CN208148114U - 一种功能材料的3d打印制备装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种功能材料的3D打印制备装置，包括工作平台，其中工作平台下方设有驱动工作平台上下运动的Z向驱动装置，工作平台的右下方设有收粉料缸；工作平台的上方设有供粉料缸，供粉料缸内部设有播粉机构；工作平台的上表面设置有铺粉辊筒，工作平台的左上方设置有用于放置晶体振子的晶体振子箱，晶体振子箱内还设置有振动筛，晶体振子箱下方设置有晶体振子出口，晶体振子出口的下方设置有晶体振子传送机构，晶体振子传送机构的下方设置有喷水装置。本实用新型能制备出特殊结构的新型功能材料，解决多种材料复合制造的工艺难题，提高功能材料的功能效果和制备效率，有效控制噪声环境的功能成本。

Description

一种功能材料的3D打印制备装置

技术领域

本实用新型涉及3D打印技术领域，特别涉及一种功能材料的3D打印制备装置。

背景技术

3D打印技术是以计算机三维设计模型为基础，通过软件分层切片，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等打印材料，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。相对于传统大型的增材制造设备，3D打印概念着重体现了其设备的小型化、智能化及个人化特征。

现有3D打印技术有很多种，如熔融沉积成型技术、选择性激光烧结技术、立体光固化技术、三维印刷技术、PolyJet喷射技术等，应用领域也非常广泛，但没有针对具有复合结构功能材料的3D打印技术，具有复合结构的功能材料制备工艺较为复杂，目前仅仅是处于实验室手工制作的阶段，制造工艺不完善，成型效率低下，没有形成标准的制备流程，还无法进行大规模的规范化生产与实际应用。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种功能材料的3D打印制备装置，能够解决具有复合结构功能材料制备工艺复杂、制造工艺不完善，成型效率低下的难题。

本实用新型的目的通过以下的技术方案实现：

一种功能材料的3D打印制备装置，包括工作平台，其中工作平台下方设有驱动工作平台上下运动的Z向驱动装置，工作平台的右下方设有收粉料缸；工作平台的上方设有供粉料缸，供粉料缸内部设有播粉机构；所述播粉机构包括L 个均匀设置的播粉辊，以及驱动L个播粉辊的播粉驱动装置，L≥1；工作平台的上表面设置有铺粉辊筒，工作平台的左上方设置有用于放置晶体振子的晶体振子箱，晶体振子箱内还设置有振动筛，晶体振子箱下方设置有晶体振子出口，晶体振子出口的下方设置有晶体振子传送机构，晶体振子传送机构的下方设置有喷水装置。

所述Z向驱动装置包括N根Z轴丝杆、Z轴同步轮、Z轴同步带、减速电机、 M根导向柱、导杆，其中减速电机上安装Z轴同步轮，通过Z轴同步带和导向柱连接设置在工作平台两侧的Z轴丝杆和导杆驱动工作平台在Z轴方向上下运动， M≥2，N≥2。

所述晶体振子传送机构包括传动带滚轮A、传动带、传动带滚轮B，其中传动带滚轮A、传动带滚轮B分别置于传动带的两端，用于带动传动带传动从晶体振子箱中的晶体振子下落至工作平台。

所述喷水装置包括流量控制阀、雾化喷嘴、水管、水泵、调压阀、空气管、空压机，其中雾化喷嘴连接流量控制阀，流量控制阀连接空气管和水管，空气管、水管分别连接空压机、水泵。

所述功能材料的3D打印制备装置，还包括驱动所述铺粉辊筒和雾化喷嘴的运动机构，实现装置沿X、Y方向的运动，其中铺粉辊筒，由X轴方向的步进电机、同步轮、同步带驱动在X轴方向上做往复运动，雾化喷嘴由Y轴方向的步进电机、同步轮、同步带驱动在Y轴方向上做往复运动。

