CN109732905B - 功能梯度材料和成型结构一体化制造的3d打印机及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种功能梯度材料和成型结构一体化制造的3D打印机及工作方法，将送料模块、混料模块、打印喷头三者分开，通过各部件的巧妙设置，能够实现连续功能梯度材料和复杂三维结构一体化制造，具有多材料主动高效均匀混合，打印分辨率高(微纳微尺度特征结构打印)，适用材料种类广泛，生产效率高，成本低，结构简单的特点和突出优势。尤其是它能同时实现基于材料组成和微结构连续功能梯度材料和复杂三维结构一体化制造。
Description
技术领域
本公开属于增材制造和功能梯度材料/结构制造技术领域，涉及一种功能梯度材料和成型结构一体化制造的3D打印机及工作方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
功能梯度材料（FunctionallyGradientMaterial ,简称FGM）是指在材料的制备过程中，采用先进的复合技术，使材料的微观要素（包括材料组分和微观结构）, 在某特定方向上呈连续（或准连续）的梯度变化, 从而使材料的宏观性能也在同一方向上呈连续（或准连续）梯度变化的一种非均质复合材料。功能梯度材料的显著特点是在传统的复合材料中加上材料含量配比成梯度变化的中间过渡层，从而使材料的物理性能呈渐变形式，避免或缓解传统复合材料由于物性差异太大而在使用过程中所产生诸如应力集中、开裂及剥落等缺陷。此外，功能梯度材料还具有非常好的可设计性，通过有针对性地改变各组分材料体积含量或者微结构的空间分布，以达到优化结构内部应力分布、满足不同部位对材料使用性能的要求。作为一种全新的先进材料，它既解决了复合材料的界面应力问题，同时又保持了材料的复合特性。由于其优异的物化性能，功能梯度材料目前已经被应用于航空航天、生物医疗、核工程、能源、电磁、光学等诸多领域，显示出广阔的应用前景。
根据功能梯度材料所含有材料成分的不同，功能梯度材料分为：（1）无机功能梯度材料，主要包括金属/陶瓷、金属/非金属、金属/金属和陶瓷/非金属等；（2）聚合物功能梯度材料，主要包括高聚物/高聚物、高聚物/陶瓷、高聚物/金属和高聚物/无机填料等，但是目前聚合物功能梯度材料的研究与开发还主要集中在高聚物/高聚物和高聚物/无机填料这两大类。聚合物功能梯度材料（PGM）主要指的是基体材料为高分子材料的一类功能梯度材料总称，与无机功能梯度材料相比，聚合物功能梯度材料具有更为广泛的工程化应用。
据发明人了解，功能梯度材料现有的主要制备方法：化学气相沉积法、物理蒸镀法、等离子喷涂法、自蔓延高温合成法、粉末冶金法、离心成形法、注浆成形法、化学气相渗透法和电解析出法等。但是上述这些传统的制备方法只能用来成形一些结构较简单的功能梯度材料，无法实现复杂结构件的成形，尤其是复杂三维功能梯度材料和结构一体化制造，而且成形过程复杂，效率低，成本高。近年出现的增材制造技术（3D打印）为功能梯度材料和功能梯度结构件的制造提供了一种全新的技术解决方案，尤其是多材料和多尺度3D打印技术为功能梯度材料和复杂三维结构提供了一种理想的成形方法。
根据现有国内外已经公开的研究成果和信息，已经提出用于制造功能梯度材料/结构件的3D打印技术和工艺主要包括：定向能量沉积（LENS）、激光熔覆、熔融沉积成型（FDM）、聚合物喷射（Polyjet）、粉末床熔融等，但是，据发明人研究后，发现现有的这些3D打印技术在制造功能梯度材料/结构件时都还存在许多的缺陷和不足：（1）各组分材料混合不均匀。现有的这些技术都没有提供专门的混料单元（尤其是材料主动混合），导致混料不均匀，这导致无法制备出真正的高性能功能梯度材料/结构件。例如现有的LENS、激光熔覆、FDM等技术大都采用的是集成喷头/打印头结构，在集成喷头内完全无法实现多材料的均匀混合，尤其是LENS和激光熔覆材料是各组分材料喷射沉积后是在熔池内进行的混合，混合效果更差。聚合物喷射工艺采用的多喷头结构，同样是多种材料沉积后固化前才进行的混合，无法实现多组分材料完全均匀混合。