CN110181809B - 一种基于静电纺丝法的面成型快速3d打印装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于打印设备技术领域，具体涉及一种基于静电纺丝法的面成型快速3D打印装置，主体结构包括外壳体、升降接收板、高压静电发生器、驱动滚轮、从动滚轮、左料桶、右料桶、顶针升降板、柔性膜和顶针，采用原材料直接熔融利用静电纺丝方式进行3D打印，通过同时控制多个顶针的上下移动实现平面上多点射流的通断控制，使平面上多股射流同步快速精确定位沉积固化并粘接，逐面成型形成制品，提高了3D打印的效率，通过对射流直径的可控调节，达到制品精度调控的目的；其结构简单，易于操作，能够实现一面同时成型且精度可控的面成型快速3D打印，不需要进行额外的平移动作，解决了现有技术中3D打印时喷头小孔易堵塞的问题。

Description

一种基于静电纺丝法的面成型快速3D打印装置

技术领域：

本发明属于打印设备技术领域，具体涉及一种基于静电纺丝法的面成型快速3D打印装置，能够实现精细制品和零件的快速成型。

背景技术：

3D打印技术是一种快速成型技术，以金属或者塑料等粘合剂作为打印材料，以数字模型为基础进行逐层打印。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息***、土木工程、***以及其他领域都有所应用。现有的FDM(Fused Deposition Modeling)工艺熔融沉积制造3D打印设备大多采用丝材，其原理是将聚合物材料预制成丝状，由送料机构送进喷头进行熔融，然后按照路径挤出凝固，逐层打印后形成三维制品，操作简单，但由于是单丝成型，时间较长，效率较低，并且精度较差，对于精细结构难以成型，制约了3D打印技术在快速、精细化产品构建等领域的应用。

静电纺丝是利用高压静电将聚合物熔体或者溶液制备成超细纤维的工艺，具有设备简单、操作容易、可纺物质种类多等优点，已成为目前制备聚合物连续纳米纤维材料的最主要方式之一。随着纳米技术的发展，静电纺丝作为一种简便有效的可生产纳米纤维的新型加工技术，将在生物医用材料、过滤及防护、催化、能源、光电、食品工程、化妆品等领域发挥巨大作用。静电纺丝法能够制备从几十纳米到几十微米的纤维，与3D打印技术结合，可以实现组织工程支架等微纳结构材料和器件的设计制造。传统FDM工艺精度差、效率低，而静电纺丝法能够产生超细纤维，但是传统带有小孔的喷头也存在易堵塞等问题。因此，需要开发一种基于静电纺丝法的面成型快速3D打印装置，以满足3D打印领域精细化和快速化的应用需求。中国专利201710281096.7公开的一种基于FDM的面成型3D打印设备，由打印喷嘴、总打印喷头、送料管、水平平移***包括水平丝杆、水平导杆、步进电机、可升降打印平台以及喷嘴控制***组成。总打印喷头上安装若干打印喷嘴，每个送料管安装于每个打印喷嘴上侧，打印丝材通过送料管接入总打印喷头并分别接入相应打印喷嘴，总打印喷头安装于水平平移***上，并由水平平移***中步进电机转动带动水平丝杆转动以及水平导杆作导向作用，进一步驱动总打印喷头作往复运动。可升降打印平台位于总打印喷头下方，承载熔融丝材，总打印喷头由水平平移***驱动从左至右移动，同时各打印喷嘴挤出熔融丝材打印第一层，喷嘴控制***分别控制各打印喷头根据计算机三维模型每一面层形状，向外挤出熔融丝材或停止挤出，第一层打印完成后，可升降打印平台下降一个层厚的距离，步进电机反转，驱动总打印喷头从右至左移动，同时各打印喷嘴挤出熔融丝材打印第二层，如此循环直至打印完毕；其采用丝材进行3D打印，每个喷嘴需要配置额外的送丝和加热装置，成本昂贵，且是利用一排打印喷嘴平移实现面成型，效率和精度仍然较低。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，研发一种基于静电纺丝法的面成型快速3D打印装置，实现平面上多股射流同步快速精确定位沉积固化，逐面成型形成制品。