所述功能材料的3D打印制备装置，还包括驱动晶体振子箱和振动筛的振动铺振子机构，所述铺振子机构包括振动电机、偏心轮、弹簧。

所述晶体振子为表面包裹软性材料的圆形金属薄片。

所述供粉料缸内放置的粉末为快干水泥，所述快干水泥为重烧氧化镁MgO、磷酸二氢钾、粉煤灰按照一定比例组成的磷酸镁钾水泥(MKPC)。

本实用新型所述一种功能材料的3D打印制备装置，其工作过程具体如下：

1)通过三维设计软件建立功能材料的三维模型的图形；

2)根据设计模型构建出弹性波带隙频率在50Hz-500Hz内可调的功能材料模型，使用专业切片软件对模型进行切片分层；

3)根据分层的二维图形生成晶体振子的阵列和雾化喷嘴扫描轨迹；

4)通过播粉机构向工作平台播粉，通过铺粉机构的铺粉辊筒把工作平台上的粉末铺平，通过喷水系统的雾化喷嘴在粉末面上喷一层水，通过晶体振子箱、振动筛、晶体振子传送机构阵列摆放晶体振子，反复重复此过程至功能材料制备完成；

5)完成功能材料的制备，清理工作平台，取出功能材料板。

所述分层切片的厚度为0.5mm～5mm，所述晶体振子是直径为5～50mm、厚度为0.1～3mm的金属薄片；所述金属薄片表面包裹一层软性材料，其厚度为 0.3～6mm；所述粉末直径在300μm以下，并主要集中在10～150μm的范围；所述雾化喷嘴的喷水速度为0.015ml/s～15ml/s，空压机压力约在1MPa～5MPa。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型相对于现有的复合型功能材料的制备工艺，能够直接加工制备出任意形状的功能材料，可以使用与一些特殊的场所，大大降低了复合结构功能材料的制备难度，提高了制备效率。

(2)本实用新型采用的快干水泥为为加入快速凝固试剂，凝固速度比普通水泥快3～5倍，增加了材料的凝固效率。

(3)本实用新型采用的晶体振子为具有弹性波带隙的声子晶体，其结构为具有金属特性的硬质材料表面包裹一层具有弹性的橡胶型塑料，具体为直径Φ5～50mm，厚度为0.1～3mm的金属薄片，在金属薄片表面包裹一层软性的材料，其厚道为0.3～6mm。

(4)本实用新型通过喷水系统、铺晶体振子系统，三维运动机构等打印具有多材料复合结构的功能材料。

附图说明

图1是本实用新型所述一种功能材料的3D打印制备装置的结构示意图。

图2是本实用新型所述一种功能材料的3D打印制备装置的工作流程图。

附图标记含义如下：

1-工作平台；2-铺粉辊筒；3-Z轴丝杆；4-Z轴同步轮；5-Z轴同步带；6- 调压阀；7-空气管；8-空压机；9-减速电机；10-导向柱；11-收粉料缸；12-水泥粉；13-导杆；14-播粉步进电机；15-播粉同步轮；16-播粉同步带；17-播粉辊；18-供粉料缸；19-晶体振子箱；20-振动筛；21-传动带滚轮A；22-传动带； 23-流量控制阀；24-传动带滚轮B；25-X轴导轨；26-雾化喷嘴；27-水管；28- 水泵。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此，对于本文没有特别标明的特征结构和工艺参数，可参照常规技术进行。

一种功能材料的3D打印制备装置包括三维运动机构、工作平台、播粉机构、铺粉机构、喷水系统、铺振子机构、供粉料缸、收粉料缸、控制系统。所述三维运动机构包括X-Y平面运动的导轨、导杆，Z轴方向上的丝杆、导杆；所述播粉机构把供粉料缸内的材料按量播到工作平台上、所述铺粉机构把工作平台上的材料粉均匀铺平；所述喷水系统在材料粉表面喷一层水；所述铺振子机构驱动晶体振子箱和振动筛振动，进而将振子铺到粉面上；所述收粉料缸用来接收多余的材料粉；所述控制系统包括人机交互系统、通讯系统，实现对功能材料3D打印装置的控制。通过上述方式，本实用新型能制备出特殊结构的新型功能材料，解决多种材料复合制造的工艺难题，提高功能材料的功能效果和制备效率，有效控制噪声环境的功能成本。