粉末床熔融工艺制约其更无法实现材料的均匀混合（尤其对铺粉的送料方式），而且存在材料浪费严重的问题；（2）现有的各种3D打印技术都不能实现连续功能梯度材料/结构件的制造，只能实现准连续功能梯度材料/构件的制造，无法制备出真正意义上的功能梯度材料/构件；（3）加工精度低，现有的所有工艺都无法实现微尺度功能梯度结构的制造，最小特征分辨率难以实现100微米以下，尤其是没有一种技术能实现20微米以下高分辨率特征结构的制造；（4）现有的这些技术由于成形精度的限制，都难以实现基于微结构变化的功能梯度材料或结构件的制造，大多都是通过调节材料的组分配比实现功能梯度材料或功能梯度结构的制造；（5）无法实现功能梯度材料和三维结构一体化制造，大多是简单二维或者2.5维结构一体化制造；（6）难以实现复杂三维功能梯度结构件的制造；（7）生产效率低，制造工艺稳定性差，例如LENS、激光熔覆、FDM等，由于打印过程中材料配比不断发生变化，打印工艺参数（激光器功率、喷头加热温度等）也必须做出相应的调整，导致整个打印过程工艺稳定性差，打印效率低；尤其是采用集成打印头结构，混料和打印功能集成于一体，对于送料、混料和打印必须保证严格的顺序和同步关系，否则难以成功打印出需要的功能梯度材料和成型结构，加工效率的改进受到很大的限制；（8）可供打印材料种类和形状受限，而且打印材料需要提前加工成需要的形状和尺寸。例如目前LENS和激光熔覆工艺适合的材料基本上是粉材和丝材，而且对于粉材和丝材的形状和几何尺寸也都有严格的限定；FDM目前适合材料是丝材，同样其几何尺寸也有较为严格的限定；聚合物喷射目前只适合粘度非常低光敏树脂材料；粉末床熔融适合的是粉状材料，其几何形状和尺寸有着更为严格的限制；（9）每种制造技术对于适合成形材料也有较为严格的限制，LENS、激光熔覆和粉末床熔融技术主要用于金属基功能梯度材料和结构制造，FDM主要是用于热塑性塑料基功能梯度材料/结构制造，Polyjet主要用于光固化树脂基功能梯度材料/结构制造；（10）设备和工艺复杂，生产成本高。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种功能梯度材料和成型结构一体化制造的3D打印机及工作方法，本公开能够实现连续功能梯度材料/构件的低成本和高效率制造，适合多种打印材料，工艺稳定、效率高和成本低，尤其是能够实现连续功能梯度材料和复杂三维结构件一体化制造。同时，还具有多材料主动高效均匀混合、打印分辨率高（能够实现微纳微尺度特征结构打印），适用材料种类广泛、生产效率高、成本低、结构简单的特点和突出优势。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种功能梯度材料和成型结构一体化制造的3D打印机，包括至少送料模块、混料模块、打印机装置和控制***，所述送料模块包括至少两个独立的送料机构，向所述混料模块内输送不同的打印材料；
所述混料模块包括一搅拌容器，搅拌容器内设置有搅拌机构，所述搅拌机构有第一驱动机构带动转动，以混合接收到的打印材料，搅拌容器的出料口通过电加热管连接至打印机装置的打印喷头模块内；
所述打印机装置，包括三维工作台，三维工作台的Z轴工作台上安装有打印喷头模块，X/Y轴工作台上设置有打印床，所述打印喷头模块包括第二驱动机构、单螺杆、挤压筒和导电喷嘴，所述第二驱动机构与单螺杆连接，能够驱动所述单螺杆在挤压筒内进行轴向运动，所述挤压筒与所述电加热管相连；所述导电喷嘴安装在挤压筒的底部，与高压脉冲电源连接；
所述控制***与送料模块、混料模块和打印机装置连接，控制各部分协同工作，利用不同组分或/和配比的材料的混合作用、单螺杆对打印材料的挤压作用和导电喷嘴的电场驱动喷射沉积作用，实现连续功能梯度材料和结构件的制造。
上述技术方案中，将送料模块、混料模块、打印喷头模块三者独立、分开设置，使送料、混料和打印过程相互不影响，能提高打印效率和稳定性，尤其是能实现连续稳定打印。
同时，打印喷头采用单螺杆熔融挤压式喷头和导电喷嘴组合结构，利用单螺杆熔融挤压式喷头，能够使混料后的打印材料能进一步被均匀混合，同时，利用单螺杆产生的挤压力精确控制材料的挤出，辅助打印过程的成形，确保连续稳定打印。
打印喷头的导电喷嘴与高压脉冲电源相连接，实现功能梯度材料和结构件打印成形采用电场驱动喷射沉积3D打印工艺，电场驱动喷射沉积3D打印工艺一方面具有非常高的打印分辨率，能够实现微纳尺度特征结构打印，尤其还具有大面积宏/微/纳跨尺度3D打印的能力；同时，电场驱动喷射沉积3D打印工艺能够适用的打印材料种类也非常广泛，尤其适合高粘度聚合物材料（聚合物基复合材料）的打印。
作为进一步的限定，所述送料模块至少包括两个送料机构，每个送料机构可放置不同的打印材料，根据设定的材料配比要求向混料模块的搅拌容器内输送原材料。
当然，送料结构可以选用已有的材料输送泵、单螺杆送料机等精确可控的送料设备。
通过送料模块采用材料输送泵、单螺杆送料机等精确可控的送料设备，能够精确控制多组分材料的配比，确保制造功能梯度材料/结构件的打印性能。针对于粒状、粉末状材料，通常采用单螺杆送料机构。通过质量计量仪器，得出螺杆转速与输送材料质量之间比例关系，从而通过调控转速达到精确送料。
