CN117698114A - 一种面向fdm3d打印的变温微流控辅助打印装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面向FDM3D打印的变温微流控辅助打印装置及方法，属于3D打印技术领域；解决了传统FDM3D打印技术存在的多样性、温度控制和打印效率的问题；包括微流控辅助打印装置，微流控辅助打印装置包括壳体，壳体的顶部设置有多个推送管，壳体的底部设置有多个具有静态混合结构的喷嘴，壳体的内部设置有微流控装置，微流控装置包括加热器、微流控管道、冷却液管道和温度传感器，加热器沿壳体内部轴心设置一圈，微流控管道环绕在加热器周围，冷却液管道环绕在微流控管道周围，每个微流控管道配备一个温度控制器，微流控管道的入料口与推送管的出料口相连，多个微流控管道的出料口在进入喷嘴前交汇；本发明应用于3D打印。

Description

一种面向FDM3D打印的变温微流控辅助打印装置及方法

技术领域

本发明提供了一种面向FDM3D打印的变温微流控辅助打印装置及方法，属于3D打印技术领域。

背景技术

3D打印技术（又称为添加制造、快速成型或增材制造）是一种通过逐层堆叠材料来构建物体的制造方法。与传统的减材制造（例如切削、雕刻等）不同，3D打印技术通过逐层添加材料，使得设计者能够以更加自由和灵活的方式创造物体。FDM3D打印技术的历史可以追溯到上世纪80年代，是一种出现最早也是最为成熟的3D打印技术。在国际上，3D打印技术一直在不断创新和发展。越来越多的研究致力于提高3D打印的精度、速度和多样性。微流控技术作为一种新兴的技术，已经在生物医学、化学分析和药物研发等领域取得了显著的应用成果。然而，在3D打印领域，微流控技术的应用仍处于初级阶段。随着制造业的快速发展和技术创新，3D打印技术已经成为国家战略支持的重点领域之一。各种3D打印技术不断涌现，为产业链各个环节带来了新的机遇和挑战。随着3D打印技术的不断成熟，对于实现多材料、多功能和高效率的打印需求也日益增加。

随着3D打印技术的不断发展，越来越多的制造领域开始采用这种先进的制造方法。然而，传统的FDM（熔融沉积制造）3D打印技术存在一些局限性，特别是在实现多样化打印对象时。现有的FDM 3D打印方法通常只能使用固定的材料和工艺参数，这限制了打印对象的多样性和复杂性。另外，对于一些特定的应用，如组织工程、医疗器械制造和能源器件制造等，需要打印材料在不同的温度下具有不同的性能和特性。然而，在传统的FDM3D打印中，控制材料温度的能力有限，往往无法满足这些特定应用的需求。

综上所述，为了克服传统FDM3D打印技术的局限性，以及满足不同应用领域的需求，本发明旨在提供一种能够实现实时动态温度、流动和混合控制的变温微流控辅助打印装置及方法，以实现更高的打印多样性、精度和适应性。

发明内容

本发明为了解决传统FDM3D打印技术存在的多样性、温度控制和打印效率的问题，提出了一种面向FDM3D打印的变温微流控辅助打印装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种面向FDM3D打印的变温微流控辅助打印装置，包括微流控辅助打印装置，所述微流控辅助打印装置包括壳体，所述壳体的顶部设置有多个推送管，所述壳体的底部设置有多个具有静态混合结构的喷嘴，所述壳体的内部设置有微流控装置，所述微流控装置包括加热器、微流控管道、冷却液管道和温度传感器，所述加热器沿壳体内部轴心设置一圈，所述微流控管道环绕在加热器周围，所述冷却液管道环绕在微流控管道周围，每个微流控管道配备一个温度控制器，所述冷却液管道连接外部冷却系统，所述微流控管道的入料口与推送管的出料口相连，多个微流控管道的出料口在进入喷嘴前交汇；

