CN204658952U - 一种3d打印装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种3D打印装置，包括喷头、直流电源、用于放置成形基底的成形工作台、工作台运动控制装置以及接收电极，所述喷头包括同步移动的激光通路模块和至少一个静电纺丝模块，所述激光通路模块的出口轴线与所述静电纺丝模块的出口轴线交汇于一点，所述静电纺丝模块与所述接收电极分别连接所述直流电源的正负极，所述成形工作台设置在所述喷头和所述接收电极之间，所述成形工作台固定在所述工作台运动控制装置上，所述工作台运动控制装置用于改变所述成形工作台到所述喷头的距离。本实用新型能够显著增加打印材料适用范围，提高打印质量和打印精细度。

Description

一种3D打印装置

技术领域

本实用新型涉及一种3D打印装置。

背景技术

增材制造技是目前发展非常迅速的高科技制造技术。增材制造通俗意义上又称为3D打印，是通过逐层添加材料获得三维制件的制造方式。与传统的机械加工等减材制造方法相比，3D打印有着诸多优势，如可以用来制造外形极为复杂的制件、材料利用率高、制程环保、适合制造私人定制的产品等等。随着3D打印技术的快速发展，目前主流的3D打印方法已经能够制造金属、高分子、陶瓷等多种材料。对于高分子材料而言，目前主流的3D打印方法有有熔融挤出成型FDM，立体光固化成形SLA，激光选择性烧结SLS等等。

静电纺丝是一种利用静电场力制备微纳结构的方法，主要使用的材料是熔融状态的高分子材料或高分子材料的溶液。根据工艺条件的不同，静电纺丝的产物可以是微米级的颗粒、微球，以及纳米、微米级直径的连续纤维。多种塑胶材料都可以通过此技术简单、快捷地制成以上几种形态。尽管已经出现一些利用静电纺丝技术进行3D打印的设备，然而，如何优化打印工艺，进一步拓展打印材料适用范围，提高打印质量和打印精细度，以及提高打印控制灵活性和可靠性等，是现有技术需要解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于针对现有技术的不足，提供一种3D打印装置，增加打印材料适用范围，提高打印质量和打印精细度。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种3D打印装置，包括喷头、直流电源、用于放置成形基底的成形工作台、工作台运动控制装置以及接收电极，所述喷头包括同步移动的激光通路模块和至少一个静电纺丝模块，所述激光通路模块的出口轴线与所述静电纺丝模块的出口轴线交汇于一点，所述静电纺丝模块与所述接收电极分别连接所述直流电源的正负极，所述成形工作台设置在所述喷头和所述接收电极之间，所述成形工作台固定在所述工作台运动控制装置上，所述工作台运动控制装置用于改变所述成形工作台到所述喷头的距离。工作时，所述静电纺丝模块对高分子溶液进行静电纺丝，在电场力的作用下产生向所述成形工作台射出的高分子颗粒的射流，射流材料被所述激光通路模块发射的激光束熔化以熔融状态落在所述成形基板的特定位置上并沉积成层，通过控制所述喷头按照预定轮廓进行多层沉积而形成三维的高分子材料制件。通过所述工作台运动控制装置改变所述成形工作台到所述喷头的距离，可以实现多层打印。

进一步地：

所述接收电极安置在电极托台上，所述电极托台与所述喷头固定连接。

所述成形工作台水平布置，所述喷头布置在所述成形工作台上方，所述激光通路模块的出口轴线垂直于所述成形工作台，所述静电纺丝模块的出口轴线与激光通路模块的出口轴线之间的角度为5°到45°。

所述静电纺丝模块包括主体、注射器、金属毛细管，所述注射器固定在所述主体内部的溶液通路中，所述金属毛细管安装在注射器的前端并通过所述主体上的出口孔伸出到所述溶液通路外，所述注射器的后端封闭，所述金属毛细管通过一根延伸穿过所述注射器的后端的导管与所述主体外部的推进器连通，所述推进器向所述导管内推送所述高分子溶液，所述注射器的后端通过软胶塞配合垫圈来封闭。