为了实现上述目的，本发明涉及的基于静电纺丝法的面成型快速3D打印装置主体结构包括外壳体、升降接收板、高压静电发生器、驱动滚轮、从动滚轮、左料桶、右料桶、顶针升降板、柔性膜和顶针；外壳体由上壁板、下壁板、左壁板、右壁板和后壁板围合构成，下壁板的上表面上设置有升降接收板，升降接收板与高压静电发生器电连接，后壁板上设置有驱动滚轮、从动滚轮、左料桶、右料桶和顶针升降板，柔性膜环绕在驱动滚轮和从动滚轮的***并穿过镜像对称的左料桶和右料桶，顶针升降板的下表面上设置有若干个阵列排布的顶针；驱动滚轮、从动滚轮、左料桶和右料桶呈四边形分布，顶针升降板接地，顶针升降板与顶针插接式连接，顶针升降板和顶针位于柔性膜围合的四边形内。

本发明涉及的左料桶和右料桶的主体结构相同，均包括壳体、进出料孔、加热圈、压膜轮、导向轮、左挤压滚轮和右挤压滚轮；壳体的顶部开设有进出料孔，壳体的侧部和底部围设有加热圈，壳体的内部设置有压膜轮、导向轮和成对设置的左挤压滚轮与右挤压滚轮，压膜轮设置在壳体的底部，导向轮设置在柔性膜穿出壳体处的左侧，左挤压滚轮与右挤压滚轮设置在柔性膜穿入壳体处的下方；顶针升降板为多点独立控制的升降板，顶针升降板的下表面上设置有若干个阵列排布的导轨，顶针的尾端插接在导轨中，顶针能够在导轨中相互独立的上下移动。

本发明涉及的外壳体具有绝缘和保温功能；左料桶和右料桶均集加热、涂覆和回收于一体；柔性膜具有弹性；加热圈为不锈钢云母电热圈。

本发明涉及的基于静电纺丝法的面成型快速3D打印装置使用时，首先，将装置与计算机连接，将驱动滚轮与能够调速和正反转的外接电机连接，计算机将制品的三维模型转化为多层二维截面，再将二维平面转化成点，传递给顶针升降板，控制多个相应的顶针独立动作，顶针向下伸出，柔性膜被顶针顶出多个凸起，凸起上的熔体或溶液在高压静电场的作用下形成射流，射流冷却固化或溶剂挥发固化的同时粘接在一起；顶针向上抬起，柔性膜由于弹性恢复平面状态，凸起消失，射流消失；从而控制射流沉积的位置，实现面成型，完成一面后，升降接收板向下移动，逐层打印，最终成型整个制品；打印时，在左料桶中投入聚合物粒料或溶液，加热圈能够将聚合物粒料加热成熔体并对熔体或溶液进行加热和保温，将升降接收板调节至设定位置，开启高压静电发生器，升降接收板与顶针升降板之间形成高压静电场；开启外接电机，外接电机带动驱动滚轮旋转，驱动滚轮通过柔性膜的连接带动从动滚轮旋转，当柔性膜底面从左向右移动时，柔性膜穿过左料桶蘸取熔体或溶液，多个预设的顶针向下移动，柔性膜被顶出多个凸起，每个凸起上的熔体或溶液在高压静电场作用下形成单股射流，射流冷却固化或者溶剂挥发固化的同时落在升降接收板上和之前固化的制品粘接在一起，柔性膜上剩余的熔体或溶液在进入右料桶后在左挤压滚轮和右挤压滚轮的旋转作用下被挤出并集中在右料桶中；当右料桶中的熔体或溶液的体积超过设定值时，使外接电机反转，柔性膜底面从右向左移动，从右料桶中蘸取熔体或溶液进行纺丝成型，柔性膜上剩余的熔体或溶液在左料桶中被截留，如此反复，打印符合设定精度要求的制品，左料桶和右料桶能够单独加料。