作为进一步的限定，所述混料模块包括第一驱动机构、主动螺杆、从动螺杆和搅拌容器，所述第一驱动机构和主动螺杆通过联轴器互联，所述从动螺杆与主动螺杆啮合，所述双螺杆安装在搅拌容器内部，所述搅拌容器侧面开有材料输送孔与送料模块相连，搅拌容器底端设有复合材料出料口，复合材料出料口与电加热管一端相连，混合均匀的材料通过电加热管输送到打印喷头模块的挤压筒内，搅拌容器外侧设置有若干加热器。
这样的设置方式是为了使混料模块采用主动混料模式，利用双螺杆搅拌，确保多组分材料在打印前已经均匀混合，其具有混合均匀和效率高的优势，能实现高性能连续功能梯度材料和结构件制造。此外可供混合材料种类也非常广泛，各种颗粒状材料、粉末材料、丝材等，而且原材料无需实现成形，简化制造工艺，改进材料的普适性。通过在搅拌容器外设置有加热器，能够更好的辅助搅拌作用，在一定程度上改善材料成型性能。
作为进一步的限定，所述挤压筒为分段式结构，包括金属材料段、绝缘导热材料段和金属材料段，所述导电喷嘴安装在挤压筒的底部，所述挤压筒侧面开有材料输送孔，输送孔与电加热管另一端相连，混合均匀的材料进入挤压筒后在单螺杆的挤压作用下输送到导电喷嘴，所述挤压筒和导电喷嘴***均包覆有若干加热器。
通过设置多个加热器，在搅拌筒和导电喷嘴上形成加热区域，能够更好的保证材料的成型性能。
作为进一步的限定，所述高压脉冲电源被配置为能够输出直流高压、输出交流高压、输出脉冲高压，且能够设置偏压，设置的偏压范围0-2KV连续可调，直流高压0-5KV，输出脉冲直流电压0-±4KV连续可调，输出脉冲频率0Hz-3000Hz连续可调，交流高压0-±4KV。
作为进一步的限定，所述打印床为具有真空吸附和电加热功能的平台，打印床设置于摆台上，所述摆台设置于X/Y轴工作台上，能够在绕水平方向实现±90度范围内的倾转，能够在绕Z轴方向实现360度范围的回转。
作为一种可选的方案，所述控制***包括送料控制单元、混料控制单元、打印喷头控制单元、三轴运动控制单元、打印床控制单元和打印控制单元。
当然，上述各单元与相应的被控对象相连，且控制算法/控制逻辑使用现有算法即可。
作为一种可选的方案，所述X/Y轴工作台采用高精度位移工作台，X、Y轴工作台正交放置，X轴的工作行程0-1000毫米，重复定位精度不低于±1微米，绝对定位精度不低于±2微米，最大速度700mm/s，最大加速度500m/s2；Y轴的工作行程0-1000毫米，重复定位精度不低于±1微米，绝对定位精度不低于±2微米，最大速度700mm/s，最大加速度500m/ s2。
基于上述3D打印机的工作方法，根据被成形结构件的模型数据确定打印结构件每层的几何信息，根据材料/结构功能梯度要求，设置材料信息和打印模式，根据各组分材料要求的配比，使送料机构将需要的各组分材料按比例送到混料模块中，在搅拌作用下充分混合后，输送到打印喷头的挤压筒内，在打印喷头的单螺杆的挤压作用下将材料挤压到导电喷嘴的尖端；根据打印几何特征结构的不同，分别采用不同的打印模式，配合三维工作台的运动，实现几何结构成形。
作为进一步的限定，完成所有结构层材料的输送后停止填充料送料机构，基体料送料机构持续供给，以保证打印顺利完成。
作为进一步的限定，不同的打印模式具体为：对于宏观结构，直接利用打印喷头的单螺杆将打印材料挤出沉积到基底或者已经成形结构上，如果打印的是微尺度特征结构，开启高压脉冲电源，利用电场驱动喷射沉积3D打印工艺将打印材料喷射沉积到基底或者已经成形结构上。
通过设置两种打印模式，第一种打印模式（挤出成形）是直接采用单螺杆挤出成形，用于宏观结构和精度要求不高的特征结构打印，该模式具有较高的打印效率；第二种模式采用电场驱动喷射沉积3D打印工艺（喷射成形），用于微纳特征结构打印，尤其是利用该模式实现基于微结构连续功能梯度材料和结构件的制造，以及同时要求材料组分和微结构变化功能梯度材料和结构件的制造，具有非常高的精度。这两种打印模式能够同时兼顾打印效率和打印精度，确保了大面积宏/微/纳跨尺度3D打印的实现，以及大尺寸高精度功能梯度结构件的高效制造。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开能够实现连续功能梯度材料和复杂三维结构件一体化制造。即能按照材料的不同组分和配比实现连续功能梯度材料和结构件的制造，也能根据微结构的变化实现连续功能梯度材料和结构件的制造。
本公开设置专门的混料模块，且混料采用双螺杆主动混料方法，能实现多材料高效均匀混合，实现高性能连续功能梯度材料和结构件的制造。同时，能够实现多材料自动按量精准输送，高效混合。根据材料配比要求，设定送料工艺参数，精准定量输送打印材料，随后利用双螺杆挤出实现材料主动高效均匀混料。材料输送和混料效率高，以及精准混料。