所述静电纺丝模块的主体和所述成形工作台为不导电材质。

四个所述静电纺丝模块呈十字形的方式围绕设置在所述激光通路模块的周围，各静电纺丝模块的喷头喷出的射流汇聚于一点，并且被所述激光通路模块发出的激光束所覆盖。

本实用新型提出一种结合静电纺丝和激光技术的3D打印装置，以高分子溶液作为材料源，通过静电纺丝模块形成高分子材料的颗粒喷射物，被激光通路模块同步加热熔化沉积到3D打印成形基底上，冷却后形成3D制件的一部分。可通过计算机控制喷头的移动路径，在指定的位置按照预定轮廓沉积高分子材料，并在成形基底上逐层累积而形成三维的制件。此装置的结构简单、易于操控，精度高，且可用来制造任意复杂形状的高分子制件，进行多样化打印，尤其适用于制造微小的零件，并且能够灵活地在复杂外形表面上进行原位地、指向性地成形。此装置对打印材料的适用性广，对制备材料的要求低，多种常见的高分子材料都可以通过本装置进行可靠的3D打印，打印质量高。除了能够从底层逐层累积打印三维制件，此装置对成型基底要求低，能够灵活地在复杂外形表面上进行原位地、指向性地成形，实现对制件的局部修复或者添加新材料实现局部新功能。

附图说明

图1是本实用新型实施例的一种3D打印装置的示意图；

图2是本实用新型实施例的一种包含四个静电纺丝模块的喷头的俯视图(未示出推进器和导管)。

图中标号说明：A.激光通路模块，B.静电纺丝模块，101.激光通路，102.激光通路模块主体，103.激光出口孔，104.T形槽，201.静电纺丝模块主体，202.溶液通路，203.毛细管出口孔，204.注射器，205.金属毛细管，206.软胶塞，207.垫圈，208.卡槽，301.推进器，302.高分子溶液，303.导管，304.成形基底，305.成形工作台，306.接收电极，307.电极托台，308.托台固定板，309.连接架，310.工作台运动控制装置，311.导线，312.支架。

具体实施方式

以下对本实用新型的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。

参阅图1和图2，在一种实施例中，3D打印装置包括喷头、高压直流电源、成形工作台305、成形基底304、工作台运动控制装置310、支架312、接收电极306、电极托台307、托台固定板308、连接架309、导线311、推进器301、导管303。喷头包括激光通路模块A和至少一个静电纺丝模块B组成。其中激光通路模块A包括激光通路模块主体102及其内部的激光通路101、激光出口孔103、以及T形槽104组成。静电纺丝模块B包括静电纺丝模块主体201及其内部的溶液通路202、毛细管出口孔203、注射器204、金属毛细管205、垫圈207、软胶塞206、以及与T形槽104配合的卡槽208。喷头的移动动作由计算机控制。由激光器产生的激光其移动动作与喷头的射流同步移动，在成形过程中激光束始终通过激光通路101和激光出口孔103照射在喷头下方的成形基底304上。静电纺丝模块B的金属毛细管205安装在注射器204的前端。注射器204固定在溶液通路202里，其后端开口处被软胶塞206、垫圈207封堵。金属毛细管通过静电纺丝模块主体201上的出口孔伸出到溶液通路202外，其轴线与激光通路101的轴线交汇于一点，轴线之间的角度优选为5°到45°。软胶塞206上有一个通孔，一根导管303通过此通孔与金属毛细管205相连。导管303的另一端连接外部的一个推进器301。高分子溶液302通过推进器301施加推力从导管303中经过。从金属毛细管205的尖端流出。将金属毛细管205安装在注射器上，这样的设计有利于安装并且可以在不工作时方便取出清洗。金属毛细管205通过导线311与高压直流电源的正极相连接。一个成形基底304位于喷头的下方，成形基底304放置在一个成形工作台305上，成型工作台依靠运动控制装置能够沿着支架312进行垂直方向移动。成形工作台305下方有一个接收电极306，接收电极306与高压直流电源的负极相连接。接收电极306固定在电极托台307上。电极托台307的一端与一个托台固定板308通过T形槽或导轨相连接，从而电极托台307以及其上的接收电极306与成形工作台305之间的垂直距离都可调。托台固定板308通过一个连接架309与喷头相连接，使喷头与托台固定板308能够同步运动。因此接收电极306、电极托台307都能够实现和喷头的移动动作同步。