本发明涉及的基于静电纺丝法的面成型快速3D打印装置通过控制不同位置顶针的伸出和抬起控制柔性膜上凸起的位置，进而控制多股射流沉积的位置，实现面成型的快速打印；通过控制顶针的伸出距离来调节凸起上熔体或溶液的厚度，顶针的伸出距离长，柔性膜凸起部分蘸取的溶液/熔体多，顶针的伸出距离短，柔性膜凸起部分蘸取的溶液/熔体少，以此控制射流的直径，达到制品局部精度的精细化控制目的；通过调节外接电机的转速控制柔性膜的移动速度和移动方向，移动速度决定柔性膜蘸取溶液/熔体的厚度，控制制品整体的打印精度，对溶液/熔体进行重复利用。

本发明与现有技术相比，采用原材料直接熔融利用静电纺丝方式进行3D打印，通过同时控制多个顶针的上下移动实现平面上多点射流的通断控制，使平面上多股射流同步快速精确定位沉积固化并粘接，逐面成型形成制品，提高了3D打印的效率，通过对射流直径的可控调节，达到制品精度调控的目的；其结构简单，易于操作，能够实现一面同时成型且精度可控的面成型快速3D打印，不需要进行额外的平移动作，解决了现有技术中3D打印时喷头小孔易堵塞的问题，在提高效率的同时，最大限度的保证了制品的精度，节能环保，扩充了3D打印的应用范围。

附图说明：

图1为本发明的主体结构原理示意图。

图2为本发明涉及的左料桶的主体结构原理示意图。

图3为本发明涉及的右料桶的主体结构原理示意图。

图4为本发明涉及的顶针与柔性膜和导轨的连接关系示意图。

图5为本发明的工作状态示意图。

具体实施方式：

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

本实施例涉及的基于静电纺丝法的面成型快速3D打印装置的主体结构包括外壳体1、升降接收板2、高压静电发生器3、驱动滚轮4、从动滚轮5、左料桶6、右料桶7、顶针升降板8、柔性膜9和顶针10；外壳体1由上壁板、下壁板、左壁板、右壁板和后壁板围合构成，下壁板的上表面上设置有升降接收板2，升降接收板2与高压静电发生器3电连接，后壁板上设置有驱动滚轮4、从动滚轮5、左料桶6、右料桶7和顶针升降板8，驱动滚轮4、从动滚轮5、左料桶6和右料桶7呈四边形分布，柔性膜9环绕在驱动滚轮4和从动滚轮5的***并穿过镜像对称的左料桶6和右料桶7，顶针升降板8接地，顶针升降板8的下表面上设置有若干个阵列排布的顶针10，顶针升降板8与顶针10插接式连接，顶针升降板8和顶针10位于柔性膜9围合的四边形内。

本实施例涉及的左料桶6和右料桶7的主体结构相同，均包括壳体601、进出料孔602、加热圈603、压膜轮604、导向轮605、左挤压滚轮606和右挤压滚轮607；壳体601的顶部开设有进出料孔602，壳体601的侧部和底部围设有加热圈603，壳体601的内部设置有压膜轮604、导向轮605和成对设置的左挤压滚轮606与右挤压滚轮607，压膜轮604设置在壳体601的底部，导向轮605设置在柔性膜9穿出壳体601处的左侧，左挤压滚轮606与右挤压滚轮607设置在柔性膜9穿入壳体601处的下方。

本实施例涉及的顶针升降板8为多点独立控制的升降板，顶针升降板8的下表面上设置有若干个阵列排布的导轨11，顶针10的尾端插接在导轨11中，顶针10能够在导轨11中互不影响的上下移动。