所述微流控装置的控制器通过导线分别与加热器的控制端、温度传感器、外部冷却系统的控制端相连。

所述喷嘴包括喷管、混合器、通孔和连接接头，所述喷管为圆锥形，喷管的内壁上设有多个沿轴向分布的围绕主轴一圈的圆形槽，所述圆形槽用于固定混合器的位置，每一层的混合器都相互联通，所述喷管的顶部设置有连接接头，通过连接接头连接喷嘴与微流控管道，所述混合器设置在喷管内，为异形板交错排列结构，所述通孔设置在混合器内，用于使流体在通过时发生分割、重组和混合，使流体产生旋转运动。

所述壳体的外部设置有旋转结构，所述旋转结构包括两个带有驱动小齿轮的金属杆和设置在壳体外部的微流控齿轮轨道凹槽，所述微流控齿轮轨道凹槽内设置有外部大齿轮，所述外部大齿轮与两个金属杆上的驱动小齿轮啮合，所述驱动小齿轮的驱动端通过导线与微流控装置的控制器相连。

所述壳体的底部设置有十字排列的接口，每个接口上安装一个具有静态混合结构的喷嘴，所述喷嘴位于微流控辅助打印装置的旋转平面上。

所述外部冷却系统由多个冷却液箱以及散热装置组成。

所述温度传感器设置在距离微流控管道2-3毫米处。

所述推送管由不锈钢材质制成，内设有弹性支撑结构连接齿轮，所述齿轮通过连杆设置在推送管内壁上，用于对线材进行推送，所述弹性支撑结构设置在推送管内壁上，用于使推送管自适应推送线材的粗细，将线材稳定固定在推送管内部，所述推送管的下端与微流控辅助打印装置的连接处安装有气凝胶垫片，所述推送管的上端通过线材连接挤出机。

一种面向FDM3D打印的变温微流控辅助打印方法，采用面向FDM3D打印的变温微流控辅助打印装置，包括如下步骤：

将变温微流控辅助打印装置安装在现有的3D打印机上，通过线材将辅助打印装置与挤出机连接，同时，将冷却液管道连接到外部冷却系统；

根据所需的打印结构和实际需求，选择合适的打印方式，根据选择的路径，生成相应的路径文件；

根据每个推送管推送线材的特性，设定挤出机的参数，根据预设的打印丝的形状和直径，设定相应的控制压力，以调节出丝速度；

在打印过程中，通过温度传感器监测打印浆料的温度，确保材料在合适的温度范围内，根据实际情况，调整冷却液的流速以维持所需的温度。

所述打印方式包括：

平行移动路径：控制微流控辅助装置在平行方向上移动构建具有长方体特征的打印对象；

旋转移动路径：控制旋转结构使打印路径会呈现出圆饼形状，用于制造具有圆柱特征的打印对象。

在打印过程中实时监测打印丝的直径和形状，根据需要进行实时调整。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提出的面向FDM3D打印的变温微流控辅助打印装置及方法，创新性地解决了传统FDM3D打印技术在多样性、温度控制、混合效率和打印路径等方面的局限性。通过实时动态调整打印材料的温度、流动性和混合比例，本发明实现了更多样化、高效率的打印对象制造。加热器、微流控管道和冷却液管道的集成实现了精确的温度控制，不同打印材料可在不同温度下打印。静态混合结构的喷嘴确保了打印浆料的均匀混合，提高了打印质量和性能。通过外接的旋转结构，可在平行移动路径和旋转移动路径中切换，提高了打印的灵活性和效率。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明的面向FDM3D打印的变温微流控辅助打印装置的结构示意图；

