发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足,提供一种塑料3D打印设备,使打印出的三维部件相对之下具有较高的层间结合力,提高其冲击强度。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种塑料3D打印设备,包括塑料供应装置、连接所述塑料供应装置的热喷嘴以及位于所述热喷嘴下方的接收基底,所述塑料供应装置由控制***控制向所述热喷嘴供应塑料,所述塑料通过热喷嘴时被加热到熔融状态喷出并沉积到所述接收基底上,还包括处理剂供应装置和连接所述处理剂供应装置的微孔喷头,所述处理剂供应装置由控制***控制向所述微孔喷头供应能够腐蚀或溶解所述塑料的处理剂,所述处理剂通过所述微孔喷头喷射到在所述接收基底上沉积的塑料上,并作用于所述沉积的塑料而在其表面形成微孔。
进一步地:
还包括运动控制装置,所述热喷嘴安装到所述运动控制装置上。
所述热喷嘴与所述微孔喷头一同固定在所述运动控制装置上,通过所述运动控制装置实现同步X、Y、Z方向运动,其中X、Y方向定义水平面,Z方向定义竖直方向。
所述处理剂供应装置包括液体容器及推进装置,所述液体容器及推进装置通过导管连接所述微孔喷头。
所述塑料供应装置包括丝状材料固定及输送装置,所述丝状材料固定及输送装置用于固定呈丝状的塑料并将其向所述热喷嘴输送。
还包括支撑架和基座,所述塑料供应装置和所述处理剂供应装置安装在所述支撑架上,所述支撑架和所述接收基底固定在所述基座上。
所述微孔喷头的材质为不锈钢。
所述微孔喷头的微孔的直径在100微米以上。
所述控制***为计算机。
所述热喷嘴喷射塑料和所述微孔喷头喷射处理剂的位置和时间由所述控制***控制,从而按预定方式交替喷射沉积材料和处理剂。
本发明的有益效果:
根据本发明提出的3D打印设备,当塑料丝材通过热喷嘴时,被加热到熔融状态并被沉积到接收基底上,形成一层图案,然后由控制***控制通过微孔喷头喷射液态处理剂到已沉积的材料上,在材料表面溶解或腐蚀出微孔,然后在这层材料之上再进行一层或多层熔融状态塑料的沉积,之后再进行溶剂喷射。可以在多层沉积材料中的至少一层的表面上形成有微孔,且具有微孔的层的上方的上层沉积材料经沉积进入到微孔之中,增加了两层材料之间的接触面积,从而固化之后形成更为牢固的结合,提高3D打印部件的层间结合力。与传统的熔融挤出成型产品相比,本发明能够显著增强3D打印产品尤其是较大尺寸部件的3D打印材料层之间的结合力。
具体实施方式
以下对本发明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,而不是为了限制本发明的范围及其应用。
参阅图1,在一种实施例中,一种塑料3D打印设备,包括塑料供应装置、连接所述塑料供应装置的热喷嘴101以及位于所述热喷嘴101下方的接收基底110,所述塑料供应装置由控制***控制向所述热喷嘴101供应塑料,所述塑料通过热喷嘴101时被加热到熔融状态喷出并沉积到所述接收基底110上,还包括处理剂供应装置和连接所述处理剂供应装置的微孔喷头102,所述处理剂供应装置由控制***控制向所述微孔喷头102供应能够腐蚀或溶解所述塑料的处理剂,所述处理剂通过所述微孔喷头102喷射到在所述接收基底110上沉积的塑料上,并作用于所述沉积的塑料而在其表面形成微孔。
在优选的实施例中,塑料3D打印设备还包括运动控制装置103,所述热喷嘴101安装到所述运动控制装置103上。
在更优选的实施例中,所述热喷嘴101与所述微孔喷头102一同固定在所述运动控制装置103上,通过所述运动控制装置103实现同步X、Y、Z方向运动,其中X、Y方向定义水平面,Z方向定义竖直方向。
在优选的实施例中,所述处理剂供应装置包括液体容器及推进装置106,所述液体容器及推进装置106通过导管连接所述微孔喷头102。液体容器中的处理剂如塑料溶剂在推进装置作用下通过导管,经由微孔喷头102喷射出,喷射到接收基底110上已沉积的材料上。
在优选的实施例中,所述塑料供应装置包括丝状材料固定及输送装置105,所述丝状材料固定及输送装置105用于固定呈丝状的塑料并将其向所述热喷嘴101输送。
在优选的实施例中,塑料3D打印设备还包括支撑架104和基座109,所述塑料供应装置和所述处理剂供应装置安装在所述支撑架104上,所述支撑架104和所述接收基底110固定在所述基座109上。
所述微孔喷头102的材质优选为不锈钢。
所述微孔喷头102的微孔的直径优选在100微米以上。
所述控制***可以为计算机111。
在优选的实施例中,所述热喷嘴101喷射塑料和所述微孔喷头102喷射处理剂的位置和时间由所述控制***控制,从而按预定方式交替喷射沉积材料和处理剂。
