使制件完全干燥。最后，将坯体置于惰性气氛的排胶烧结炉内，以2 ℃/min的升温速率升至400 ℃保温1小时进行排胶，然后继续以7℃/min的升温速率升至550 ℃进行烧结2小时，得到Al-Cu多材料空心连接件。
实施例10
采用流变性能不同的Ni和Cu光敏浆料增材制造成型Ni-Cu复合材料零部件
步骤一：制备保形型浆料A。将DPGDA（1份）和PETA（1.5份）与EC（0.01份）混合后于80 ℃下超声10 min，随后将其置于高速分散器下分散5 min，再加入分散剂XYS-2800（0.3份）及光引发剂TPO（0.05份）、819（0.15份）后置于超声波溶解仪中超声15min，使其充分溶解，最后加入Ni粉（7份）再置于混料机中搅拌1 min，使其混合均匀，至此浆料A制备完毕。其中高速分散器为2800 rad/min，混料机转速为1200 rad/min。
步骤二：制备刮平型浆料B。将DPGDA（10份）和PETA（15份）混合，随后将其置于高速分散器下分散5 min，再加入分散剂SP710（1.5份）及光引发剂TPO（1份）、819（1.5份）后置于超声波溶解仪中超声15min，使其充分溶解，最后加入Cu粉（60份）再置于lix1混料机中搅拌1 min，使其混合均匀，至此浆料B制备完毕。其中高速分散器为2800 rad/min，混料机转速为1200 rad/min。
步骤三：将浆料A装入垂直打印模块7中，将填充材料明胶装入填充打印模块8中，并将两个模块分别装至三轴机械臂9上，将浆料B倒入进料槽4中，随后进行打印，得到不同浆料体系层叠的三维立体结构。
步骤四：将成型的制件从下沉式打印平台3上取出，使用酒精对其残余树脂进行清洗，再置于温度为40 ℃的条件下保温0.5小时，使制件完全干燥。最后，将坯体置于惰性气氛的排胶烧结炉内，以1 ℃/min的升温速率升至700 ℃保温1小时进行排胶，然后继续以3℃/min的升温速率升至1450 ℃进行烧结2小时，得到Ni-Cu多材料零部件。
为了进一步从性能上突出本发明制备的光敏浆料的性能，分别对实施例1、实施例2、实施例3、实施例4进行了流变性能的表征，如图1所示，通过添加流变剂改变了同种树脂体系的粘度使其适用于不同的打印体系，其成型精度如表2所示，其中打印线径和线距对应浆料A的成型精度，打印孔径和层厚对应浆料B的成型精度，从表中数据可看出，本发明所制备的光敏浆料均具备良好的成型精度。表3为实施例1~4中牺牲相材料保持液相时的温度及粘度变化，当粘度低于20即可进行牺牲相材料的打印，即当温度条件满足时所打印牺牲相材料能良好的填充在器/部件空腔中。
表2成型精度对比表
表3牺牲相材料不同温度及对应粘度范围表
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于调控光敏浆料流变性能的多材料增材制造装置的多材料增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：控制信号输入，送料组件将第一材料经由收料槽送至进料槽，随后刮刀接收信号后将第一材料刮至下沉式打印平台上，多余第一材料被刮至收料槽进行回收，经光源照射使物料固化成型，完成第一材料的打印；控制信号输入，三轴机械臂将物料清除模块移至已成型的第一材料上进行吸取，将打印区域内多余未固化的第一材料清除干净；
S2：控制信号输入，三轴机械臂将垂直打印模块的点胶组件移动到指定位置，进行第二材料打印，经光源照射使其固化成型，完成第二材料的打印；
S3：控制信号输入，牺牲相材料储存组件持续对牺牲相材料进行加热，使牺牲相材料保持液相；控制信号输入，三轴机械臂将填充打印模块的点胶组件移动到指定位置，进行牺牲相材料的打印，经光源照射/降温使其固化成型，完成牺牲相材料的打印；
S4：重复步骤S1~S3直至打印完成，即得多材料的三维立体结构部/器件；
所述第二材料的制备过程为：将交联剂加入光敏单体溶液中，引入调节剂进行超声溶解，完全溶解后利用高速分散器混合均匀，再加入光引发剂和分散剂进行超声溶解，完全溶解后在加入相应的无机粉体，利用混料机混合均匀，得到改变流变性能的保形型浆料；
所述第二材料的制备过程中光敏单体0.1-50份，交联剂0.1-50份，无机粉体0.1-60份，调节剂0.01-5份，分散剂0.01-5份，光引发剂0.01-5份；