图2为本发明的面向FDM3D打印的变温微流控辅助打印装置的推送管的结构示意图；

图3为本发明的面向FDM3D打印的变温微流控辅助打印装置的微流控辅助打印装置的结构示意图；

图4为本发明的面向FDM3D打印的变温微流控辅助打印装置的旋转结构的结构示意图；

图5为本发明的面向FDM3D打印的变温微流控辅助打印装置的喷嘴布局示意图；

图6-7为本发明的面向FDM3D打印的变温微流控辅助打印装置的静喷嘴结构示意图；

图8为喷嘴内异形板交错排列的混合器的结构示意图；

图9为本发明的FDM3D打印方法中平行移动路径下的打印示意图；

图10为本发明的FDM3D打印方法中旋转移动路径下的打印示意图；

图11为采用本发明的装置选择平行移动路径打印得到的实物图；

图12为采用本发明的装置选择旋转移动路径打印得到的实物图；

图中：001：推送管，002：微流控辅助打印装置，003：金属杆，004：外部大齿轮，005：微流控齿轮轨道凹槽，006：冷却液管道，007：加热器，008：温度传感器，009：微流控管道，010：喷嘴，011：喷管，012：混合器，013：通孔，014：连接接头。

具体实施方式

如图1至图12所示，本发明提供了一种面向FDM3D打印的变温微流控辅助打印装置，包括微流控辅助打印装置002，微流控辅助打印装置002通过外部齿轮啮合连接有旋转结构，微流控辅助打印装置002集成了多种组件以实现温度、流动和混合比例的控制。旋转结构用于控制微流控辅助打印装置002的旋转程度以适应不同的打印需求。

所述微流控辅助打印装置002包括壳体，所述壳体的顶部设置有多个推送管001，所述壳体的底部设置有多个具有静态混合结构的喷嘴010，所述壳体的内部设置有微流控装置，所述微流控装置包括加热器007、微流控管道009、冷却液管道006和温度传感器008，所述加热器007沿壳体内部轴心设置一圈，所述微流控管道009环绕在加热器007周围，所述冷却液管道006环绕在微流控管道009周围，每个微流控管道009配备一个温度控制器008，所述冷却液管道006连接外部冷却系统，所述微流控管道009的入料口与推送管001的出料口相连，多个微流控管道009的出料口在进入喷嘴010前交汇；

所述微流控装置的控制器通过导线分别与加热器的控制端、温度传感器、外部冷却系统的控制端相连。

其中，推送管001具体包括用于推送不同种类的打印线材的三个推送管001，推送管001用于自适应不同规格线材的输送，上端通过线材连接挤出机，下端安装在微流控辅助打印装置002的三个微流控管道009的进料口。推送管001由不锈钢材质制成避免料丝的磨损，内设有弹性支撑结构连接齿轮，弹性支撑结构作用是使推送管001可以自适应推送线材的粗细，可以讲线材稳定固定在推送管内部，不产生水平方向的偏移。齿轮设置在推送管001内壁上，用于对线材的推送，见图2，推送管001的下端与微流控辅助打印装置002连接处安装有气凝胶垫片，有效隔绝了微流控辅助打印装置002向上传导的热量。

微流控辅助打印装置002连接到三个推送管001下方，并紧密集成加热器007、微流控管道009、冷却液管道006、温度传感器008和外部大齿轮004共5种组件。其中加热器007、微流控管道009、冷却液管道006、温度传感器008设置在壳体内部作为微流控装置，外部大齿轮004设置在壳体外部的微流控齿轮轨道凹槽005上，用于旋转壳体。

集成的加热器007位于微流控辅助打印装置002壳体的内部轴心位置并被壳体包裹，呈圆柱体形态。它的作用是为微流控辅助打印装置002提供热源，加热打印浆料，以保持其在微流控管道009中的合适温度，确保流动性。加热器007的温度可以根据不同材料的要求进行调节。加热器007最低温度需要高过三种打印材料的最高熔点以达到最佳的流动性和粘附性，由此可以确保打印的每一层都具有出色的质量和精度。

集成的微流控管道009环绕在加热器007周围输送加热后的打印浆料，三个微流控管道009在进入喷嘴010前交汇，通过控制推送管001推送材料的速度来控制三种打印浆料的混合比例。

集成的冷却液管道006环绕在微流控管道009周围，通过冷却打印浆料来维持其所需温度。冷却液管道006连接外部冷却系统，外部冷却系统由三个冷却液箱以及散热装置组成。