如图1所示,在一种具体实施例中,一种塑料3D打印设备,包括热喷嘴101、微孔喷头102、运动控制装置103、液体容器及推进装置106、导管107、支撑架104、丝状材料固定及输送装置105、计算机111、接收基底110、基座109。所述热喷嘴101与丝状材料固定及输送装置105相连,丝状的塑料108通过热喷嘴时被加热到熔融状态沉积到接收基底110上,所述液体容器及推进装置106通过导管107与所述微孔喷头102相连,容器中的液态溶剂能够通过微孔喷头被喷射到接收基底以及沉积的材料上。所述热喷嘴和微孔喷头与运动控制装置103相连。所述液体容器及推进装置106、丝状材料固定及输送装置105、运动控制装置103安装在支撑架104上,所述接收基底110位于热喷嘴和微孔喷头的下方,所述计算机111、支撑架104、接收基底110固定在基座109之上。
使用该3D打印设备能够使沉积的材料表面通过喷射溶剂获得微孔,材料之间通过微孔连接提高接触面积,从而提高层层之间的结合力。
图2所示为利用上述设备制备的三维塑料产品的示意图。图3所示为三维塑料产品的A-A剖面图。其中112为多层塑料材质的沉积材料,多层沉积材料中的至少一层的表面上形成有微孔113、114,且具有微孔的层的上方的上层沉积材料经沉积进入到所述微孔113、114之中,从而具有微孔的层的沉积材料与上层沉积材料之间产生紧密连接。
在优选的实施例中,所述微孔的直径在100微米以上。
在优选的实施例中,每层沉积材料上腐蚀出的微孔的总面积不超过每层沉积材料面积的50%。
在优选的实施例中,相邻的具有微孔的表面之间间隔的沉积材料的厚度为1毫米以上。较佳地,相邻的具有微孔的表面之间间隔的沉积材料的厚度为1毫米或1.5毫米。
所述塑料可以为聚乳酸、ABS、聚碳酸酯、聚乙烯醇、聚苯乙烯或尼龙。
如图2所示,塑料3D打印产品例如是圆环状部件,也可以是其他任意形状的三维部件。箭头D表示沉积材料的层叠方向。图3中,112表示沉积材料,113表示由处理剂在沉积材料表面处理完毕后形成的微孔,114表示已经由沉积材料填充的微孔。
采用本发明的塑料3D打印设备进行3D打印的方法,首先,将熔融状态的塑料沉积到基底上形成一层截面轮廓。所使用的塑料可以是聚乳酸、ABS、聚碳酸酯、聚乙烯醇、聚苯乙烯、尼龙等。然后,将溶剂的微滴喷射到已经沉积好的材料表面,腐蚀出微孔。所使用的溶剂包括乙醇、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、丙酮、四氢呋喃、***、二氯甲烷、四氯化碳等。腐蚀出的微孔的直径在100微米以上。微孔的面积不超过每层沉积材料面积的50%。之后在这层材料上面再进行新一层材料的沉积,尚未凝固的材料进入到下层的微孔之中,凝固后与下层材料之间产生紧密连接,从而提高层间的结合力。然后在新沉积的材料上再进行喷射溶剂,腐蚀出微孔,并继续新一层材料的沉积,以此方式层层叠加,从而获得层间结合力提高的三维部件。
特别的,根据分层厚度的不同,当沉积的每层材料的厚度在微米量级时,为了不破坏材料的整体结构而影响整体强度,先逐层沉积使材料使总的厚度达到1毫米以上时再进行溶剂微滴的喷射。之后沉积同样厚度的材料,再进行微滴喷射,以此方式构成三维的部件。当沉积的每层材料的厚度在毫米及以上量级时,采用逐层沉积材料、逐层喷射溶剂的方式成型三维部件。与传统的熔融挤出成型方法相比,采用本发明的设备制作三维部件,能够提高材料层之间的结合力,适用于多种塑料的3D打印,可操作性强,尤其适合较大尺寸部件的3D打印。
实例1:
根据本发明提出的设备和方法,利用熔融挤出成型的3D打印设备制造聚乳酸的样条,按照GB/T1843-2008的方法用悬臂梁冲击实验机测试3D打印聚乳酸样条的冲击强度,与传统的熔融挤出成型(不喷射溶剂)制作的样条进行对比。
制备参数:制备的长方形样条尺寸为80*10*4毫米。分层厚度50微米,每次沉积1.5毫米厚的材料时进行溶剂微滴的喷射。溶剂为二甲基甲酰胺,腐蚀的微孔直径在200-500微米之间。每次喷射腐蚀出的微孔总面积为每层材料总面积的40%。沿着长度方向逐层叠加,制作出长方形的样条5个作为一组。用机械加工的方法铣出V形缺口,缺口深度2毫米。利用悬臂梁冲击实验机进行冲击强度测试,取平均值。另外采用普通的熔融挤出成型按照上述方法制作同样尺寸的5个样条进行测试。采用本发明提出的设备制作的样条冲击强度相对于传统方法制作的样条提高9%.
实例2:
采用上述方法,制作聚乙烯醇的样条并测试对比。分层厚度40微米,每次沉积1毫米厚的材料时进行溶剂微滴的喷射。溶剂为二甲基亚砜,微孔直径在100-300微米之间。样条的尺寸、形状、成型方式与实施例1相同。采用本发明提出的设备制作的样条冲击强度相对于传统方法制作的样条提高7%。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,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发明的保护范围。