本实施例涉及的外壳体1具有绝缘和保温功能；左料桶6和右料桶7均集加热、涂覆和回收于一体；柔性膜9具有弹性；加热圈603为不锈钢云母电热圈。

本实施例涉及的基于静电纺丝法的面成型快速3D打印装置使用时，首先，将装置与计算机连接，将驱动滚轮4与能够调速和正反转的外接电机连接，计算机将制品的三维模型转化为多层二维截面，再将二维平面转化成点，传递给顶针升降板8，控制多个相应的顶针10独立动作，顶针10向下伸出，柔性膜9被顶针10顶出多个凸起，凸起上的熔体或溶液在高压静电场的作用下形成射流，射流冷却固化或溶剂挥发固化的同时粘接在一起；顶针10向上抬起，柔性膜9由于弹性恢复平面状态，凸起消失，射流消失；从而控制射流沉积的位置，实现面成型，完成一面后，升降接收板2向下移动，逐层打印，最终成型整个制品。

本实施例涉及的基于静电纺丝法的面成型快速3D打印装置打印时，在左料桶6中投入聚合物粒料或溶液，加热圈603能够将聚合物粒料加热成熔体并对熔体或溶液进行加热和保温，将升降接收板2调节至设定位置，开启高压静电发生器3，升降接收板2与顶针升降板8之间形成高压静电场；开启外接电机，外接电机带动驱动滚轮4旋转，驱动滚轮4通过柔性膜9的连接带动从动滚轮5旋转，当柔性膜9底面从左向右移动时，柔性膜9穿过左料桶6蘸取熔体或溶液，多个预设的顶针10向下移动，柔性膜9被顶出多个凸起，每个凸起上的熔体或溶液在高压静电场作用下形成单股射流，射流冷却固化或者溶剂挥发固化的同时落在升降接收板2上和之前固化的制品粘接在一起，柔性膜9上剩余的熔体或溶液在进入右料桶7后在左挤压滚轮606和右挤压滚轮607的旋转作用下被挤出并集中在右料桶7中；当右料桶7中的熔体或溶液的体积超过设定值时，使外接电机反转，柔性膜9底面从右向左移动，从右料桶7中蘸取熔体或溶液进行纺丝成型，柔性膜9上剩余的熔体或溶液在左料桶6中被截留，如此反复，打印符合设定精度要求的制品，左料桶6和右料桶7能够单独加料。

本实施例涉及的基于静电纺丝法的面成型快速3D打印装置通过控制不同位置顶针10的伸出和抬起控制柔性膜9上凸起的位置，进而控制多股射流沉积的位置，实现面成型的快速打印。

本实施例涉及的基于静电纺丝法的面成型快速3D打印装置通过控制顶针10的伸出距离来调节凸起上熔体或溶液的厚度，顶针10的伸出距离长，柔性膜9凸起部分蘸取的溶液/熔体多，顶针10的伸出距离短，柔性膜9凸起部分蘸取的溶液/熔体少，以此控制射流的直径，达到制品局部精度的精细化控制目的。

本实施例涉及基于静电纺丝法的面成型快速3D打印装置通过调节外接电机的转速控制柔性膜9的移动速度和移动方向，移动速度决定柔性膜9蘸取溶液/熔体的厚度，控制制品整体的打印精度，对溶液/熔体进行重复利用，避免浪费。

Claims (8)

1.一种基于静电纺丝法的面成型快速3D打印装置，其特征在于，主体结构包括外壳体、升降接收板、高压静电发生器、驱动滚轮、从动滚轮、左料桶、右料桶、顶针升降板、柔性膜和顶针；外壳体由上壁板、下壁板、左壁板、右壁板和后壁板围合构成，下壁板的上表面上设置有升降接收板，升降接收板与高压静电发生器电连接，后壁板上设置有驱动滚轮、从动滚轮、左料桶、右料桶和顶针升降板，柔性膜环绕在驱动滚轮和从动滚轮的***并穿过镜像对称的左料桶和右料桶，顶针升降板的下表面上设置有若干个阵列排布的顶针；左料桶和右料桶的主体结构相同，均包括壳体、进出料孔、加热圈、压膜轮、导向轮、左挤压滚轮和右挤压滚轮；壳体的顶部开设有进出料孔，壳体的侧部和底部围设有加热圈，壳体的内部设置有压膜轮、导向轮和成对设置的左挤压滚轮与右挤压滚轮，压膜轮设置在壳体的底部，导向轮设置在柔性膜穿出壳体处的左侧，左挤压滚轮与右挤压滚轮设置在柔性膜穿入壳体处的下方；外壳体具有绝缘和保温功能；左料桶和右料桶均集加热、涂覆和回收于一体；柔性膜具有弹性；加热圈为不锈钢云母电热圈。

