CN118181749A - 用于打印梯度功能材料的3d打印设备及3d打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及3D打印设备技术领域，尤其涉及一种用于打印梯度功能材料的3D打印设备及3D打印方法。该3D打印设备包括支撑架、移动部、喷头部和计算机装置，移动部以可滑动的方式连接支撑架，喷头部包括连接架、多个挤出装置、多个温控装置、微流控芯片和固化装置，通过配置微流控芯片在实现精确的材料混合和输送的同时，还能够便于清洗和替换，进一步有效避免了在打印不同材料时发生交叉污染的问题，通过计算机装置的集成，控制移动部移动和喷头部的多个装置之间配合工作，进一步确保了打印过程的精度和重复性，减少了由于操作错误导致的交叉污染风险。

Description

用于打印梯度功能材料的3D打印设备及3D打印方法

技术领域

本发明涉及3D打印设备技术领域，尤其涉及一种用于打印梯度功能材料的3D打印设备及3D打印方法。

背景技术

在3D打印技术快速发展的背景下，梯度功能材料的打印成为了一个研究热点。梯度功能材料（Gradient Functional Materials, GFMs）是指那些物理或化学性质在结构内部呈连续变化的材料。这种材料的制备对于多领域，如生物医学、航空航天、传感器等具有重要意义，因为它们可以实现复杂的功能性结构和性能定制。

目前，传统的梯度功能材料制备方法如化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）和溶液沉积等，虽然能够制备出具有特定梯度变化的材料，但这些方法通常成本高、加工周期长，难以满足小批量生产和个性化需求。3D打印技术的直接墨水写入（Direct InkWriting, DIW）技术，为梯度功能材料的制备提供了新的解决方案。通过精确控制喷嘴移动轨迹和材料的挤出，可以直接打印出具有复杂结构和梯度变化的三维对象。然而，市场上现有的多材料3D打印设备通常采用多个独立的挤出单元，这限制了材料之间的切换仅能在不同层之间进行，而不能在同一层内实现连续的梯度变化。

现有专利CN116766587A公开了一种试试调控材料比例的多材料打印装置，包括支撑框架、竖直移动部件、水平移动部件、打印基板和多材料喷头部件，竖直移动部件和水平移动部件均设置在支撑框架上，用于驱动多材料喷头部件移动，多材料喷头部件设置在打印基板的上方，多材料喷头部件包括搅拌壳、搅拌电机、搅拌件、多个储料筒和多个控料推杆，搅拌电机驱动搅拌件搅拌浆料，接着送往挤出嘴，实现打印原材料的多样化，但是现有技术存在材料易于交叉污染、控制精度不高，并且不适合打印具有生物活性的载细胞材料。

发明内容

本发明的目的是至少解决材料易于交叉污染的问题。该目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的第一方面提出了一种用于打印梯度功能材料的3D打印设备，包括：

支撑架；

移动部，所述移动部以可滑动的方式连接所述支撑架；

喷头部，所述喷头部包括连接架、多个挤出装置、多个温控装置、微流控芯片、固化装置及喷嘴，所述连接架连接所述移动部，多个所述挤出装置、多个所述温控装置和所述固化装置均连接所述连接架，所述微流控芯片以可拆卸的方式连接所述连接架，多个所述挤出装置的储料桶与多个所述温控装置一一对应连接，所述微流控芯片包括依次连通的多个进料流道、混合流道及出料流道，多个所述储料桶与多个所述进料流道一一对应连通，所述出料流道与所述喷嘴连通，所述固化装置沿所述喷嘴的周向设置；

计算机装置，所述计算机装置用于驱动所述移动部移动、以及用于控制所述喷头部的所述多个挤出装置挤出材料、以及用于控制所述多个温控装置调节所述储料桶的温度、以及用于控制所述微流控芯片混合所述材料、以及用于控制所述固化装置固化挤出的所述材料。