具体地，如图1，一种功能材料的3D打印制备装置，包括播粉机构、铺粉机构、喷水系统、铺振子机构、控制系统；

所述播粉机构包括播粉辊17、供料缸18、播粉步进电机14、播粉同步轮 15、播粉同步带16，机构由播粉步进电机14通过播粉同步轮15和播粉同步带 16驱动播粉辊17,把供料箱18内的快干水泥粉12，按照设定的量播到工作台1 上。

所述的铺粉机构包括工作平台1、铺粉辊筒2、带动铺粉辊筒的驱动装置，在打印过程中，工作平台1向下移动一层，铺粉辊筒则进行一次铺粉。

所述喷水系统包括雾化喷嘴26链接流量控制阀23，所述流量控制阀23连接空气管7和水管27，空气管2和水管27分别连接空压机8和水泵28。喷水系统优选水泵28的喷水速度为0.015ml/s～15ml/s，空压机8压缩空气气压约在1～5MPa。

所述铺振子机构包括晶体振子箱19，振动筛20，滚动轮，传动带22，滚动轮及驱动滚动轮和滚动轮的驱动电机，晶体振子箱19在振动筛20的驱动下连续振动，使晶体振子均匀的落在传动带22上，滚动轮向图示方向的右侧平移带动传动带22向右侧移动，滚动轮处于从动状态，当滚动轮移动到限位开关的位置，并触动限位开关，此时滚动轮向顺时针方向旋转把传动带22卷回，晶体振子则落在工作平台1的水泥粉12面上，当滚动轮回到初始位置，滚动轮在逆时针转动把传送带22重新卷到滚动轮上面。

所述的控制系统包括硬件系统和软件系统，其中硬件系统包括主控制器、输入及输出、步进电机驱动、伺服电机驱动、流量控制系统；软件包括切片软件，控制器与伺服电机、步进电机的驱动软件。

如图2，所述一种功能材料的3D打印制备装置的工作过程，包括如下步骤：

1)通过三维设计软件建立功能材料的三维设计模型，保存为STL格式文件；

2)根据设计模型构建出弹性波带隙频率在50Hz-500Hz内可调的功能材料模型，使用专业切片软件对模型进行切片分层，生成机器识别的切片代码；

3)导入3D打印设备，根据切片分层所生成的二维图形，使用控制软件转化成切片代码并形成晶体振子的阵列图形和雾化喷头扫描轨迹；

4)启动空压机8，空压机8压缩空气气压约在1～5MPa之间的某个固定值，并维持在一定的范围。

5)初始化控制系统，检验3D打印设备各部件是否能够进行正常工作，并对3D打印设备各部件进行校准。

6)工作台1调整到初始位置，通过播粉机构的播粉同步电机14带动播粉同步轮15和播粉同步带16驱动播粉辊17,把供料箱18内的快干水泥粉12，按照设定的量播到工作台1上，通过铺粉机构的铺粉辊筒2把工作平台1上的快干水泥粉12铺平，通过喷水系统的水泵28的喷水速度为0.015ml/s～15ml/s，空压机8压缩空气气压约在1～5MPa的雾化喷嘴26在快干水泥12面上喷一层水，通过铺振子机构的晶体振子箱19在振动筛20的驱动下连续振动，使晶体振子均匀的落在传动带22上，滚动轮向图示方向的右侧平移带动传动带22向右侧移动，滚动轮处于从动状态，当滚动轮移动到限位开关的位置，并触动限位开关，此时滚动轮向顺时针方向旋转把传动带22卷回，晶体振子则落在工作平台 1的水泥粉12面上，当滚动轮回到初始位置，滚动轮在逆时针转动把传送带22 重新卷到滚动轮上面，完成3D打印的一个工作周期，工作平台1下降一层。