本公开将送料模块、混料模块、打印喷头三者分开，分别设立专门的功能模块。提高打印效率和稳定性，尤其是能实现连续稳定可靠的打印；而且还能实现材料精准和高效连续混合，连续不间断打印。混料模块和打印模块分开设计，混料和3D打印过程互不影响可同时进行，既能保证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，又能保证复合材料的连续制备，打印过程中及时充分供给制备好的材料，提高了混料和打印效率，确保了打印功能梯度结构件的优良性能，实现真正连续功能梯度材料和结构件一体化制造。
本公开设置两种打印模式，挤出成形和喷射成形。能够同时兼顾打印效率和打印精度，实现基于材料微结构功能梯度材料和成型结构一体化制造，确保了大面积宏/微/纳跨尺度3D打印的实现，以及大尺寸高精度功能梯度结构件的高效制造。打印精度高，能实现微尺度特征结构功能梯度材料和结构件的制造，尤其是能实现大面积宏/微/纳跨尺度功能梯度材料和结构件的制造。
本公开适合的材料种类广泛，可实现粒状、粉状、丝状、片状等多种聚合物材料和无机增强材料的打印，尤其是适合高粘度材料的打印，材料普适性强。
本公开结构简单，精度高，设备成本低，效率高，能够满足工业级批量化制造的要求。
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是实施例一用于功能梯度材料和成型结构一体化制造的3D打印装置结构示意图。
图2是实施例一混料模块结构示意图。
图3是实施例一打印喷头模块结构示意图。
图4是实施例一打印原理图。
图5是实施例一的工作流程图。
其中，1 送料模块，101 送料单元I，102 送料单元II，2 混料模块，201 伺服电机，202 联轴器I，203 主动螺杆，204 从动螺杆，205搅拌筒，20501 A料进料口，20502 B料进料口，20503 复合材料出料口，206 加热器I，207 搅拌筒夹具，3 电加热软管（用于连接混料模块和打印喷头），4 Z轴工作台，5 打印喷头模块，501步进电机，502 联轴器Ⅱ，503 单螺杆，504 挤压筒，50401 复合材料进料口，50402 金属材料段，50403 绝缘导热材料段，50404 金属材料段，505 导电喷嘴，506 挤压筒加热器II，507 导电喷嘴加热器Ⅲ，508 喷头夹具，6 打印床，601 基底，7 摆台，8 X、Y模组工作台，9 机架，10 高压脉冲电源，11 底板I，12 底板II，13 控制模块；
1301送料控制单元（电机转速），1302混料控制单元（电机转速、温度控制）、1303打印喷头控制单元（电机转速、温度控制）、1304三轴运动控制单元、1305摆台控制、1306打印床温度控制单元、1307打印控制单元（打印参数、材料参数等）、1308其他辅助协同控制单元。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
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。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
本公开提供了了一种用于功能梯度材料和成型结构一体化制造的3D打印机及其工作方法，它能够实现连续功能梯度材料和复杂三维结构一体化制造，具有多材料主动高效均匀混合，打印分辨率高（微纳微尺度特征结构打印），适用材料种类广泛，生产效率高，成本低，结构简单的特点和突出优势。尤其是它能同时实现基于材料组成和微结构连续功能梯度材料和复杂三维结构一体化制造。
具体解决方案包括：
（1）将送料模块、混料模块、打印喷头三者分开，分别设立专门的功能模块。使送料、混料、打印过程相互不影响，能提高打印效率和稳定性，尤其是能实现连续稳定打印。
（2）混料模块采用主动混料模式，引入一种双螺杆搅拌装置，确保多组分材料在打印前已经均匀混合，其具有混合均匀和效率高的优势，能实现高性能连续功能梯度材料和结构件制造。此外可供混合材料种类也非常广泛，各种颗粒状材料、粉末材料、丝材等，而且原材料无需实现成形，简化制造工艺，改进材料的普适性。
另外，送料模块采用材料输送泵、单螺杆送料机等精确可控的送料设备，能够精确控制多组分材料的配比，确保制造功能梯度材料/结构件的打印性能。针对于粒状、粉末状材料，通常采用单螺杆送料机构。通过质量计量仪器，得出螺杆转速与输送材料质量之间比例关系，从而通过调控转速达到精确送料。
（3）打印喷头采用单螺杆熔融挤压式喷头和导电喷嘴组合结构，利用单螺杆熔融挤压式喷头，具有以下三个显著的功能：