根据本发明的用于打印梯度功能材料的3D打印设备，通过配置多个挤出装置，每个挤出装置配有相应的温控装置，可以确保不同材料在独立的环境中被加热至适宜的挤出温度。这种一一对应的连接方式减少了不同材料在加热过程中的交叉污染风险，因为每种材料都在其专用的储料桶和挤出装置中处理。另外，微流控芯片以可拆卸的方式与连接架连接，以便根据不同的打印目标设计其内部结构，并实现快速拆装，适应多种材料需求，这种设计使得微流控芯片在实现精确的材料混合和输送的同时，还能够便于清洗和替换，进一步有效避免了在打印不同材料时发生交叉污染的问题，提升了3D打印设备在打印多种梯度功能材料时的灵活性和实用性。最后，通过计算机装置的集成，驱动移动部移动、以及控制喷头部的多个挤出装置挤出材料、以及控制多个温控装置调节储料桶的温度、以及控制微流控芯片混合材料、以及控制固化装置固化挤出的材料，进一步确保了打印过程的精度和重复性，减少了由于操作错误导致的交叉污染风险。通过喷头部的多个挤出装置、多个温控装置和微流控芯片配合，可以进一步避免在打印不同材料时发生交叉污染的问题。

另外，根据本发明的用于打印梯度功能材料的3D打印设备，还可具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，沿所述混合流道的轴向方向，所述混合流道的内部设有呈螺旋状的混合件。

本发明的第二方面提出了一种3D打印方法，用于控制上述的用于打印梯度功能材料的3D打印设备，包括如下步骤：

接收三维模型，并根据所述三维模型的参数计算出需要定义虚拟挤出机的关键参数；

根据所述关键参数定义所述虚拟挤出机；

定义材料的梯度分布参数；

根据喷嘴移动的坐标计算所述虚拟挤出机的挤出量；

根据所述虚拟挤出机的挤出量计算各个挤出装置的动态挤出量；

生成移动部控制指令，并控制所述移动部移动；

生成喷头部的控制指令，并控制所述喷头部按照动态挤出量挤出材料；

将挤出的材料固化成型。

在本发明的一些实施例中，所述虚拟挤出机的挤出量的计算公式为：

其中,φ表示喷嘴直径，（X₁，Y₁，Z₁）表示喷嘴运动到前一个点的坐标，（X₂，Y₂，Z₂）表示喷嘴运动到当前点的坐标。

在本发明的一些实施例中，所述挤出装置的动态挤出量的计算公式为：

其中，E表示所述虚拟挤出机的挤出量，i表示材料编号，n_1i表示起始挤出比例中材料i的挤出份数，n_2i表示结束挤出比例中材料i的挤出份数，j表示材料总数，且i≤j。

在本发明的一些实施例中，所述关键参数包括所述虚拟挤出机整合的挤出装置的数量及各个挤出装置的材料类型、挤出比例、挤出速度和喷嘴直径。

在本发明的一些实施例中，每个所述挤出装置的挤出比例为：

其中，挤出量_l表示l材料的挤出量，表示各个所述挤出装置的总挤出量。

在本发明的一些实施例中，所述定义材料的梯度分布参数包括初始高度、起始时虚拟挤出机的编号、结束高度和终止时虚拟挤出机的编号。

在本发明的一些实施例中，所述控制指令根据所述三维模型的切片和所述动态挤出量生成。

在本发明的一些实施例中，通过UV光将所述材料固化成型。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明实施方式的3D打印设备的结构示意图（未示出计算机装置和支撑架）；

图2示意性地示出了根据本发明实施方式的喷头部的结构示意图；

图3示意性地示出了根据本发明实施方式的未示出微流控芯片时喷头部的第一视角视图；

图4示意性地示出了根据本发明实施方式的未示出微流控芯片时喷头部的第二视角视图；

图5示意性地示出了根据本发明实施方式的微流控芯片的结构示意图；

图6示意性地示出了根据本发明实施方式的微流控芯片的第一视角视图；

图7为图6中A-A面的剖视图；

图8示意性地示出了根据本发明实施方式的混合件的结构示意图；

图9为本实施方式的3D打印方法的流程图。

附图标记如下：

100、3D打印设备；

10、移动部；11、y轴移动装置；12、x轴移动装置；13、z轴移动装置；

20、喷头部；21、挤出装置；211、步进电机；2111、电机固定片；212、行星减速器；213、联轴器；2131、丝杆；2132、导轨；2133、滑块；2134、螺母；214、储料推杆；2141、储料桶；2142、安装底座；