当接通高压直流电源时，溶液和接收电极306之间形成静电场，位于金属毛细管205尖端的高分子溶液液滴在静电场力的牵引作用下形成射流向接收电极306运动。射流在空气中的运动过程中受到表面张力和静电场力的综合作用，不断收缩、挥发溶剂、固化，形成最终固态的产物。依据高分子溶液的粘度，当溶液粘度从低到高变化时，静电纺丝的最终产物形态会有以下变化：颗粒(包括微球)、带有短纤维的颗粒、串珠状的纤维、表面平整无串珠结构的纤维。优选地，本实用新型中高分子溶液的粘度以产物为微球或带有短纤维的颗粒为佳，这样得到的产品会有较佳的精度。射流固化后的产物在向成形基板运动的过程中遇到激光，被激光束熔化，以熔融状态降落在成形基板的特定位置上，并随空气冷却固化沉积。当喷头按照计算机设定的程序移动到指定路径时，就会沿着移动的路径同步打印出相应的结构。通过逐层打印累积材料，就可以制作出三维的制件。

本实用新型可以适用的高分子打印材料的范围广，可使用聚乳酸、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、尼龙、聚氧化乙烯、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚碳酸酯、聚己内酯、聚谷氨酸、纤维素、聚酰亚胺，以及其它能够进行静电纺丝获得颗粒状产物等高分子材料。所用的高分子溶液的溶剂可以为水、甲醇、乙醇、甲酸、二甲基甲酰胺、N,N-二甲基亚砜、四氢呋喃、丙酮，以及其它能够溶解上述高分子材料的溶剂。

优选地，静电纺丝的电压范围为1-50千伏。收集距离即静电纺丝产物从喷头喷出到沉积到基底上之间经过的距离为0.1-50厘米。

优选地，激光的功率为2-30瓦。分层的层厚为0.01-0.5毫米。

优选地，静电纺丝时的环境温度控制在0-35摄氏度，环境相对湿度控制在5-50％。

优选地，为了增加成型速度，可以采用多个静电纺丝模块安装在激光通路模块A上同时工作，这种情况下要确保所有从注射器针头喷出的射流汇聚于一点，并且被激光束所覆盖；为了减少对静电场的影响，静电纺丝模块B的主体、成形基板、成形工作台305都选用不导电材质制成。模块B的主体采用塑料、陶瓷、木材等材质。成形工作台305优选塑料、陶瓷、木材、石材的薄板制成。

需要说明的是，本装置也可以对高分子制件进行原位修复或添加新材料实现局部的新功能。在这种情况下将喷头毛细管与激光交汇处对准高分子制件待修复的部位，在计算机控制下使喷头通过逐层打印累积材料而实现。

具体实施例的装置的进一步参见图1和图2。此装置包括一个喷头，高压直流电源、成形工作台305、成形基底304、工作台运动控制装置310、接收电极306、电极托台307、托台固定板308、连接架309、导线311、支架312、推进器301。其中喷头包含一个激光通路模块A，四个静电纺丝模块B。激光通路模块包含激光通路101、主体102、激光出口孔103、T形槽104。每个静电纺丝模块都包含一个溶液通路202、主体201、毛细管出口孔203、注射器204、金属毛细管205、垫圈207、软胶塞206、与T形槽配合的卡槽208。此外每一个静电纺丝模块的金属毛细管205都固定在注射器204的前端，并且都与一个导管303相连，导管的另一端通过软胶塞与一个推进器301相连，如图1(图1中只示意性地画出了一个推进器和导管，其余的静电纺丝模块与此相同)和图2(图2为包含4个静电纺丝模块的喷头的俯视图，其中每一个静电纺丝模块中的金属毛细管都通过一个导管与一个推进器相连，图中未示出推进器和导管)所示。成形工作台305能够在运动控制装置310的控制下沿着支架312做垂直方向移动。

