CN208359473U - 一种用于电场驱动喷射多材料3d打印的集成喷头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于电场驱动喷射多材料3D打印的集成喷头，通过将混料功能和送料功能的分离，使多材料混合的更加充分和均匀，保证材料在完全混合均匀的前提下进行喷射打印；实现了喷嘴与环形提取电极一体化，即打印喷头自成一体，利用锥射流模式，可以打印出较高分辨率点和线，其技术方案为：包括打印喷头，打印喷头顶部与送料模块连接，送料模块与混料模块连接；混料模块包括混料筒，混料筒底部设置供料管路与送料模块连通；送料模块包括注射筒，注射筒内设置螺杆，螺杆顶部与步进电机连接；打印喷头包括导电喷嘴，导电喷嘴固定于注射筒底部，导电喷嘴外周设置环形提取电极，导电喷嘴与高压脉冲电源正极相连，环形提取电极接地。

Description

一种用于电场驱动喷射多材料3D打印的集成喷头

技术领域

本实用新型涉及增材制造和多材料3D打印技术领域，特别是涉及一种用于电场驱动喷射多材料3D打印的集成喷头。

背景技术

随着科学技术的突飞猛进，大型结构件的轻量化生产，柔性电子产品的高精制造等领域都对材料的性能提出了越来越严和越来越多的要求，复合材料由于其优异的性能在各个行业中得到了广泛的应用，3D打印作为一种新兴增材制造方法也被用来研究制造复合材料，因此现有3D打印机应具有如下能力：实现多材料主动混合，增强材料物理、机械等性能；制备多功能梯度材料，并能在各种功能材料打之间精确、不间断切换；实现高精、高效、高分辨率打印等。

现有的多材料电喷印3D打印方法包括多喷头方案以及螺杆搅拌方案，然而基于这两种方案存在诸多不足和局限性。例如，基于多喷头方案存在：(1)多喷头结构复杂，设备成本高；(2)喷头之间需要频繁切换，打印效率低；(3)无法实现多材料主动混合；(4)受喷头配置数量的限制，一次性可打印材料种类数量受限。另外，多材料成形喷头一般采用多个喷头并行安装在同一高度，每个喷头可以处理一种材料，打印过程中一般只有一个喷头在工作，同一高度处在待命状态的其他喷头就可能存在对构建组织成形面的干扰。基于螺杆搅拌方案存在：(5)搅拌腔与打印头一体化设计，导致多材料混合不充分，打印结构件功能性差；(6)打印过程不能及时补充混合好的材料，打印效率低。因此，现有的多材料电喷印3D打印技术难以实现多材料多尺度结构稳定、高效一体化制造。

电流体动力喷射打印(Electro hydrodynamic Jet Printing，E-jet)是一种基于电流体动力学(EHD)微液滴喷射沉积成形技术，与传统喷印技术(热喷印、压电喷印等)采用“推”方式不同，EHD喷印采用电场驱动以“拉”方式从液锥(泰勒锥)顶端产生极细的射流。打印分辨率不受喷嘴直径的限制，能在喷嘴不易堵塞的前提下，实现亚微米、纳米尺度分辨率复杂三维微纳结构的制造。而且可用于电喷印的材料范围非常广泛。因此，与现有的3D打印技术相比，电喷印技术具有材料兼容性好(适用材料广泛，特别是许多高粘度材料)、分辨率高的特点，然而基于电喷印方法同样存在着诸多不足和局限性：(1)打印高度受限；(2)无法实现共形打印；(3)接收衬底材料受限；(4)气动供料，无法实现出液量的精确控制。

因此，为了克服现有多材料电喷印3D打印在多材料、宏/微/纳多尺度结构一体化制造方面的存在的不足和缺陷，实现“功能驱动的结构、材料、性能设计和制造一体化无缝集成”，将材料、微结构、宏观结构等设计要素与功能需求目标结合，实现复杂组织结构控形、控性制造(尤其是通过多材料、微结构布置改进优化产品的性能，增加新的功能)，满足新材料开发、生物医疗、电子产品、组织工程、MEMS、可穿戴电子设备、4D打印等研发和规模化生产的实际需求，迫切需要开发新的多材料、多尺度3D打印工艺和装备。

实用新型内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种用于电场驱动喷射多材料3D打印的集成喷头，通过将混料功能和送料功能的分离，使多材料混合的更加充分和均匀，保证材料在完全混合均匀的前提下进行喷射打印；实现了喷嘴与环形提取电极一体化，即打印喷头自成一体，利用锥射流模式，可以打印出较高分辨率点和线；实现了多材料、多尺度结构的高精、高效、稳定、一体化制造，提高了3D打印控形、控性的能力。