22、连接架；

23、微流控芯片；231、安装支架；232、芯片本体；2321、进料流道；2322、混合流道；23221、混合件；2323、出料流道；233、接头；

24、温控装置；241、制热机构；242、制冷机构；

25、喷嘴；26、固化装置。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面” 或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。

如图1至图8所示，根据本发明的实施方式，提出了一种用于打印梯度功能材料的3D打印设备100，包括支撑架（附图中未示出）、移动部10、喷头部20和计算机装置（附图中未示出），其中，移动部10以可滑动的方式连接支撑架，喷头部20包括连接架22、多个挤出装置21、多个温控装置24、微流控芯片23和固化装置26，连接架22连接移动部10，多个挤出装置21、多个温控装置24和固化装置26都设置在连接架22上，微流控芯片23以可拆卸的方式与连接架22连接。多个挤出装置21的储料桶2141与多个温控装置24一一对应连接，微流控芯片23包括依次连通的多个进料流道2321、混合流道2322、出料流道2323及喷嘴25，多个储料桶2141与多个进料流道2321一一对应连通，沿喷嘴25的周向设置有固化装置26。计算机装置用于驱动移动部10移动、以及用于控制喷头部20的多个挤出装置21挤出材料、以及用于控制多个温控装置24调节储料桶2141的温度、以及用于控制微流控芯片23混合上述材料、以及用于控制固化装置26固化挤出的上述材料。

根据本实施方式的用于打印梯度功能材料的3D打印设备100，通过配置多个挤出装置21，每个挤出装置21配有相应的温控装置24，可以确保不同材料在独立的环境中被加热至适宜的挤出温度。这种一一对应的连接方式减少了不同材料在加热过程中的交叉污染风险，因为每种材料都在其专用的储料桶2141和挤出装置21中处理。另外，微流控芯片23以可拆卸的方式与连接架22连接，以便根据不同的打印目标设计其内部结构，并实现快速拆装，适应多种材料需求，这种设计使得微流控芯片23在实现精确的材料混合和输送的同时，还能够便于清洗和替换，进一步有效避免了在打印不同材料时发生交叉污染的问题，提升了3D打印设备100在打印多种梯度功能材料时的灵活性和实用性。最后，驱动移动部10移动、以及控制喷头部20的多个挤出装置21挤出材料、以及控制多个温控装置24调节储料桶的温度、以及控制微流控芯片23混合材料、以及控制固化装置25固化挤出的材料，进一步确保了打印过程的精度和重复性，减少了由于操作错误导致的交叉污染风险。

具体的，支撑架（附图中未示出）为现有技术，包括主体框架、操作平台、多个导向轨和底座等，其中，支撑架通常由金属（如铝型材）、塑料或者其他坚固的材料制成，构成3D打印设备100的骨架。主体框架设计为足够坚固，以抵抗打印过程中可能产生的振动和移动，确保整机稳定。操作平台位于支撑架的中心或底部，是放置材料并进行打印作业的地方。操作平台可能包含一个加热床，用于改善第一层的附着力和减少材料冷却过程中的翘曲现象。支撑架上装有导向轨，用于引导移动部10沿特定方向移动。底座安装在主体框架的底部，以确保支撑架在各种工作表面上都能保持水平和稳定。