采用本实用新型实施例的3D打印装置制造聚乳酸PLA的三维制件为例。所使用的聚乳酸分子量为100000。采用二甲基甲酰胺(DMF)作为溶剂，配置成重量百分比14％的溶液。采用4个静电纺丝模块。每一个静电纺丝模块的金属毛细管205都与一个导管303相连，导管的另一端通过软胶塞与一个推进器301相连。静电纺丝模块的主体201用塑料制成。金属毛细管205的内径为0.25mm，外径为0.51mm。毛细管接到10ml的注射器204前端。材质为陶瓷的成形基底304放置在激光通路101轴线的正下端，激光通路的轴线与每一个毛细管轴线的角度都设置为25°，四个毛细管的轴线与激光通路的轴线都交汇于一点。毛细管的尖端到成形基底的垂直距离都设置为75mm。高压直流电源的电压设置为18千伏。

可先将所需要制作的三维制件的模型利用计算机进行离散分层，获得STL格式的每一层的轮廓数据，分层厚度设置为0.05mm。根据每一层的轮廓数据得到喷头打印的移动路径，喷头通过连接架309与接收电极306同步运动。将配置好的聚乳酸溶液302放入推进器301中，以15微升每分钟的速率进行供液。开启高压直流电源，同时开启激光源，激光功率设置为8瓦，在进行静电纺丝的同时对产物进行激光熔融。喷头在成形基底上首先打印第一层，然后成形工作台下降一个分层的厚度0.05mm，保持毛细管尖端到接收电极的距离不变，再进行第二层的打印，以此方式逐层打印叠加成形，最终形成三维的零件。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种3D打印装置，其特征在于,包括喷头、直流电源、用于放置成形基底的成形工作台、工作台运动控制装置以及接收电极，所述喷头包括同步移动的激光通路模块和至少一个静电纺丝模块，所述激光通路模块的出口轴线与所述静电纺丝模块的出口轴线交汇于一点，所述静电纺丝模块与所述接收电极分别连接所述直流电源的正负极，所述成形工作台设置在所述喷头和所述接收电极之间，所述成形工作台固定在所述工作台运动控制装置上，所述工作台运动控制装置用于改变所述成形工作台到所述喷头的距离。

2.如权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于,所述接收电极安置在电极托台上，所述电极托台与所述喷头固定连接。

3.如权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于,所述成形工作台水平布置，所述喷头布置在所述成形工作台上方，所述激光通路模块的出口轴线垂直于所述成形工作台，所述静电纺丝模块的出口轴线与激光通路模块的出口轴线之间的角度为5°到45°。

4.如权利要求1至3任一项所述的3D打印装置，其特征在于,所述静电纺丝模块包括主体、注射器、金属毛细管，所述注射器固定在所述主体内部的溶液通路中，所述金属毛细管安装在注射器的前端并通过所述主体上的出口孔伸出到所述溶液通路外，所述注射器的后端封闭，所述金属毛细管通过一根延伸穿过所述注射器的后端的导管与所述主体外部的推进器连通，所述推进器向所述导管内推送高分子溶液，所述注射器的后端通过软胶塞配合垫圈来封闭。

5.如权利要求4所述的3D打印装置，其特征在于,所述静电纺丝模块的主体和所述成形工作台为不导电材质。

6.如权利要求1至3任一项所述的3D打印装置，其特征在于,四个所述静电纺丝模块呈十字形的方式围绕设置在所述激光通路模块的周围，各静电纺丝模块的喷头喷出的射流汇聚于一点，并且被所述激光通路模块发出的激光束所覆盖。