加热器007周围的微流控制管道009则用于输送浆料，这些微流控制管道009被冷却液管道006包裹。此外，每个微流控制管道009配备一个温度传感器008，用于监测对应浆料的温度，控制冷却液流速以实现对应温度的分别调节。集成的温度传感器008位于每个微流控管道009旁外围2~3毫米处，用于实时监测打印浆料的温度。这种反馈机制有助于外部冷却系统进行准确的温度调节。

当冷却液温度较三个温度传感器008中最高温度更低时，则不经过散热装置，直接流向冷却液箱进行散热。当冷却液温度较三个温度传感器008最低温度更高时，则经过散热装置，再流向冷却液箱。根据温度传感器008的反馈信息调节冷却液的流速，从而精确地调整不同挤出机材料微流控管道中的温度，以实现稳定且一致的打印效果。

外接旋转结构由两个带有驱动小齿轮的金属杆003组成，与微流控辅助打印装置002壳体的外部大齿轮004拼接，其中外部大齿轮004设置在壳体外部开设的微流控齿轮轨道凹槽005内，由小齿轮带动外部大齿轮004通过传动机制使得微流控辅助打印装置002能够在FDM3D打印过程中实现旋转，从而改变材料的堆叠方式和打印路径。

微流控辅助打印装置002底部设有十字排列的接口，安装若干个具有静态混合结构的喷嘴010。这些喷嘴010位于微流控辅助打印装置002的旋转平面上。通过这个布局，每个喷嘴010根据与旋转中心的距离d通过线性插值法设置对应位置的孔径，可以在不同的旋转角度下均匀分布在打印表面，实现多形式多角度的打印。静态混合结构的喷嘴010保证了不同种类的打印浆料在喷射前被均匀混合，这种混合结构保证了每一层打印都由均一的材料组成，从而提高了打印质量和材料性能。

静态混合结构的喷嘴010由喷管011、混合器012、通孔013、连接接头014组成，喷管011为圆锥形，其内壁上设有多个沿轴向分布的圆形槽围绕主轴一圈，用于固定混合器的位置，每一层的混合器都相互联通，喷管011的顶部设置有连接接头014，通过连接接头014连接喷嘴010与微流控管道009，混合器012设置在喷管011内，为异形板交错排列，如图7所示，通孔013设置在混合器012内，用于使流体在通过时发生分割、重组和混合使流体产生旋转运动。

本发明还提出了一种FDM3D打印方法，采用上述打印装置，打印步骤如下：

将变温微流控辅助打印装置安装在现有的3D打印机上，确保辅助打印装置与打印平台适合，并且与3D打印机的控制系统相兼容。通过线材将辅助打印装置与挤出机连接，确保材料能够顺利输送到喷嘴010。同时，将冷却液管道006连接到外部冷却系统，以保持辅助打印装置和打印材料的合适温度。

根据所需的打印结构和实际需求，从平行移动路径和旋转移动路径中选择合适的打印方式。根据选择的路径，生成相应的路径文件，包括打印头的移动坐标、速度和喷嘴010的开启关闭时机等信息。这些路径文件将在后续的打印过程中用于控制打印头的运动和材料的挤出。

其中平行移动路径为：当微流控辅助装置在平行方向上移动时，打印路径呈现出类长方体形状。在这种模式下，打印头会在同一个平面内来回移动，从而构建具有长方体特征的打印对象，如图11所示。

旋转移动路径：通过旋转微流控辅助装置，打印路径会呈现出圆饼形状。这样的打印路径适用于制造具有圆柱特征的打印对象，如图12所示。

根据每个推送管001推送线材的特性，设定挤出机的参数，包括挤出温度、挤出速度等。根据预设的形状和直径，设定相应的控制压力，以调节出丝速度。通过精确控制挤出机的参数，确保打印丝的直径和形状与预期一致。

在打印过程中，通过温度传感器008监测打印浆料的温度，确保材料在合适的温度范围内。根据实际情况，需要调整冷却液的流速以维持所需的温度。同时，监测打印丝的直径和形状，根据需要进行实时调整，以确保打印质量和精度。