具体的，移动部10包括y轴移动装置11、x轴移动装置12和z轴移动装置13，其中，y轴移动装置11的底部设置有导向底座，导向底座与支撑架的多个导向轨连接。y轴移动装置11负责沿着支撑架的y轴方向（通常是前后方向）移动喷头部20，y轴移动装置11可以通过步进电机211和传动带或丝杆2131来驱动导向底座沿导轨2132移动，实现y轴方向的精确控制。x轴移动装置12负责沿着与x轴的方向（通常是左右方向）移动。x轴移动装置12可以采用与y轴相似的结构，包括导向轨、滑动块、步进电机211和传动机构。在一些实施例中，x轴移动装置12直接连接在y轴移动装置11的滑块2133上，形成了一个嵌套的移动系统，允许喷头部20在x轴和y轴方向独立移动。z轴移动装置13控制喷头部20沿垂直方向（上下方向）的移动。z轴通常采用螺旋丝杆2131和螺母2134的组合，由步进电机211驱动，实现高精度的垂直位移。在一些实施例中，z轴移动装置13设置在x轴移动装置12上。在打印过程中，z轴移动装置13负责逐层调整喷头的高度，以堆叠材料。

可以理解的是，y轴移动装置11通过可调节的滑动块机制与支撑架连接，确保其可以根据打印任务的需要，平稳且精确地沿导向轨移动。x轴和z轴移动装置13的设计同样注重精确控制和平稳操作，以配合y轴移动装置11共同实现复杂的3D打印任务。这种三轴协调运动的设计，不仅提高了打印精度和效率，而且通过简化机械结构，增加了设备的可靠性和易维护性。

具体的，喷头部20的连接架22设置在z轴移动装置13上，z轴移动装置13由两根平行的立柱、一个螺旋丝杆2131（或带有线性导向轨的驱动系统）和一个驱动电机组成。立柱固定于打印机的底座上，支撑整个打印平台或喷头部20的垂直移动。在z轴移动装置13上设置一个移动平台与立柱连接，并通过螺旋丝杆2131的旋转实现上下移动。该平台提供了安装喷头部20连接架22的基础。喷头部20的连接架22设计为一块结构板，上面设有安装孔或卡槽，用于固定挤出装置21、温控装置24、微流控芯片23和固化装置26。该连接架22通过螺钉直接固定在Z轴的移动平台上。进一步的，为了方便维护和喷头的更换，连接架22与挤出装置21之间可以设计为快速拆卸结构，如采用插销或快速锁扣等。

具体的，挤出装置21包括安装架、步进电机211、行星减速器212、电机固定片2111、联轴器213、丝杆2131、导轨2132、滑块2133、螺母2134、储料推杆214、储料桶2141和安装底座2142。挤出装置21的安装架可以通过插销或螺栓固定在连接架22上，挤出装置21的步进电机211作为挤出动作的动力源，设置在挤出装置21的顶部，并通过电机固定片2111固定在安装架上。行星减速器212连接在步进电机211的输出轴上，用以减速并增加转矩，确保挤出动作的平稳进行。丝杆2131通过联轴器213连接行星减速器212，联轴器213可以补偿轴间的轻微偏差，减少传动过程中的机械应力。丝杆2131将旋转运动转换为直线运动的部件，步进电机211和行星减速器212的旋转力通过联轴器213传递给丝杆2131。螺母2134固定在储料推杆214上，螺母2134与丝杆2131相配合，将丝杆2131的旋转运动转换为直线推力。滑块2133设置在螺母2134上，与安装架上的导轨2132相配合，确保螺母2134及其连接的储料推杆214和丝杆2131沿特定轴向的直线移动。储料推杆214直接与螺母2134相连，负责推动储料桶2141中的材料，当步进电机211工作时，储料推杆214将材料以一定的压力推送到微流控芯片23。储料桶2141用于储存待材料的容器。安装底座2142用于固定储料桶2141，通过螺栓等固定元件将储料桶2141锁定在安装架上，确保在挤出过程中储料桶2141的稳定。挤出装置21能够实现高精度、高稳定性的材料挤出，适用于高品质的3D打印需求。通过优化挤出速度和压力，该3D打印设备100能够处理多种不同的材料，支持打印出具有精细梯度和复杂几何结构的3D打印。