本实用新型的具体实现方法为：(1)将混料模块，送料模块和打印喷头模块集成一体。具体的，将混料模块和送料模块分离，二者通过供料管路相连接，打印喷头模块直接安装在送料模块的最底端(下部)。其中，混料模块实现对多种打印材料的高效均匀混合。混料模块设置多个进料口，用于向混料模块提供一种或者多种不同打印材料，混料机构在电机带动下转动以实现对多种打印材料的均匀混合，并将混合均匀的材料输送到送料模块。送料模块实现打印材料的稳定输送和定量喷射。一方面使用步进电机控制螺杆匀速旋转，提供稳定的背压，实现打印材料的均匀供给，另一方面螺杆的旋转速度决定输送到喷嘴处的材料的体积，因此通过控制螺杆的转速可以实现对出液量的精确控制。送料模块在螺杆的作用下将材料输送至打印喷头；打印喷头模块在电场的作用下实现对打印材料的喷射沉积。(2)打印喷头模块自成一体并通过连接导线与高压脉冲电源相连接。打印喷头模块由导电喷嘴与环形提取电极组成，两者之间相对位置精确可调且保持同轴。其中环形提取电极连接高压电源负极，导电喷嘴连接高压电源正极，利用导电喷嘴和环形提取电极之间的强电场力实现材料的喷射沉积。(3)设置宏尺度和微尺度两种打印模式，在宏打印模式下，利用螺杆旋转挤出打印材料，在微打印模式下，利用电场力形成的锥射流进行打印，实现宏、微、纳跨/多尺度一体化制造。

进一步的，本实用新型采用下述技术方案：

一种用于电场驱动喷射多材料3D打印的集成喷头，包括打印喷头，打印喷头顶部与送料模块连接，所述送料模块与混料模块连接；

所述混料模块包括混料筒，混料筒底部设置供料管路与送料模块连通；

所述送料模块包括注射筒，注射筒内设置螺杆，螺杆顶部与步进电机连接；

所述打印喷头包括导电喷嘴，导电喷嘴固定于注射筒底部，导电喷嘴外周设置环形提取电极，导电喷嘴与高压脉冲电源正极相连，环形提取电极接地。

进一步的，所述注射筒侧部设置开口，开口处设置供料快速接头，供料快速接头与供料管路连接。

进一步的，所述环形提取电极固设于环形提取电极固定架，环形提取电极固定架连接于注射筒外侧壁。

进一步的，所述混料筒侧部上方设置多个进料口。

进一步的，所述混料筒顶部设置气路快速接头，气路快速接头与气压管路连通。

或者，所述混料筒侧部上方设置气路快速接头，气路快速接头与气压管路连通。

进一步的，所述混料筒内设置搅拌轴，所述搅拌轴顶部与搅拌电机连接。

进一步的，所述搅拌轴直径小于混料筒内径。

进一步的，所述搅拌轴侧壁设置螺旋凹槽。

进一步的，所述混料模块通过夹具固定于安装底板上。

进一步的，所述注射筒和混料筒内设置废液收集管路，废液收集管路内置集成泵，废液收集管路还与真空管路连通。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)实现多材料的主动混合。在混料模块上设置多个进料口，每个进料口可输入不同配比的材料，搅拌轴通过搅拌电机控制以按设定转速对料筒内的多种打印材料进行搅拌，实现多材料快速混合，具备打印功能梯度零件的潜力。

(2)实现材料高精混合，精确控制喷嘴流量，打印结构功能性强，可靠性高。首先，将送料模块和混料模块分离，保证材料在充分混合均匀的前提下，输入到注射筒以备打印，这样保证了用于喷射沉积的材料是完全混合均匀的，排除未经混合的材料的影响。其次，通过控制螺杆转速实现对背压增量和液体流量的精确控制，即调节螺杆转速可以控制喷嘴的出液量，螺杆匀速转动建立稳定增长的背压，实现打印材料的稳定输送，根据喷射材料用量设定不同的旋转速度，精确控制喷嘴流量。搅拌装置和送料模块的配合使用保证了打印结构的功能，提高了打印结构可靠性。

(3)打印喷头、送料模块、混料模块集成一体，安装在固定底板上，集成式的喷头装置可移植性强、实用性好，可根据需要移植到任何形式的工作台(三轴或五轴)上进行打印。

(4)可实现任意配比材料的高效率打印。混料模块和送料模块分离，搅拌和送料功能互不影响，能实现持续充分的材料供给，解决一体式螺杆搅拌装置不能及时充分供给材料，混料和打印无法同时进行，打印效率低的问题。