2.根据权利要求1所述的基于静电纺丝法的面成型快速3D打印装置，其特征在于，驱动滚轮、从动滚轮、左料桶和右料桶呈四边形分布，顶针升降板接地，顶针升降板与顶针插接式连接，顶针升降板和顶针位于柔性膜围合的四边形内。

3.根据权利要求1所述的基于静电纺丝法的面成型快速3D打印装置，其特征在于，顶针升降板为多点独立控制的升降板，顶针升降板的下表面上设置有若干个阵列排布的导轨，顶针的尾端插接在导轨中，顶针能够在导轨中相互独立的上下移动。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于静电纺丝法的面成型快速3D打印装置，其特征在于，使用时，首先，将装置与计算机连接，将驱动滚轮与能够调速和正反转的外接电机连接，计算机将制品的三维模型转化为多层二维截面，再将二维平面转化成点，传递给顶针升降板，控制多个相应的顶针独立动作，顶针向下伸出，柔性膜被顶针顶出多个凸起，凸起上的熔体或溶液在高压静电场的作用下形成射流，射流冷却固化或溶剂挥发固化的同时粘接在一起；顶针向上抬起，柔性膜由于弹性恢复平面状态，凸起消失，射流消失；从而控制射流沉积的位置，实现面成型，完成一面后，升降接收板向下移动，逐层打印，最终成型整个制品。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的基于静电纺丝法的面成型快速3D打印装置，其特征在于，打印时，在左料桶中投入聚合物粒料或溶液，加热圈能够将聚合物粒料加热成熔体并对熔体或溶液进行加热和保温，将升降接收板调节至设定位置，开启高压静电发生器，升降接收板与顶针升降板之间形成高压静电场；开启外接电机，外接电机带动驱动滚轮旋转，驱动滚轮通过柔性膜的连接带动从动滚轮旋转，当柔性膜底面从左向右移动时，柔性膜穿过左料桶蘸取熔体或溶液，多个预设的顶针向下移动，柔性膜被顶出多个凸起，每个凸起上的熔体或溶液在高压静电场作用下形成单股射流，射流冷却固化或者溶剂挥发固化的同时落在升降接收板上和之前固化的制品粘接在一起，柔性膜上剩余的熔体或溶液在进入右料桶后在左挤压滚轮和右挤压滚轮的旋转作用下被挤出并集中在右料桶中；当右料桶中的熔体或溶液的体积超过设定值时，使外接电机反转，柔性膜底面从右向左移动，从右料桶中蘸取熔体或溶液进行纺丝成型，柔性膜上剩余的熔体或溶液在左料桶中被截留，如此反复，打印符合设定精度要求的制品，左料桶和右料桶能够单独加料。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的基于静电纺丝法的面成型快速3D打印装置，其特征在于，通过控制不同位置顶针的伸出和抬起控制柔性膜上凸起的位置，进而控制多股射流沉积的位置，实现面成型的快速打印。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的基于静电纺丝法的面成型快速3D打印装置，其特征在于，通过控制顶针的伸出距离来调节凸起上熔体或溶液的厚度，顶针的伸出距离长，柔性膜凸起部分蘸取的溶液/熔体多，顶针的伸出距离短，柔性膜凸起部分蘸取的溶液/熔体少，以此控制射流的直径，达到制品局部精度的精细化控制目的。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的基于静电纺丝法的面成型快速3D打印装置，其特征在于，通过调节外接电机的转速控制柔性膜的移动速度和移动方向，移动速度决定柔性膜蘸取溶液/熔体的厚度，控制制品整体的打印精度，对溶液/熔体进行重复利用。