所述调节剂包括甲基纤维素、乙基纤维素、6900-20X和气硅中的至少一种；
所述无机粉体包括SiC、Si3N4、ZrO2、HAP、WC、MgO-Al2O3-SiO2、CaO- B2O3-SiO2、莫来石、玻璃粉、Au、Ag、Cu、W、Ni、Mo中的至少一种；
所述第一材料和第二材料的粘度范围为5~300 Pa·s，并呈现剪切变稀的特性；所述第一材料和第二材料的粘度匹配参数具体为：粘度区间1中第一材料粘度为80~120 Pa·s、第二材料粘度为5~40 Pa·s；粘度区间2中第一材料粘度为140~180 Pa·s、第二材料粘度为41~70 Pa·s；粘度区间3中第一材料粘度为200~240 Pa·s、第二材料粘度为71~100 Pa·s；粘度区间4中第一材料粘度为260~300 Pa·s、第二材料粘度为101~130 Pa·s；
其中，调控光敏浆料流变性能的多材料增材制造装置包括底座；所述底座的上端面向下形成有凹槽；
所述凹槽的底面向下凹陷形成收料槽；所述收料槽一端设置有进料槽；所述进料槽一端设置有可竖直和水平运动的刮刀；所述收料槽上方还设置有下沉式打印平台；所述凹槽的底部设置有送料组件；所述送料组件内置送料中转料筒和送料传输螺杆泵，由连接至计算机的相应电机控制；
三轴机械臂，固定于所述凹槽的上方；所述三轴机械臂末端设置有垂直打印模块和填充打印模块；通过控制信号输入控制三轴机械臂在三维空间中移动，以配合相应模块完成指令；
所述垂直打印模块包括点胶组件和物料储存组件；其中，点胶组件包括点胶头和信号控制线；所述物料储存组件包括物料盒、外置加热套和相应信号控制线；
所述填充打印模块包括点胶组件和牺牲相材料储存组件；其中，点胶组件包括点胶头和信号控制线；牺牲相材料储存组件包括物料盒、外置加热套和相应信号控制线；
物料清除模块，包括物料清除组件和回收组件，用于清除未固化的第一材料、第二材料或牺牲相材料；其中，物料清除组件包括吸料针筒、回收料盒、回收传输管；回收组件内置回收中转料筒、回收传输螺杆泵和气泵，由连接至计算机的相应电机控制；所述物料清除组件设置于三轴机械臂末端；所述回收组件设置于凹槽侧壁；
激光光源，设置在所述凹槽的侧壁上，用以对第一材料、第二材料或牺牲相材料进行光照固化。
2.根据权利要求1所述的基于调控光敏浆料流变性能的多材料增材制造装置的多材料增材制造方法，其特征在于，所述第一材料的制备过程为：将交联剂加入光敏单体中，利用高速分散器混合均匀，再加入光引发剂和分散剂进行超声溶解，完全溶解后加入相应的无机粉体，利用混料机混合均匀，得到刮平型浆料。
3.根据权利要求2所述的基于调控光敏浆料流变性能的多材料增材制造装置的多材料增材制造方法，其特征在于，所述光敏单体包括二季戊四醇六丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、乙氧基三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯中的至少一种；所述交联剂包括1,6-己二醇二丙烯酸酯、二缩二丙二醇二丙烯酸酯、二缩三丙二醇二丙烯酸酯、丙烯酸羟乙酯中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的基于调控光敏浆料流变性能的多材料增材制造装置的多材料增材制造方法，其特征在于，所述光引发剂包括2-异丙基硫杂蒽酮、苯基双（2，4，6-三甲基苯甲酰基）氧化膦、三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦中的至少一种；所述无机粉体包括Al2O3、SiC、Si3N4、ZrO2、HAP、WC、MgO-Al2O3-SiO2、CaO- B2O3-SiO2、莫来石、玻璃粉、Au、Ag、Cu、W、Ni、Mo中的至少一种；所述分散剂包括XYS-710、XYS-2800、XYS-5800、KOS110、SP710中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的基于调控光敏浆料流变性能的多材料增材制造装置的多材料增材制造方法，其特征在于，所述牺牲相材料包括石蜡、海藻酸钠、琼脂、明胶、聚乙酸乙烯酯和甲基丙烯酰化明胶中的至少一种。
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