CN113500778A - 一种多材料多功能可切换3d打印***及方法 - Google Patents

一种多材料多功能可切换3d打印***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多材料多功能可切换3D打印***及方法，包括：3D打印***，用于材料的混合输出及打印构件的成型制造；材料供应***，主要用于打印原材料的供应；多功能气压***，用于调整多种打印原材料的实时输送速度；计算机控制***，用于控制整个3D打印***的工作顺序及材料供应。本发明的***及方法，结构简单、通用性好、可控性强，可实现均质材料—多材料组合—梯度材料复合集成式3D打印，该打印***及方法在医疗、航天及机械制造等领域具有巨大的应用潜力。

Description

一种多材料多功能可切换3D打印***及方法
技术领域
本发明涉及多材料增材制造技术领域，特别涉及一种多材料多功能可切换3D打印***及方法。
背景技术
3D打印技术又称为增材制造，它是一种基于CAD建模基础上的“自下而上”材料逐层累加的制造方法。目前已经被广泛应用于航空航天、组织工程、生物医疗、汽车、家电、新材料、新能源、机器人等诸多领域，有着十分广阔的应用前景。
随着微机电***、生物医疗、组织工程、新材料、4D打印、航空航天、汽车等诸多领域的快速发展，对于复杂的多材料微尺度结构一体化制造有着巨大的产业需求。现有的3D打印大多仅能实现单材料打印，已开发的多材料3D打印机大多数拥有多个喷头，打印过程中需要频繁切换，且无法实现真正意义上梯度材料的打印成型。因此，高效、低成本实现均质材料—多材料组合—梯度材料复合集成式3D打印一直被认为是一项技术难题，也是当前国际上学术界和产业界的研究热点和亟待突破的瓶颈问题。
发明内容
针对现有3D打印技术中缺乏均质材料、多材料组合式打印到梯度材料混合打印的技术手段，本发明提供了一种多材料多功能可切换3D打印***及方法，首先是一种多材料多功能可切换3D打印***，然后是一种多材料多功能可切换3D打印方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
一种多材料多功能可切换3D打印***，其特征在于，包括：
3D打印***，通过控制多材料混合打印针头在三维空间内运动，生成3D打印构件，实现多材料混合梯度打印构件的制作；
材料供应***，主要用于3D打印***的材料供应，其材料输出速率由多功能气压***进行控制；
多功能气压***，其主要控制3D打印构件各物料的输入速率及3D打印***的动力输入；
计算机控制***，主要控制3D打印***、材料供应***及多功能气压***的运动配合，实现3D打印构件的生成。
进一步地，所述3D打印***还包括：
打印喷头支撑装置，其主要用于支撑固定打印装置，保证打印过程中其相对位置的准确度。
3D打印构件支撑平台，固定于打印平台之上，其主要用于支撑3D打印构件；
混料装置，其主要用于A、B、C材料的输入、混合及打印工作；
其中，所述混料装置，可以有多个进料入口，其机械结构与实际应用工况有关；
三维运动***，通过软件程序控制，使3D打印装置可以在三维空间内任意移动。
进一步地，所述混料装置还包括：
A材料输入装置、B材料输入装置、C材料输入装置、材料隔离装置、旋转装置、伸缩装置、存料仓、出料口、伸缩杆、打印喷头、材料搅拌装置；
其中，A材料输入装置、B材料输入装置、C材料输入装置的材料输入速率可根据成型需求动态调控，当打印均质材料及单一挤出通道多材料组合制件时，各材料输入速率恒定；当打印梯度材料制件时，各材料体系的输入速率实时调整；材料隔离装置，其主要用于A材料，B材料，C材料的初始输入隔离；
旋转装置，其通过电机带动旋转伸缩杆，进而带动搅拌装置进行旋转，可是使得A材料、B材料、C材料均匀混合；
伸缩装置，其主要用于实现搅拌装置及旋转伸缩杆的伸出和缩回，进而实现均质材料和组合式多材料打印的任意切换。
其中，当搅拌装置及旋转伸缩杆处于伸出状态，打印喷头输出的为混合均质材料，当搅拌装置及旋转伸缩杆为收回状态时，打印喷头输出的为A材料—B材料—C材料的多材料组合；