使混料后的打印材料能进一步被均匀混合；
可以精准调控打印温度；
利用单螺杆产生的挤压力精确控制材料的挤出，辅助打印过程的成形。
不同于传统的气压力等，单螺杆挤出力稳定和调控简单，确保连续稳定打印。
（4）功能梯度材料和结构件打印成形采用电场驱动喷射沉积3D打印工艺，打印喷头的导电喷嘴与高压脉冲电源的正极相连接。电场驱动喷射沉积3D打印工艺一方面具有非常高的打印分辨率，能实现微纳尺度特征结构打印，尤其还具有大面积宏/微/纳跨尺度3D打印的能力；另一方面，可供打印材料种类也非常广泛，尤其适合高粘度聚合物材料（聚合物基复合材料）的打印；
（5）设置两种打印模式，第一种打印模式（挤出成形）是直接采用单螺杆挤出成形，用于宏观结构和精度要求不高的特征结构打印，该模式具有较高的打印效率；第二种模式采用电场驱动喷射沉积3D打印工艺（喷射成形），用于微纳特征结构打印，尤其是利用该模式实现基于微结构连续功能梯度材料和结构件的制造，以及同时要求材料组分和微结构变化功能梯度材料和结构件的制造，具有非常高的精度。这两种打印模式能够同时兼顾打印效率和打印精度，确保了大面积宏/微/纳跨尺度3D打印的实现，以及大尺寸高精度功能梯度结构件的高效制造。
下面以不同的实施例进行详细说明。
实施例一
如图1所示，用于功能梯度材料和成型结构一体化制造的3D打印装置结构，包括：1送料模块，101 送料单元I，102 送料单元II，2 混料模块，3 电加热软管（用于连接混料模块和打印喷头），4 Z轴工作台，5 打印喷头模块，6 打印床，7 摆台，8 X、Y模组工作台，9 机架，10 高压脉冲电源，11 底板I，12 底板II，13控制模块。具体的，所述送料模块1与混料模块2相连接，混料模块2固定在底板I 11上，混料模块2的出料口通过电加热软管3与打印喷头模块5相连，打印喷头模块5底部通过导线与高压脉冲电源10正极相连，打印喷头模块5的正下方设置打印床6，打印床6固定在摆台7上，摆台7固定在X、Y模组工作台8上，X、Y模组工作台8固定在底板II 12上，所述的打印喷头模块5固定在Z轴工作台4上，Z轴工作台4固定在机架9的龙门横梁上，机架9底部固定在底板II 12上。控制模块13控制单个模块的功能以及各个功能模块协同工作等。
电加热软管3两端分别与混料模块2和打印喷头模块5连接，可用于保持熔体温度并实现材料的输送。
打印床6是具有真空吸附和电加热功能平台或者圆台或者其他结构形状，打印床6加热温度范围0-120℃，打印床6要求具有较高的平面度，打印时可将基底放置在打印床6上，若在已有实物表面进行打印，可将实物固定于打印床6上再打印。
摆台7是可倾回转工作台，能够在绕X轴方向实现±90度范围内的倾转，能够在绕Z轴方向实现360度范围的回转，从而实现复杂三维结构的打印。
X、Y模组工作台8采用高精度位移工作台，X、Y正交放置，采用伺服电机驱动。X轴的工作行程0-1000毫米，重复定位精度不低于±1微米，绝对定位精度不低于±2微米，最大速度700mm/s，最大加速度500m/ s2。Y轴的工作行程0-1000毫米，重复定位精度不低于±1微米，绝对定位精度不低于±2微米，最大速度700mm/s，最大加速度500m/s2。
当然，在其他实施例中，可以选用已有的三维运动/工作台。
在本实施例中，高压脉冲电源10具有以下功能，输出直流高压；输出交流高压；输出脉冲高压，且能够设置偏压。设置的偏压范围0-2KV连续可调，直流高压0-5KV，输出脉冲直流电压0-±4KV连续可调，输出脉冲频率0Hz-3000Hz连续可调，交流高压0-±4KV，打印时根据打印结构以及打印材料特性选取电压形式。
当然，其他实施例中，上述参数可以进行适应性的修改。
在一部分实施例中可以作为共性使用的混料模块，如图2所示，具体包括伺服电机201、联轴器I202、主动螺杆203、从动螺杆204、搅拌筒205、A料进料口20501、B料进料口20502、复合材料出料口20503、搅拌筒加热器I206，以及搅拌筒夹具207。具体的，伺服电机201和主动螺杆203通过联轴器202互联，从动螺杆204与主动螺杆203啮合，主动螺杆203、从动螺杆204安装在搅拌筒205内部，搅拌筒加热器I206为多个，均包覆在搅拌筒205不同位置，搅拌筒205固定在搅拌筒夹具207上，搅拌筒205侧面开有材料输送孔（即A料进料口20501、B料进料口20502）与送料模块1相连，材料在送料模块1的作用下进入搅拌筒205，在主动螺杆203、从动螺杆204的作用下完成搅拌混合，搅拌筒底端设有复合材料出料口20503，复合材料出料口20503与电加热软管3一端相连，混合均匀的材料通过电加热软管3输送到打印喷头模块5以备打印。