下面根据具体实施例对本发明进行进一步说明。

将本发明的面向FDM3D打印的变温微流控辅助打印装置安装在一台普通的FDM3D打印机上，通过线材连接挤出机，冷却液管道006连接外部冷却系统；

选择三种不同种类和规格的线材作为打印材料，分别为ABS（直径1.75mm）、PLA（直径3mm）和TPU（直径1.75mm），将它们分别通过推送管001输送到微流控辅助打印装置002的进料口；

根据不同材料的性能和要求，设定相应挤出机的压力，并通过微流控辅助打印装置002进行温度、流动和混合比例的调节和控制；

根据打印对象的结构和形状，选择相应的打印路径，并生成相应的路径文件，通过旋转结构003控制微流控辅助打印装置002的旋转角度和速度，从而改变打印路径和材料堆叠方式；

通过静态混合结构的喷嘴010将混合后的打印浆料喷射到移动平台上，逐层叠加成为打印对象。

为了验证本发明的效果，本实施方式进行了以下两种不同形状和结构的打印实验：

实施例1：打印一个长方体形状的对象，使用平行移动路径进行打印。该对象由三种材料按照1:1:1的比例混合而成，具有均匀的颜色和性能。优选的打印参数如下：

预设温度：ABS 230℃，PLA 200℃，TPU 220℃；

加热器007温度：250℃；

冷却液初始流速：0.5L/min；

推送管001推送速度：10mm/s；

喷嘴010直径：0.4mm；

打印层厚：0.2mm；

打印速度：60mm/s；

旋转角度：0°。

实验结果如图11所示，可以看出，打印出来的长方体对象具有光滑、均匀、无缝隙、无裂纹、无变形等特征，表明本发明能够有效地提高打印质量和精度。

实施例2：打印一个圆柱形状的对象，使用旋转移动路径进行打印。该对象由三种材料按照5：4：3递减的比例混合而成，具有梯度的颜色和性能。优选的打印参数如下：

预设温度：ABS 230℃，PLA 200℃，TPU 220℃；

加热器007温度：250℃；

冷却液初始流速：0.5L/min；

推送管001推送速度：ABS 10mm/s，PLA 8mm/s，TPU 6mm/s；

喷嘴010直径：0.4mm；

打印层厚：0.2mm；

打印速度：60mm/s；

旋转角度：90°。

实验结果如图12所示，可以看出，打印出来的圆柱对象具有平滑、均匀、无缝隙、无裂纹、无变形等特征，同时具有从内到外的颜色和性能的变化，表明本发明能够有效地实现多材料的混合和梯度打印。

本发明提出的打印装置和方法允许在3D打印过程中根据需要通过微流控装置实时动态调整打印材料的温度、流动和混合比例，以创造多样性的打印对象。微流控装置设有加热器，加热器周围的微流控制管道则用于输送浆料，这些管道被冷却液管道包裹。此外，每个管道配备一个温度传感器，用于监测对应浆料的温度，控制冷却液流速以实现对应温度的分别调节。微流控辅助装置的两侧带有齿轮，通过齿轮传动可控制辅助装置的旋转角度，结合多喷嘴布局以及打印路径的变化，实现不同形状和结构的打印，提高了打印效率。通过静态混合结构确保打印浆料均匀混合，提高了打印效率、打印质量和打印多材料适应性。实现了更灵活、高效、多样化的FDM3D打印，为FDM3D打印领域的技术发展带来了更多的可能性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种面向FDM3D打印的变温微流控辅助打印装置，其特征在于：包括微流控辅助打印装置，所述微流控辅助打印装置包括壳体，所述壳体的顶部设置有多个推送管，所述壳体的底部设置有多个具有静态混合结构的喷嘴，所述壳体的内部设置有微流控装置，所述微流控装置包括加热器、微流控管道、冷却液管道和温度传感器，所述加热器沿壳体内部轴心设置一圈，所述微流控管道环绕在加热器周围，所述冷却液管道环绕在微流控管道周围，每个微流控管道配备一个温度控制器，所述冷却液管道连接外部冷却系统，所述微流控管道的入料口与推送管的出料口相连，多个微流控管道的出料口在进入喷嘴前交汇；