具体的，在连接架22上设计快速锁扣或卡扣系统，微流控芯片23可以轻松插入连接架22并通过锁扣固定。这种机制允许用户无需工具即可快速安装或拆卸微流控芯片23。

可以理解的是，微流控芯片23包括安装支架231、芯片本体232、进料流道2321、混合流道2322、出料流道2323和接头233。微流控芯片23的芯片本体232通常由一个透明或半透明的聚合物材料（如PDMS，聚二甲基硅氧烷）制成，允许操作者视察内部流道的情况。芯片本体232可以通过标准的微机电系统（MEMS）工艺或软光刻技术来制造，使得这些流道在微米至毫米尺度上精确定义。芯片本体232上设有进料流道2321，这些进料流道2321分别通过接头233连接的管路对接到各个挤出装置21的储料桶2141，确保不同的材料可以分别且准确地输送至芯片中。进料流道2321汇聚于混合流道2322，以促进材料的充分混合。混合后的材料随后流经出料流道2323，最终至喷嘴25。接头233是一个关键的转换接口，确保了从储料桶2141到进料流道2321的顺畅过渡，并防止了任何可能的泄露。在整个过程中，从进料、混合到出料，材料都在一个封闭且精密控制的环境下移动，保持了打印质量的一致性和材料特性的准确性。通过这样的连通关系，3D打印设备100能够实现复杂的梯度材料打印，满足高端制造和科研领域的需求。

具体的，混合流道2322的内部设有混合件23221，该混合件23221沿混合流道2322的轴向方向设置，并且该混合件23221呈螺旋状。进一步说，混合件23221由多组以螺旋形或之字形模式排列的交替角状片段或挡板组成，这些片段或挡板以这样的方式设置，并且穿过流动路径，迫使通过的流体反复改变方向。每个角状片段的棱角形状在流动中创造了汇合和发散的区域，可以显著增强混合效果。

可以理解的是，计算机装置包括存储装置和处理装置，存储装置用于存储3D打印方法，处理装置与存储装置电连接，处理装置还与移动部10和喷头部20电连接。

具体的，计算机装置是3D打印设备100的核心控制系统，它负责接收和处理3D模型数据，根据这些数据生成精确的控制指令，来驱动和调节3D打印设备100的各个硬件组件，特别是移动部10和喷头部20。计算机装置通常配有至少一个处理器（CPU）、存储设备（如硬盘或固态硬盘），以及必要的接口和通讯端口。它还包括操作系统和3D打印软件，该软件能够解释3D模型文件（如STL或OBJ格式）并将其转化为打印指令。计算机装置通过接口（如USB、串口或以太网接口）与移动部10和喷头部20电连接，具体的，移动部10和喷头部20均具有电子控制板。生成的控制指令被发送到电子控制板，电子控制板负责将这些指令解码并转换为步进电机211、温控装置24和其他硬件的动作信号。移动部的控制涉及驱动x轴移动装置12、y轴移动装置11和z轴移动装置上的电机，计算机装置发送的控制指令指定电机的转动方向、步数和速度，从而精确控制喷嘴25在三维空间内的位置。对于喷头部20，计算机装置控制温控装置24以维持适宜的材料温度，并控制挤出装置21的挤出速度以实现恰当的材料流量，以及控制微流控芯片23调节材料的组分。计算机装置还会控制固化装置26的开启时机和强度，以保证挤出的材料能及时固化。因此，计算机装置的作用包括数据处理（计算机装置接收三维模型文件，并解析模型的几何参数。）、挤出控制（计算机装置计算虚拟挤出机的关键参数和挤出量，进而生成每个挤出单元的动态挤出量。）、梯度分布定义（它定义了材料的梯度分布参数，这些参数决定了材料在3D对象中的分布方式。）、生成控制指令（基于挤出量和梯度分布参数，计算机装置生成控制移动部10和喷头部20的G-code或类似的指令。）