搅拌筒加热器I 206的加热温度范围0-450℃，当然，不同材料在搅拌筒205内不同区域所需及所产热量不同，可以根据塑化以及压力需求，设置不同温度值。
在一部分实施例中可以作为共性使用的打印喷头模块结构如图3所示，它包括步进电机501、联轴器Ⅱ502、单螺杆503、挤压筒504、复合材料进料口50401、金属材料段50402、绝缘导热材料段50403、金属材料段50404、导电喷嘴505、挤压筒加热器II506、导电喷嘴加热器III507和喷头夹具508。具体的，步进电机501和单螺杆503通过联轴器Ⅱ502互联，单螺杆503安装在挤压筒504的内部，导电喷嘴505安装在挤压筒504的底部，挤压筒504侧面开有复合材料进料口50401，复合材料进料口50401与电加热软管3另一端相连，混合均匀的材料进入挤压筒504后在单螺杆503的挤压作用下输送到导电喷嘴505，所述挤压筒加热器II 506、导电喷嘴加热器III507分别包覆在挤压筒504和导电喷嘴505***，喷头夹具508分为上下两层，上层用来固定步进电机501，下层用来固定挤压筒504，所述夹具508背面开有螺纹孔，通过螺纹实现与Z轴工作台4的固定。
当然，在其他实施例中，加热器的数量和位置都可以进行适应性的改变。
挤压筒504分金属材料段50402-绝缘导热材料段50403-金属材料段50404三段设计，绝缘导热材料的目的是防止与导电喷嘴505导通而影响装置其他电子器件。具体每段的尺寸等根据具体情况设置。
导电喷嘴505为金属喷嘴或涂覆导电材料喷嘴，喷嘴内径大小1-1000微米，通过导线与高压脉冲电源10的正极相连接。
挤压筒加热器II 506、导电喷嘴加热器III507的加热温度范围0-450℃。通常喷嘴温度略高于挤压筒温度，便于精准调控材料喷射温度。
如图4所述，在一些实施例中，导电喷嘴505采用武藏针头，其内径为200μm，安装在挤压筒504最下端并通过导线与高压电源10正极连接。导电喷嘴505与放置在打印床6上的基底601形成强电场，驱动材料喷射沉积在基底上。
在部分实施例中，功能梯度材料和成型结构一体化制造的具体打印过程包括：（1）数据准备。根据被成形结构件的模型数据（STL、AMF、3MF等）确定打印结构件每层的几何信息，根据材料/结构功能梯度要求，设置材料信息（材料配比或者材料掺杂比）和打印模式，具体包括同种配比包含的层数以及打印结构是否开启高压脉冲电源，生成打印数据文件；（2）打印初始化，完成打印前的准备工作，放置各组分原材料到送料模块1中，混料模块2、打印喷头模块5及打印床6等所有加热单元全部开启，达到设定温度，混料模块2和打印喷头模块5处于待机状态，Z轴工作台4和X、Y模组工作台8处于使能状态，完成整个打印设备的准备和初始化；（3）打印功能梯度材料和结构件，主要包括材料混合和输送挤出，几何成形结构的3D打印。基于每层打印数据信息（或者多层结构采用同一个配比），根据各组分材料要求的配比，使送料单元电机按转速比运行，将需要的各组分材料按比例送到混料模块2中，完成所有结构层材料的输送后停止填充料送料单元的电机，基体料送料单元持续供给，以保证打印顺利完成，进入混料模块2的多组分材料在主动螺杆203、从动螺杆204搅拌作用下充分混合后，通过电加热软管3输送到打印喷头模块5的挤压筒504内，在打印喷头模块5的单螺杆503的挤压作用下将材料挤压到导电喷嘴505的尖端；然后根据打印几何特征结构的不同，分别采用不同的打印模式（对于宏观结构，直接利用打印喷头模块5的单螺杆503将打印材料挤出沉积到基底或者已经成形结构上，如果打印的是微尺度特征结构，开启高压脉冲电源10，利用电场驱动喷射沉积3D打印工艺将打印材料喷射沉积到基底或者已经成形结构上，并结合摆台7和X、Y模组工作台8的运动，实现几何结构成形。每层打印完成后，Z轴工作台4升高一个层厚的高度，再完成下一层结构的打印，重复以上过程，直至完成所有层结构打印完成；（4）关闭送料模块1、混料模块2、打印喷头模块5和高压脉冲电源10，Z轴工作台4、X、Y模组工作台8和摆台7返回工作台初始打印位置，取下打印完成的成形功能梯度结构件。
更为具体的，包括以下步骤：
步骤1：打印数据文件准备。根据打印件的模型数据和材料/结构要求的功能梯度信息，确定每层打印数据的几何信息、材料信息（材料配比或者材料掺杂比）、打印模式。实际功能梯度结构打印时，由于每层的打印厚度很小，可能多层结构使用同一配比的材料（具体根据层厚和要求的功能梯度结构连续性能）。