进料仓，其主要用于各材料混合前的初始存储工作；
混料入口，用以实现各材料按既定比例混合；
打印喷头，其主要用于复合材料或者混合后材料的最终输出；
其中，打印喷头可以沿轴线变向变速自由转动，从而实现单一通道内组合式多材料的旋转挤出，其转速范围为5r/min～200r/min。
进一步地，所述材料供应***主要由A材料储存装置，B材料储存装置及C材料储存装置构成；
其中，A材料储存装置，用于存储打印所需要的A材料；B材料储存装置，用于存储打印所需要的B材料；C材料储存装置，用于存储打印所需要的C材料；
其中，A材料储料装置、B材料储料装置及C材料储料装置与3D打印***各自单通道连接，供料互不干涉。
其中，A材料存储装置通过A材料输出装置，由管道直接输送到材料A输入装置内；B材料存储装置通过B材料输出装置，由管道直接输送到材料B输入装置内；C材料存储装置通过C材料输出装置，由管道直接输送到材料C输入装置内。
进一步地，所述多功能气压***有多个空气输出接口，每个接口单独与材料供应罐相连，互不干涉；
其中，每个输出口的气压由计算机控制***进行单独控制，每个输出口的气压可以根据需要进行单独调节；
其中，气泵***气压控制在5000～90000pa；
其中，所述多功能气压***可独立控制各材料体系的输出速率。
进一步地，所述计算机控制***主要含有气压控制软件、3D打印软件及温度控制软件；
其中，气压控制软件，其主要用于控制多功能气压的气压输出，实现多通道集成控制功能。
其中，3D打印软件，其主要用于控制打印喷头的三维空间运动，实现三维数模与打印***的实时转化功能。
另外的说明，一种多材料多功能可切换3D打印方法，包括：
S101，3D打印材料选择
3D打印材料由A、B、C三种独立的具有一定流变学特性及保形能力的熔/溶体、胶体或者悬浮液等材料体系，要求各材料体系粘度控制在20～2000mPa·s；
S102，多材料构件制作，具体包括：
步骤1：三维模型构建，根据工程需要建立三维立体模型，然后通过3D打印软件对模型进行打印前的离散化处理，获得三维样件各位置点的材料信息、混料装置各部件的运动信息、多功能气压***的气压信息等；
步骤2：打印程序运动编程，根据构件的特性，选择混料装置15的混料工艺，确定其运动参数，然后通过各控制软件进行相应运动编程控制；
步骤3：将材料放入供料供应***，并将压缩气源通过压缩气源接入A材料输出装置、B材料输出装置、C材料输出装置，用以控制各材料的挤出；
步骤4：:多材料复合构件的生成，按照步骤中获得3D打印***的运动代码及多功能气压***的气源控制信号，将内含多种材料的挤出材料层层累积在成型平台上。
S103，后处理
根据打印制件的需求，可进行进一步的固化、脱脂、烧结、表面喷砂等后处理。
本发明具有以下有益效果：
第一方面，本发明提出的装置及方法，可利用软件控制***和物理机械结构，基于直写式3D打印实现单通道内均质材料—多材料组合—梯度材料的实时自由切换式打印；
第二方面，本发明独创的旋转打印喷头，可打印螺旋状的组合多材料结构，为复杂性能材料的打印提供了条件。当打印喷头在打印过程中转向变换时，可以实现复合材料不同旋转方向的挤出状态；当打印喷头在打印过程中变速时，可以实现复合材料不同螺旋状态的挤出。
第三方面，本发明操作工艺性强、通用性好，在医疗、航天及机械制造等领域具有巨大的应用潜力。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的***配置示意图。
图2为本发明所述机械多材料3D打印喷头示意图。
图3为本发明所述的组合式多材料螺旋打印构件示意图。
图4为本发明所述的组合式多材料打印的不同旋转方向挤出示意图。
图5为本发明所述的复合材料不同旋转速度挤出示意图。
图6为本发明所述的均质材料—多材料组合—梯度材料复合集成式3D打印示意图。
图中的附图标记表示为：
3D打印***1、供料供应***2、多功能气压***3、计算机控制中心4；