可以理解的是，材料被3D打印成3D打印件的具体步骤为，首先，材料被填充至储料桶2141，材料经过温控装置24调节温度后，计算机装置根据三维模型计算出的挤出量和梯度分布参数，控制挤出装置21，精确控制每个挤出装置21的动态挤出量，不同材质和不同动态挤出量的材料通过各自的进料流道被输送到微流控芯片23中，微流控芯片23的内部结构使得不同的材料在微流控芯片23内混合，达到预设的梯度效果，混合后的材料通过出料流道被输送至喷嘴25，材料通过喷嘴25挤出后，立即被固化装置26照射。喷嘴25在移动部10控制下进行精确移动，根据计算机装置生成的控制指令，逐层将固化的材料叠加成型，最终形成三维打印件。整个打印过程在计算机装置的监控和调控下连续进行，直至打印件完全成型。打印完成后，打印件可以从操作平台上取下，并进行后处理，如去除支撑结构、表面处理等。通过这个过程，储存在储料桶中的液态或半固态材料经过温控、挤出、混合、输送、固化和层叠，最终转变成设计好的三维实体打印件。

可以理解的是，温控装置24是确保材料在最佳状态下被挤出和固化的重要部分。该装置通常包括用于升温的制热机构241和用于降温的制冷机构242，以及监测温度的传感器，以实现精确的温度控制。制热机构241包含制热片，而制冷机构242则由半导体制冷片和与之相连的制冷片散热器构成。这些组件均通过螺栓独立地固定在储料桶2141的安装底座2142上，其中半导体制冷片的冷端紧贴储料桶2141底座，以降低浆料的温度，而热端装配有散热器以排走多余热量。散热器可以是风冷或水冷类型，取决于散热效率的需求。通电后，制冷片工作产生的温差能够有效地对储料桶2141内的材料进行冷却或加热，铝合金材质的安装底座2142则起到导热的作用。同时，温度传感器实时监控储料桶2141内的温度并向打印机控制器发送信号，控制器据此调节制热片和制冷片的工作，以维持材料在适宜的温度范围内，确保打印过程的顺畅进行和打印物品质量的一致性。

可以理解的是，固化装置26主要由UV固化灯和灯罩组成，UV固化灯和灯罩均设置在微流控芯片23的安装支架231上。其中，UV固化灯呈环形设置，环形UV固化灯围绕喷嘴25设置，能够均匀照射到挤出的浆料上，提供全方位的UV光源，确保浆料能够快速且均匀地固化。灯罩设计为遮蔽喷嘴25直接上方的UV光，防止喷嘴25处未挤出的材料受到UV光照射而提前固化，可能造成喷嘴25堵塞。

如图9所示，本实施方式还提供了一种3D打印方法，用于控制上述的用于打印梯度功能材料的3D打印设备100，包括如下步骤：

接收三维模型，并根据所述三维模型的参数计算出需要定义虚拟挤出机的关键参数；

根据所述关键参数定义所述虚拟挤出机；

定义材料的梯度分布参数；

根据喷嘴移动的坐标计算所述虚拟挤出机的挤出量；

根据所述虚拟挤出机的挤出量计算各个挤出装置的动态挤出量；

生成移动部控制指令，并控制所述移动部移动；

生成喷头部的控制指令，并控制所述喷头部按照动态挤出量挤出材料；

将挤出的材料固化成型。

本实施方式的3D打印方法，通过计算虚拟挤出机的关键参数和挤出量，此3D打印方法能够精确调节不同材料的挤出比例，实现特定的梯度效果。这对于打印具有变化材料属性的复杂结构尤为重要。通过定义材料的梯度分布参数，能够在打印过程中精确地控制材料属性的变化，如硬度、颜色或化学成分，使得打印出来的产品可以在不同部分具有不同的功能特性。另外，计算喷嘴25移动的坐标及相应的挤出量，以及动态调整挤出装置21的挤出量，使得整个打印流程实现了高度自动化，提升了操作效率和打印精度。