步骤2：打印初始化。以共混型聚合物梯度材料为例，具体是双组分功能梯度材料/结构件打印为例，将A材料、B材料放置到送料模块1的送料单元I 101、送料单元II102中，混料模块2、打印喷头模块5及打印床6等所有加热单元全部开启，并达到设定温度，混料模块2和打印喷头模块5处于待机状态，Z轴工作台4和X、Y模组工作台8处于使能状态，完成整个打印设备的准备和初始化。
步骤3：打印功能梯度材料和成型结构件。（1）送料，基于打印数据文件，使送料单元I101、送料单元II102电机按转速比及工作时间运行，向混料模块2输送需要的A材料和B材料（体积比或者重量比）；（2）混料，在混料模块2中对输入的材料加热并充分熔融主动混合；（3）打印第一层结构，混合均匀的打印材料通过电加热软管3输送到打印喷头模块5的挤压筒504，开启打印喷头模块5的单螺杆503，根据该层打印需要使用的工作模式，如果是挤出成形模式，利用打印喷头模块5的单螺杆503挤出打印材料，并根据该层的几何信息，驱动摆台7、X、Y模组工作台8运动，完成该层结构的打印；如果是喷射成形，开启高压脉冲电源10，喷射打印材料，并根据该层的几何信息，驱动摆台7、X和Y工作台8运动，完成该层结构的打印；（4）Z轴工作台4上升一个层厚的高度，根据第二层的材料信息、几何信息、打印模式，重复以上操作，完成第二层结构的打印；（5）重复以上操作，完成所有层的打印。
步骤4：后处理。打印完成后，关闭送料模块1、混料模块2、打印喷头模块5和高压脉冲电源10，X、Y模组工作台8、Z轴工作台4和摆台7返回工作台初始打印位置，取下打印完成的功能梯度成形件。并根据需要进行相应的后处理等工作诸如去除支撑、表面光整等。
打印数据文件，每层结构至少包括：几何信息、材料信息（各组分的材料配比）、打印模式中的一种或者几种或者全部。
打印功能梯度材料/结构件，根据实际打印的需要（打印效率和实际打印要求或者精度要求等），可以设置多层具有相同的材料信息。
如果是基于材料微结构实现功能梯度材料和成型结构一体化制造，具体打印工艺步骤包括：
步骤1：打印数据文件准备。根据打印件的模型数据和要求的功能梯度信息，确定每层打印数据的几何信息（外部轮廓数据，内部微结构梯度结构数据）、材料信息（如果是单材料，没有材料配比内容）、打印模式（轮廓采用挤出成形，内部结构采用喷射成形）。
步骤2：打印初始化。以基于微结构变化的填充复合型聚合物梯度材料/结构件打印为例，将A材料和B材料（填充增强材料）放入送料模块1的送料单元I101、送料单元II102中，混料模块2、打印喷头模块5及打印床6等所有加热单元全部开启，并达到设定温度，混料模块2和打印喷头模块5处于待机状态，Z轴工作台4和X、Y模组工作台8处于使能状态，完成整个打印设备的准备和初始化。
步骤3：打印功能梯度材料和成型结构件。（1）送料，基于打印数据文件，使送料单元I 101、送料单元II 102电机按转速比及工作时间运行（材料配比固定），向混料模块2输送需要的A材料和B材料（体积比或者重量比）；（2）混料，在混料模块2中对输入的材料加热充分熔融混合；（3）打印第一层，混合均匀的材料通过电加热软管3输送到打印喷头模块5的挤压筒504，开启打印喷头模块5的单螺杆503，首先采用挤出成型，利用打印喷头模块5的单螺杆503挤出打印材料，并根据该层的几何信息，驱动摆台7和X、Y模组工作台8运动，完成该层轮廓结构的打印；随后开启高压脉冲电源10，采用喷射模式打印，并根据该层的内部微结构的几何信息，驱动摆台7和X、Y模组工作台8运动，完成该层内部微结构的打印；（4）Z轴工作台4上升一个层厚的高度，根据第二层的几何信息和相应的打印模式，重复以上操作，完成第二层的打印；（5）重复以上操作，完成所有层的打印。
步骤4：后处理。打印完成后，关闭送料模块1、混料模块2、打印喷头模块5和高压脉冲电源10，X、Y模组工作台8、Z轴工作台4和摆台7返回工作台初始打印位置，取下打印完成的成形件。并根据需要进行相应的后处理等工作诸如去除支撑、表面光整等。
综上，本公开提供的各个实施例，通过装置和打印模式的相配合，能够实现连续功能梯度材料和复杂三维结构一体化制造，具有多材料主动高效均匀混合，打印分辨率高（微纳微尺度特征结构打印），适用材料种类广泛，生产效率高，成本低，结构简单的特点和突出优势。尤其是它能同时实现基于材料组成和微结构连续功能梯度材料和复杂三维结构一体化制造。
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。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
Claims (7)