所述微流控装置的控制器通过导线分别与加热器的控制端、温度传感器、外部冷却系统的控制端相连。

2.根据权利要求1所述的一种面向FDM3D打印的变温微流控辅助打印装置，其特征在于：所述喷嘴包括喷管、混合器、通孔和连接接头，所述喷管为圆锥形，喷管的内壁上设有多个沿轴向分布的围绕主轴一圈的圆形槽，所述圆形槽用于固定混合器的位置，每一层的混合器都相互联通，所述喷管的顶部设置有连接接头，通过连接接头连接喷嘴与微流控管道，所述混合器设置在喷管内，为异形板交错排列结构，所述通孔设置在混合器内，用于使流体在通过时发生分割、重组和混合，使流体产生旋转运动。

3.根据权利要求2所述的一种面向FDM3D打印的变温微流控辅助打印装置，其特征在于：所述壳体的外部设置有旋转结构，所述旋转结构包括两个带有驱动小齿轮的金属杆和设置在壳体外部的微流控齿轮轨道凹槽，所述微流控齿轮轨道凹槽内设置有外部大齿轮，所述外部大齿轮与两个金属杆上的驱动小齿轮啮合，所述驱动小齿轮的驱动端通过导线与微流控装置的控制器相连。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种面向FDM3D打印的变温微流控辅助打印装置，其特征在于：所述壳体的底部设置有十字排列的接口，每个接口上安装一个具有静态混合结构的喷嘴，所述喷嘴位于微流控辅助打印装置的旋转平面上。

5.根据权利要求4所述的一种面向FDM3D打印的变温微流控辅助打印装置，其特征在于：所述外部冷却系统由多个冷却液箱以及散热装置组成。

6.根据权利要求4所述的一种面向FDM3D打印的变温微流控辅助打印装置，其特征在于：所述温度传感器设置在距离微流控管道2-3毫米处。

7.根据权利要求4所述的一种面向FDM3D打印的变温微流控辅助打印装置，其特征在于：所述推送管由不锈钢材质制成，内设有弹性支撑结构连接齿轮，所述齿轮通过连杆设置在推送管内壁上，用于对线材进行推送，所述弹性支撑结构设置在推送管内壁上，用于使推送管自适应推送线材的粗细，将线材稳定固定在推送管内部，所述推送管的下端与微流控辅助打印装置的连接处安装有气凝胶垫片，所述推送管的上端通过线材连接挤出机。

8.一种面向FDM3D打印的变温微流控辅助打印方法，采用如权利要求5-7任一项所述的面向FDM3D打印的变温微流控辅助打印装置，其特征在于：包括如下步骤：

将变温微流控辅助打印装置安装在现有的3D打印机上，通过线材将辅助打印装置与挤出机连接，同时，将冷却液管道连接到外部冷却系统；

根据所需的打印结构和实际需求，选择合适的打印方式，根据选择的路径，生成相应的路径文件；

根据每个推送管推送线材的特性，设定挤出机的参数，根据预设的打印丝的形状和直径，设定相应的控制压力，以调节出丝速度；

在打印过程中，通过温度传感器监测打印浆料的温度，确保材料在合适的温度范围内，根据实际情况，调整冷却液的流速以维持所需的温度。

9.根据权利要求8所述的一种面向FDM3D打印的变温微流控辅助打印方法，其特征在于：所述打印方式包括：

平行移动路径：控制微流控辅助装置在平行方向上移动构建具有长方体特征的打印对象；

旋转移动路径：控制旋转结构使打印路径会呈现出圆饼形状，用于制造具有圆柱特征的打印对象。

10.根据权利要求8所述的一种面向FDM3D打印的变温微流控辅助打印方法，其特征在于：在打印过程中实时监测打印丝的直径和形状，根据需要进行实时调整。