可以理解的是，所述虚拟挤出机的挤出量的计算公式为：

其中,φ表示喷嘴25直径，（X₁，Y₁，Z₁）表示喷嘴25运动到前一个点的坐标，（X₂，Y₂，Z₂）表示喷嘴25运动到当前点的坐标。

可以理解的是，所述挤出装置21的动态挤出量的计算公式为：

其中，E表示所述虚拟挤出机的挤出量，i表示材料编号，n_1i表示起始挤出比例中材料i的挤出份数，n_2i表示结束挤出比例中材料i的挤出份数，j表示材料总数，且i≤j。

可以理解的是，所述关键参数包括所述虚拟挤出机整合的挤出装置21的数量及各个挤出装置21的材料类型、挤出比例、挤出速度和喷嘴25直径。

可以理解的是，每个所述挤出装置21的挤出比例为：

其中，挤出量_l表示l材料的挤出量，表示各个所述挤出装置的总挤出量。

可以理解的是，所述定义材料的梯度分布参数包括初始高度、起始时虚拟挤出机的编号、结束高度和终止时虚拟挤出机的编号。

可以理解的是，所述控制指令根据所述三维模型的切片和所述动态挤出量生成。

可以理解的是，通过UV光将所述材料固化成型。

可以理解的是，本发明通过一套辅助代码（M代码）对多种材料的挤出进行精确的控制，例如定义各个挤出装置21的挤出比例，格式为：Mk1 An1 Bn2 Cn3 …。其中k是自然数，代表M指令编号，A、B、C…代表各挤出单元，n1、n2、n3…等均为有理数，代表每个挤出单元挤出的份数。对虚拟挤出机进行定义，格式为：Mk2 Vn，其中Vn表示虚拟挤出机的编号。

具体实施例

本实施例提供了一种具体的3D打印设备100，挤出装置21的数量为3个，每个挤出装置21设计用于挤出特定类型的材料，支持打印梯度功能材料。每个储料桶2141容积为20ml，适合小批量打印作业，减少材料浪费。每个储料桶2141的安装底座2142的反面安装有40×40mm的半导体制冷片和30×20mm的陶瓷加热片。制冷片功率为30w，足以在必要时迅速冷却材料，加热片功率为20w，用于迅速将材料加热至适合挤出的温度。微流控芯片包含三个通道，分别为进料流道2321、混合流道2322和出料流道2323，每个通道内径为1.7mm，允许足够的材料流量进行高效率的打印。其中，混合流道2322的内部设有混合件23221。接头233为M6的倒锥式接头233，这种接头233有助于确保流体的紧密连接和防漏。输料管道使用内径2mm、外径3mm的硅胶管或聚四氟乙烯管，这些管材质能够承受材料的化学性质并保证输料的流畅性。内径60mm的UV灯环环绕挤出喷嘴，其波长设置在400-405nm，适用于多种光固化树脂的固化。

基于上述具体实施例，不同材料混合时的技术方案为，用红黄蓝三种颜色的光敏树脂材料，打印一个尺寸为10*10*1mm的方片。要求从初始层至第0.4mm段的颜色为橙色，即红色材料50%+黄色材料50%，在第0.4至第0.6mm段的颜色为深棕色，即红色材料30%+黄色材料30%+40%蓝色材料，其余层为蓝色。具体流程如下：首先把喷嘴25安装在一个喷头部20上，分别在三个储料桶2141中装填红黄蓝三色光敏树脂材料，调整各挤出装置21，使得丝杆2131和螺母2134刚好接触到储料桶2141的储料推杆214。然后对初始层至第0.4mm段设定挤出比例，具体指令为M1 A1 B1，对第0.4至第0.6mm段设定M1 A3 B3 C4指令，对第0.6mm起设定M1 C1指令。最后生成具有三轴坐标和挤出坐标的指令,导入到3D打印设备100的控制器中，控制各轴、挤出装置21和固化装置26。