1.一种功能梯度材料和成型结构一体化制造的3D打印机，其特征是：包括送料模块、混料模块、打印机装置和控制***，所述送料模块包括至少两个独立的送料机构，向所述混料模块内输送不同的打印材料；
所述混料模块包括一搅拌容器，搅拌容器内设置有搅拌机构，所述搅拌机构有第一驱动机构带动转动，以混合接收到的打印材料，搅拌容器的出料口通过电加热管连接至打印机装置的打印喷头模块内；
所述打印机装置，包括三维工作台，三维工作台的Z轴工作台上安装有打印喷头模块，X/Y轴工作台上设置有打印床，所述打印喷头模块包括第二驱动机构、单螺杆、挤压筒和导电喷嘴，所述第二驱动机构与单螺杆连接，能够驱动所述单螺杆在挤压筒内进行轴向运动，所述挤压筒与所述电加热管相连；所述导电喷嘴安装在挤压筒的底部，与高压脉冲电源连接；
所述打印床为具有真空吸附和电加热功能的平台，打印床设置于摆台上，所述摆台设置于X/Y轴工作台上，能够在绕水平方向实现±90度范围内的倾转，能够在绕Z轴方向实现360度范围的回转；
所述控制***与送料模块、混料模块和打印机装置连接，控制各部分协同工作，利用不同组分或/和配比的材料的混合作用、单螺杆对打印材料的挤压作用和导电喷嘴的电场驱动喷射沉积作用，实现连续功能梯度材料和结构件的制造;
所述送料模块、混料模块、打印喷头模块三者分开，分别设立专门的功能模块；
所述混料模块包括第一驱动机构、主动螺杆、从动螺杆和搅拌容器，所述第一驱动机构和主动螺杆通过联轴器互联，所述从动螺杆与主动螺杆啮合，所述主动螺杆和从动螺杆安装在搅拌容器内部，所述搅拌容器侧面开有材料输送孔与送料模块相连，搅拌容器底端设有复合材料出料口，复合材料出料口与电加热管一端相连，混合均匀的材料通过电加热管输送到打印喷头模块的挤压筒内，搅拌容器外侧设置有若干加热器；混料模块采用主动混料模式；
所述打印喷头模块采用单螺杆熔融挤压式喷头和导电喷嘴组合结构，打印喷头模块的导电喷嘴与高压脉冲电源相连接；所述打印喷头模块的挤压筒为分段式结构，包括金属材料段、绝缘导热材料段和金属材料段，所述导电喷嘴安装在挤压筒的底部，所述挤压筒侧面开有材料输送孔，输送孔与电加热管另一端相连，混合均匀的材料进入挤压筒后在单螺杆的挤压作用下输送到导电喷嘴，所述挤压筒和导电喷嘴***均包覆有若干加热器；
所述送料模块采用材料输送泵、单螺杆送料机精确可控的送料设备，通过质量计量仪器，得出螺杆转速与输送材料质量之间比例关系，从而通过调控转速达到精确送料。
2.如权利要求1所述的一种功能梯度材料和成型结构一体化制造的3D打印机，其特征是：所述送料模块至少包括两个送料机构，每个送料机构可放置不同的打印材料，根据设定的材料配比要求向混料模块的搅拌容器内输送原材料。
3.如权利要求1所述的一种功能梯度材料和成型结构一体化制造的3D打印机，其特征是：所述高压脉冲电源被配置为能够输出直流高压、输出交流高压、输出脉冲高压，且能够设置偏压，设置的偏压范围0-2KV连续可调，直流高压0-5KV，输出脉冲直流电压0-±4KV连续可调，输出脉冲频率0Hz-3000Hz连续可调，交流高压0-±4KV。
4.如权利要求1所述的一种功能梯度材料和成型结构一体化制造的3D打印机，其特征是：所述X/Y轴工作台采用高精度位移工作台，X、Y轴工作台正交放置，X轴的工作行程0-1000毫米，重复定位精度不低于±1微米，绝对定位精度不低于±2微米，最大速度700mm/s，最大加速度500m/s2；Y轴的工作行程0-1000毫米，重复定位精度不低于±1微米，绝对定位精度不低于±2微米，最大速度700mm/s，最大加速度500m/ s2。
5.基于权利要求1-4中任一项所述的3D打印机的工作方法，其特征是：根据被成形结构件的模型数据确定打印结构件每层的几何信息，根据材料/结构功能梯度要求，设置材料信息和打印模式，根据各组分材料要求的配比，使送料机构将需要的各组分材料按比例送到混料模块中，在搅拌作用下充分混合后，输送到打印喷头模块的挤压筒内，在打印喷头模块的单螺杆的挤压作用下将材料挤压到导电喷嘴的尖端；根据打印几何特征结构的不同，分别采用不同的打印模式，配合三维工作台的运动，实现几何结构成形。
6.如权利要求5所述的工作方法，其特征是：完成所有结构层材料的输送后停止填充料送料机构，基体料送料机构持续供给，以保证打印顺利完成。
7.如权利要求5所述的工作方法，其特征是：不同的打印模式具体为：对于宏观结构，直接利用打印喷头模块的单螺杆将打印材料挤出沉积到基底或者已经成形结构上，如果打印的是微尺度特征结构，开启高压脉冲电源，利用电场驱动喷射沉积3D打印工艺将打印材料喷射沉积到基底或者已经成形结构上。
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