打印喷头支撑装置11、3D打印构件支撑平台12、打印平台13、打印构件14，混料装置15，三维运动***16，A材料输入装置151，B材料输入装置152，C材料输入装置153，材料隔离装置154，旋转装置155，伸缩装置156，存料仓157，出料口158，伸缩杆159，打印喷头1510，材料搅拌装置1511；
A材料存储罐21、A材料输出装置211、B材料存储罐22、B材料输出装置221、C材料存储罐23、C材料输出装置231。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明要解决现有技术中多材料混合打印难实现的问题，具体的技术方案请参阅图1所示，一种多材料多功能可切换3D打印***及方法，其特征在于，包括：
3D打印***1，通过控制多材料混合打印针头在三维空间内运动，生成3D打印构件，实现多材料混合梯度打印构件的制作；
材料供应***2，主要用于3D打印***1的材料供应，其材料输出速率由多功能气压***3进行控制；
多功能气压***3，其主要控制3D打印构件各物料的输入速率及3D打印***1的动力输入；
计算机控制***4，主要控制3D打印***1、材料供应***2及多功能气压***3的运动配合，实现3D打印构件的生成。
进一步地，所述3D打印***还包括：
打印喷头支撑装置11，其主要用于支撑固定打印装置，保证打印过程中其相对位置的准确度。
3D打印构件支撑平台12，固定于打印平台13之上，其主要用于支撑3D打印构件14；
混料装置15，其主要用于A、B、C材料的输入、混合及打印工作；
其中，所述混料装置15，可以有多个进料入口，其机械结构与实际应用工况有关；
三维运动***16，通过软件程序控制，使3D打印装置可以在三维空间内任意移动。
进一步地，所述混料装置还包括：
如图2所示，混料装置包括A材料输入装置151，B材料输入装置152，C材料输入装置153，材料隔离装置154，旋转装置155，伸缩装置156，存料仓157，出料口158，伸缩杆159，打印喷头1510，材料搅拌装置1511
其中，A材料输入装置、B材料输入装置、C材料输入装置的材料输入速率可根据成型需求动态调控，当打印均质材料及单一挤出通道多材料组合制件时，各材料输入速率恒定；当打印梯度材料制件时，各材料体系的输入速率实时调整；
材料隔离装置154，其主要用于A材料，B材料，C材料的初始输入隔离；
旋转装置155，其通过电机带动旋转伸缩杆，进而带动搅拌装置进行旋转，可是使得A材料、B材料、C材料均匀混合；
伸缩装置156，其主要用于实现搅拌装置1511及旋转伸缩杆159的伸出和缩回，进而实现均质材料和组合式多材料打印的任意切换。
其中，当搅拌装置1511及旋转伸缩杆159处于伸出状态，打印喷头1510输出的为混合均质材料，当搅拌装置1511及旋转伸缩杆159为收回状态时，打印喷头1510输出的为A材料—B材料—C材料的多材料组合；
进料仓157，其主要用于各材料混合前的初始存储工作。
混料入口158，用以实现各材料按既定比例混合。
打印喷头1510，其主要用于复合材料或者混合后材料的最终输出。
其中，打印喷头1510可以沿轴线自由转动，其转速范围为5r/min～200r/min；
其中，如图3所示，所述打印喷头1510旋转打印时，可实现复合材料的旋转挤出；
其中，如图4所示，当打印喷头1510在打印过程中转向变换时，可以实现复合材料不同旋转方向的挤出状态；如图5所示，当打印喷头1510在打印过程中变速时，可以实现复合材料不同螺旋状态的挤出。
其中，如图6所示，该打印喷头1510可打印不同梯度材料实时变化的打印效果。
进一步地，所述材料供应***主要由A材料储存装置21，B材料储存装置22及C材料储存装置23构成；
其中，A材料储存装置21，用于存储打印所需要的A材料，B材料储存装置22，用于存储打印所需要的B材料，C材料储存装置23，用于存储打印所需要的C材料；
其中，A材料储料装置、B材料储料装置及C材料储料装置与3D打印***各自单通道连接，供料互不干涉。
其中，A材料存储装置21通过材料输出装置211，由管道直接输送到材料A输入装置151内。B材料存储装置22通过材料输出装置221，由管道直接输送到材料B输入装置152内。C材料存储装置23通过材料输出装置231，由管道直接输送到材料C输入装置153内。