(5)工艺适用范围广，材料兼容性好并可实现共形打印。引入环形提取电极作为负极接地，导电喷嘴连接高压电源的正极，二者之间形成的电场力不受打印高度的影响，克服了传统电喷印在打印高度，打印基底材料和形状等诸多方面的限制，能够实现对物体微观结构的精确打印，同时实现在共形表面进行打印。电喷印的使用解决了高粘度材料和反应材料(如AB环氧树脂胶)打印的难题，可打印生物材料、金属纳米粒子、陶瓷材料、有机功能材料等各种高粘度液体材料，实现了液体、纳米材料一体化打印，大大扩展了工艺的应用领域。

(6)宏/微跨尺度结构一体化打印。兼具宏尺度和微尺度两种打印模式，打印过程中，实现在同一构件中任意切换两种模式，按需完成构件的打印，实现了物体的宏观和微观的多尺度打印。

(7)装置采用单喷头多进料口形式，结构简易，操作方便，成本低，工作过程中无需频繁切换打印喷头，同时解决了由于喷头数量有限导致的一次性可打印材料种类数量受限的问题，克服了现有多喷头打印缺陷和不足。

本实用新型可以实现多材料技术、宏/微/纳多尺度结构一体化设计，可用于新材料开发、生物医疗、组织工程、MEMS、可穿戴电子设备、航空航天、3D功能结构电子、新能源(燃料电池、太阳能等)、高清显示、微纳光学器件、软体机器人等诸多领域和行业。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本实用新型用于电场驱动喷射多材料3D打印的集成喷头结构示意图。

图2是本实用新型实施例1集成喷头剖面示意图。

图3是本实用新型实施例2集成喷头剖面示意图。

图中，1打印喷头，101导电喷嘴，102环形提取电极，103环形提取电极固定架，2送料模块，201注射筒，202螺杆，203供料快速接头，204步进电机，3混料模块，301供料管路，302搅拌轴，303混料筒，304A料进料口，305B料进料口，306搅拌电机，307气路快速接头，4夹具，5安装底板。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在着不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种用于电场驱动喷射多材料3D打印的集成喷头。

实施例1：

图1是用于电场驱动喷射多材料3D打印的集成喷头示意图。它包括打印喷头1，送料模块2，混料模块3，夹具4，安装底板5。其中打印喷头1安装在送料模块2底端，送料模块2一侧设有供料快速接头并通过供料管路301与混料模块3相连，混料模块3固定在夹具4上，打印喷头1、送料模块2以及混料模块3统一固定在安装底板5上，可以根据需要安装到任何形式的三轴或五轴工作台上进行打印。

图2是本实用新型实施例1的剖面示意图。它包括导电喷嘴101，环形提取电极102，环形提取电极固定架103，注射筒201，螺杆202，供料快速接头203，步进电机204，供料管路301，搅拌轴302，混料筒303，A料进料口304，B料进料口305，搅拌电机306，气路快速接头307，夹具4，安装底板5。导电喷嘴101，环形提取电极102，环形提取电极固定架103共同组成打印喷头1，环形提取电极102设置导电喷嘴101外周；注射筒201，螺杆202，供料快速接头203，步进电机204共同组成送料模块2；供料管路301，搅拌轴302，混料筒303，进料口，搅拌电机306，气路快速接头307共同组成混料模块3，通过气路快速接头307与气压管路相连。本申请中进料口设置两个，分别为A料进料口304、B料进料口305，分别将A料、B料输送进入混料筒。

所述导电喷嘴101为金属喷嘴或涂覆导电材料喷嘴，喷嘴内径大小1-1000微米；本实施例中导电喷嘴采用不锈钢针头，规格为25G，其内径为0.26mm，外径为0.5mm，安装在注射筒201最下端并通过导线与高压脉冲电源正极连接。

所述环形提取电极102采用导电性能优良的紫铜片，环形提取电极内径0.1-10毫米，外径1-20毫米，厚度1-200微米；本实施例中环形提取电极内径为8mm，外径为18mm，厚度为100μm，安装在环形提取电极固定架103下表面并通过螺纹连接安装在送料模块的注射筒上，环形提取电极上下位置可调，保证导电喷嘴与环形提取电极同轴。环形提取电极与喷嘴的不同位置关系将形成不同的电场分布，根据实际需求确定两者上下位置。环形提取电极通过导线接地。

所述环形提取电极固定架103为带有内螺纹的塑料圆筒，其内径与注射筒201外径相同，外径与环形提取电极102外径相同，通过螺纹连接固定在注射筒201上，并且上下位置可调。