基于上述具体实施例，不同材料梯度分布的技术方案为，用红黄蓝三种颜色的光敏树脂材料，打印一个尺寸为10*10*10mm的方块。要求从初始层到5mm段从红色过渡到橙色再过渡到黄色，从5mm段到10mm段从黄色过渡到绿色再过渡到蓝色。首先对初始层到5mm段设定挤出比例，指令为M1 A1 B0 C0；M2 V1；M1 A0 B1 C0；M2 V2；M3 S0 V1 V2 Z5。然后对5mm段到10mm段设定挤出比例，指令为M1 A0 B0 C1； M2 V3；M3 S5 V2 V3 Z10。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于打印梯度功能材料的3D打印设备，其特征在于，包括：

支撑架；

移动部，所述移动部以可滑动的方式连接所述支撑架；

喷头部，所述喷头部包括连接架、多个挤出装置、多个温控装置、微流控芯片、固化装置及喷嘴，所述连接架连接所述移动部，多个所述挤出装置、多个所述温控装置和所述固化装置均连接所述连接架，所述微流控芯片以可拆卸的方式连接所述连接架，多个所述挤出装置的储料桶与多个所述温控装置一一对应连接，所述微流控芯片包括依次连通的多个进料流道、混合流道及出料流道，多个所述储料桶与多个所述进料流道一一对应连通，所述出料流道与所述喷嘴连通，所述固化装置沿所述喷嘴的周向设置；

计算机装置，所述计算机装置用于驱动所述移动部移动、以及用于控制所述喷头部的所述多个挤出装置挤出材料、以及用于控制所述多个温控装置调节所述储料桶的温度、以及用于控制所述微流控芯片混合所述材料、以及用于控制所述固化装置固化挤出的所述材料。

2.根据权利要求1所述的用于打印梯度功能材料的3D打印设备，其特征在于，沿所述混合流道的轴向方向，所述混合流道的内部设有呈螺旋状的混合件。

3.一种3D打印方法，用于控制根据权利要求1或2所述的用于打印梯度功能材料的3D打印设备，其特征在于，包括如下步骤：

接收三维模型，并根据所述三维模型的参数计算出需要定义虚拟挤出机的关键参数；

根据所述关键参数定义所述虚拟挤出机；

定义材料的梯度分布参数；

根据喷嘴移动的坐标计算所述虚拟挤出机的挤出量；

根据所述虚拟挤出机的挤出量计算各个挤出装置的动态挤出量；

生成移动部控制指令，并控制所述移动部移动；

生成喷头部的控制指令，并控制所述喷头部按照动态挤出量挤出材料；

将挤出的材料固化成型。

4.根据权利要求3所述的3D打印方法，其特征在于，所述虚拟挤出机的挤出量的计算公式为：

其中,φ表示所述喷嘴直径，（X₁，Y₁，Z₁）表示所述喷嘴运动到前一个点的坐标，（X₂，Y₂，Z₂）表示所述喷嘴运动到当前点的坐标。

5.根据权利要求4所述的3D打印方法，其特征在于，所述挤出装置的动态挤出量的计算公式为：

其中，E表示所述虚拟挤出机的挤出量，i表示材料编号，n_1i表示起始挤出比例中材料i的挤出份数，n_2i表示结束挤出比例中材料i的挤出份数，j表示材料总数，且i≤j。

6.根据权利要求3所述的3D打印方法，其特征在于，所述关键参数包括所述虚拟挤出机整合的挤出装置的数量及各个挤出装置的材料类型、挤出比例、挤出速度和喷嘴直径。

7.根据权利要求6所述的3D打印方法，其特征在于，每个所述挤出装置的挤出比例为：

其中，挤出量_l表示l材料的挤出量，表示各个所述挤出装置的总挤出量。

8.根据权利要求3所述的3D打印方法，其特征在于，所述定义材料的梯度分布参数包括初始高度、起始时虚拟挤出机的编号、结束高度和终止时虚拟挤出机的编号。

9.根据权利要求3所述的3D打印方法，其特征在于，所述控制指令根据所述三维模型的切片和所述动态挤出量生成。

10.根据权利要求3所述的3D打印方法，其特征在于，通过UV光将所述材料固化成型。