其中，各材料输出速率由多功能气压***进行控制。
进一步地，所述多功能气压***有多个空气输出接口，每个接口单独与材料供应罐相连，互不干涉。
其中，每个输出口的气压由计算机控制***4进行单独控制，每个输出口的气压可以根据需要进行单独调节。
其中，气泵***气压控制在5000～90000pa；
其中，所述多功能气压***可独立控制各材料体系的输出速率。
进一步地，所述计算机控制***主要含有气压控制软件、3D打印软件及温度控制软件；
其中，气压控制软件，其主要用于控制多功能气压3的气压输出，实现多通道集成控制功能。
其中，3D打印软件，其主要用于控制打印喷头的三维空间运动，实现三维数模与打印***的实时转化功能。
其中，温度控制软件，其主要用于控制3D打印***的环境温度和喷头温度，实现打印构件的快速成型功能。
一种多材料多功能可切换3D打印方法，其特征在于，包括：
S101，3D打印材料选择
3D打印材料由A、B、C三种独立的具有一定流变学特性及保形能力的熔/溶体、胶体或者悬浮液等材料体系，要求各材料体系粘度控制在20～2000mPa·s；
S102，多材料构件制作，具体包括：
步骤1：三维模型构建，根据工程需要建立三维立体模型，然后通过3D打印软件对模型进行打印前的离散化处理，获得三维样件各位置点的材料信息、混料装置各部件的运动信息、多功能气压***的气压信息等；
步骤2：打印程序运动编程，根据构件的特性，选择混料装置15的混料工艺，确定其运动参数，然后通过各控制软件进行相应运动编程控制；
步骤3：将材料放入供料供应***，并将压缩气源通过压缩气源接入A材料输出装置、B材料输出装置、C材料输出装置，用以控制各材料的挤出；
步骤4：:多材料复合构件的生成，按照步骤中获得3D打印***的运动代码及多功能气压***的气源控制信号，将内含多种材料的挤出材料层层累积在成型平台上。
S103，后处理
根据打印制件的需求，可进行进一步的固化、脱脂、烧结、表面喷砂等后处理。
涉及本申请的方法的更为优选的第一实施例一则，具体如下：
3D打印材料：选择A、B、C三种粘度均为1500mPa·s具有一定流变学特性及保形能力的溶体；
三维模型构建：根据工程需要建立三维立体模型，然后通过3D打印软件对模型进行打印前的离散化处理，获得三维样件各位置点的材料信息、混料装置各部件的运动信息、多功能气压***的气压信息等；
打印程序运动编程，根据构件的特性，调整旋转装置处于静止状态，伸缩装置为缩回状态，避免将A、B、C三种材料混合
将材料放入供料供应***，并将压缩气源通过压缩气源接入A材料输出装置、B材料输出装置、C材料输出装置，用以控制各材料的挤出；
多材料复合构件的生成，按照步骤2中获得3D打印***的运动代码及多功能气压***的气源控制信号，将内含多种材料的挤出材料层层累积在成型平台上。打印过程可实时调整打印喷头旋转方向由逆时针旋转转变为顺时针旋转(如图4所示)，进而改变了组合多材料缠绕螺旋方向。同时，打印过程中，可实时调整打印喷头的旋转速度，进而调整组合多材料的缠绕紧密程度(如图5所示)。
后处理：取出多材料组合打印制件，置于干燥箱内，材料内液体进一步挥发，促使制件固化。
涉及本申请的方法的更为优选的第二实施例一则，具体如下：
3D打印材料：选择A材料的粘度为1000mPa·s、B材料的粘度为1200mPa·s、C材料的粘度为1500mPa·s，且具有一定流变学特性及保形能力的溶体；
三维模型构建：根据工程需要建立三维立体模型，然后通过3D打印软件对模型进行打印前的离散化处理，获得三维样件各位置点的材料信息、混料装置各部件的运动信息、多功能气压***的气压信息等；
打印程序运动编程，根据构件的特性，首先调整旋转装置处于匀速旋转状态，伸缩装置为伸出状态，A、B、C三种材料同比例输入；然后调整旋转装置处于静止状态，伸缩装置为缩回状态，A、B、C三种材料同比例输入；最后调整旋转装置处于匀速旋转状态，伸缩装置为伸出状态，A、B、C三种材料非等速输入；