所述导电喷嘴101与环形提取电极102同轴，通过调整环形提取电极固定架103上下位置，使导电喷嘴101最下端穿过环形提取电极102并伸出4mm距离。

所述注射筒201为绝缘材质，防止与导电喷嘴连电。本实施例中采用塑料注射器，防止与导电喷嘴101导通而影响装置其他电子器件。

步进电机204带动螺杆202在注射筒201内旋转，通过螺杆202的挤压作用将打印材料运送到导电喷嘴101，供料快速接头203安装在注射筒201一侧并与供料管路301相连。所述螺杆202直径略小于注射筒201内径，避免间隙太小导致螺杆202与注射筒201相互磨损。

所述步进电机204和搅拌电机306选择42行星减速步进电机，扭矩大，转速范围为10r/min-200r/min。

所述供料管路301采用黑色特氟龙管，管路两端分别与混料筒303和供料快速接头203连接。

搅拌电机306带动搅拌轴302旋转，实现材料的搅拌。所述搅拌轴302直径小于混料筒303内径，为材料搅拌留有足够的空间。

混料筒303为绝缘材质，混料筒303内盛放打印材料，并通过供料管路301向送料模块供给材料。混料筒的进料口可设置多个，每个进料口均与微量注射泵连接。气路快速接头一端与气压管路相连，一端与混料筒相连，为材料流动提供动驱动力。

所述A料进料口304和B料进料口305被分别安装在混料模块3的两侧，在打印过程中，可以根据需要切换供给不同打印材料，实现多材料打印。进料口可以与材料注射泵相连，实现材料的按时按量输入。所述气路快速接头307通过螺纹连接安装在混料筒303上方，并与气压管路连接。

所述送料模块2和混料模块3内可设置废液收集器，废液收集器为废液收集管路，内置集成泵，废液收集器内的真空压强-500mbar。废液收集管路的一端设置于混料筒和注射筒内部，另一端与真空管路连接，用于通过真空负压回收喷头内残留的材料，在转换材料时，开启废液收集器，将装置内残留的打印材料回收到废液收集器中，便于快速更换多材料，实现柔性材料、刚性材料的无缝和精确过渡。

采用本申请喷头进行打印过程中，搅拌电机306驱动搅拌轴302旋转，搅拌轴302侧壁设置螺旋凹槽，搅拌打印材料，直至各材料混合完全，混合均匀的材料通过供料管路301快速输送到注射筒201，注射筒201内的打印材料在螺杆202的背压作用下向下运动并从导电喷嘴101流出，由于在导电喷嘴101与环形提取电极102之间施加了一定的脉冲高压电，产生的电场力将打印材料从喷嘴拉出进而喷射至接收基底表面。

实施例2：

图3是本实用新型实施例2的剖面示意图。在上述实施例1集成喷头的基础上，去掉搅拌轴302，气路快速接头设置于混料筒顶部。所述A料进料口304和B料进料口305，在打印过程中，可以根据需要切换供给不同打印材料，实现多材料打印。并且增加了进料口，可以及时向混料筒303内补充打印材料，无需频繁切换多喷头，操作更加简单、方便。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于电场驱动喷射多材料3D打印的集成喷头，其特征是，包括打印喷头，打印喷头顶部与送料模块连接，所述送料模块与混料模块连接；

所述混料模块包括混料筒，混料筒底部设置供料管路与送料模块连通；

所述送料模块包括注射筒，注射筒内设置螺杆，螺杆顶部与步进电机连接；

所述打印喷头包括导电喷嘴，导电喷嘴固定于注射筒底部，导电喷嘴外周设置环形提取电极，导电喷嘴与高压脉冲电源正极相连，环形提取电极接地。

2.如权利要求1所述的集成喷头，其特征是，所述注射筒侧部设置开口，开口处设置供料快速接头，供料快速接头与供料管路连接。

3.如权利要求1所述的集成喷头，其特征是，所述环形提取电极固设于环形提取电极固定架，环形提取电极固定架连接于注射筒外侧壁。

4.如权利要求1所述的集成喷头，其特征是，所述混料筒侧部上方设置多个进料口。

5.如权利要求1所述的集成喷头，其特征是，所述混料筒顶部设置气路快速接头，气路快速接头与气压管路连通。

6.如权利要求1所述的集成喷头，其特征是，所述混料筒侧部上方设置气路快速接头，气路快速接头与气压管路连通。

7.如权利要求1或6所述的集成喷头，其特征是，所述混料筒内设置搅拌轴，所述搅拌轴顶部与搅拌电机连接。

8.如权利要求7所述的集成喷头，其特征是，所述搅拌轴直径小于混料筒内径。

9.如权利要求7所述的集成喷头，其特征是，所述搅拌轴侧壁设置螺旋凹槽。

10.如权利要求1所述的集成喷头，其特征是，所述混料模块通过夹具固定于安装底板上；所述注射筒和混料筒内设置废液收集管路，废液收集管路内置集成泵，废液收集管路还与真空管路连通。