7)不断循环工作步骤6)工作流程，并判断所有切片层是否已经打印完成，至功能材料制备完成。

8)完成功能材料的制备，系统自动关闭空压机8，水泵28，清理工作平台，取出功能材料板。

所述步骤(1)到(8)分层切片的厚度为0.5mm-5mm，所述的晶体振子为金属薄片表面包裹一层软性的材料，其厚道为0.3～6mm，所述的快干水泥的粉粒为10μm～300μm，所述喷水速度为0.015ml/s～15ml/s，空压机8压力约在 1MPa～5MPa。

本实用新型相对于现有的复合型功能材料的制备工艺，能够直接加工制备出任意形状的功能材料，可以使用与一些特殊的场所，大大降低了复合结构功能材料的制备难度，提高了制备效率。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种功能材料的3D打印制备装置，其特征在于：包括工作平台，其中工作平台下方设有驱动工作平台上下运动的Z向驱动装置，工作平台的右下方设有收粉料缸；工作平台的上方设有供粉料缸，供粉料缸内部设有播粉机构；所述播粉机构包括L个均匀设置的播粉辊，以及驱动L个播粉辊的播粉驱动装置，L≥1；工作平台的上表面设置有铺粉辊筒，工作平台的左上方设置有用于放置晶体振子的晶体振子箱，晶体振子箱内还设置有振动筛，晶体振子箱下方设置有晶体振子出口，晶体振子出口的下方设置有晶体振子传送机构，晶体振子传送机构的下方设置有喷水装置。

2.根据权利要求1所述一种功能材料的3D打印制备装置，其特征在于：所述Z向驱动装置包括N根Z轴丝杆、Z轴同步轮、Z轴同步带、减速电机、M根导向柱、导杆，其中减速电机上安装Z轴同步轮，通过Z轴同步带和导向柱连接设置在工作平台两侧的Z轴丝杆和导杆驱动工作平台在Z轴方向上下运动，M≥2，N≥2。

3.根据权利要求1所述一种功能材料的3D打印制备装置，其特征在于：所述晶体振子传送机构包括传动带滚轮A、传动带、传动带滚轮B，其中传动带滚轮A、传动带滚轮B分别置于传动带的两端，用于带动传动带传动从晶体振子箱中的晶体振子下落至工作平台。

4.根据权利要求1所述一种功能材料的3D打印制备装置，其特征在于：所述喷水装置包括流量控制阀、雾化喷嘴、水管、水泵、调压阀、空气管、空压机，其中雾化喷嘴连接流量控制阀，流量控制阀连接空气管和水管，空气管、水管分别连接空压机、水泵。

5.根据权利要求4所述一种功能材料的3D打印制备装置，其特征在于：还包括驱动所述铺粉辊筒和雾化喷嘴的运动机构，实现装置沿X、Y方向的运动，其中铺粉辊筒，由X轴方向的步进电机、同步轮、同步带驱动在X轴方向上做往复运动，雾化喷嘴由Y轴方向的步进电机、同步轮、同步带驱动在Y轴方向上做往复运动。

6.根据权利要求1所述一种功能材料的3D打印制备装置，其特征在于：还包括驱动晶体振子箱和振动筛的振动铺振子机构，所述铺振子机构包括振动电机、偏心轮、弹簧。

7.根据权利要求1所述一种功能材料的3D打印制备装置，其特征在于：所述晶体振子为表面包裹软性材料的圆形金属薄片。

8.根据权利要求1所述一种功能材料的3D打印制备装置，其特征在于：所述供粉料缸内放置的粉末为快干水泥，所述快干水泥为重烧氧化镁、磷酸二氢钾、粉煤灰按照一定比例组成的磷酸镁钾水泥。