将材料放入供料供应***，并将压缩气源通过压缩气源接入A材料输出装置、B材料输出装置、C材料输出装置，用以控制各材料的挤出；
多材料复合构件的生成，按照步骤2中获得3D打印***的运动代码及多功能气压***的气源控制信号，将内含多种材料的挤出材料层层累积在成型平台上。打印过程可实时调整A、B、C三种材料的出料比例，如图6所示，首先同比例输入A、B、C三种材料(如图6中a点截图所示)；然后缩回伸缩杆(如图6中b点截图所示)，最后伸入伸缩杆，当C材料混合量远大于A、B材料时，打印喷头输出为高浓度梯度材料(如图6中c点截图所示)，当A材料混合量远大于C、B材料时，打印喷头输出为低浓度梯度材料(如图6中d点截图所示)。
后处理：取出多材料组合打印制件，置于干燥箱内，材料内液体进一步挥发，促使制件固化。
应说明的是：依照本发明专利的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明专利仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本说明书选取并具体描述本实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.一种多材料多功能可切换3D打印***及方法，其特征在于，包括：
3D打印***(1)，通过控制多材料混合打印针头在三维空间内运动，生成3D打印构件，实现多材料混合梯度打印构件的制作；
材料供应***(2)，主要用于3D打印***(1)的材料供应，其材料输出速率由多功能气压***(3)进行控制；
多功能气压***(3)，其主要控制3D打印构件各物料的输入速率及3D打印***1的动力输入；
计算机控制***(4)，主要控制3D打印***(1)、材料供应***(2)及多功能气压***(3)的运动配合，实现3D打印构件的生成。
2.如权利要求1所述的一种多材料多功能可切换3D打印***及方法，其特征在于，所述3D打印***(1)还包括：
打印喷头支撑装置(11)，其主要用于支撑固定打印装置，保证打印过程中其相对位置的准确度；
3D打印构件支撑平台(12)，固定于打印平台(13)之上，其主要用于支撑3D打印构件(14)；
混料装置(15)，其主要用于A、B、C材料的输入、混合及打印工作；
其中，所述混料装置(15)，可以有多个进料入口，其机械结构与实际应用工况有关；
三维运动***(16)，通过软件程序控制，使3D打印装置可以在三维空间内任意移动。
3.如权利要求2所述的一种多材料多功能可切换3D打印***及方法，其特征在于，所述混料装置(15)还包括：
混料装置包括A材料输入装置(151)，B材料输入装置(152)，C材料输入装置(153)，材料隔离装置(154)，旋转装置(155)，伸缩装置(156)，存料仓(157)，出料口(158)，伸缩杆(159)，打印喷头(1510)，材料搅拌装置(1511)；
其中，A材料输入装置(151)、B材料输入装置(152)、C材料输入装置(153)的材料输入速率可根据成型需求动态调控，当打印均质材料及单一挤出通道多材料组合制件时，各材料输入速率恒定；当打印梯度材料制件时，各材料体系的输入速率实时调整；
材料隔离装置(154)，其主要用于A材料，B材料，C材料的初始输入隔离；
旋转装置(155)，其通过电机带动旋转伸缩杆，进而带动搅拌装置进行旋转，可是使得A材料、B材料、C材料均匀混合；
伸缩装置(156)，其主要用于实现搅拌装置(1511)及旋转伸缩杆(159)的伸出和缩回，进而实现均质材料和组合式多材料打印的任意切换；
其中，当搅拌装置(1511)及旋转伸缩杆(159)处于伸出状态，打印喷头(1510)输出的为混合均质材料，当搅拌装置(1511)及旋转伸缩杆(159)为收回状态时，打印喷头(1510)输出的为A材料—B材料—C材料的多材料组合；
进料仓(157)，其主要用于各材料混合前的初始存储工作；
混料入口(158)，用以实现各材料按既定比例混合；
打印喷头(1510)，其主要用于复合材料或者混合后材料的最终输出；
其中，打印喷头(1510)可以沿轴线变向变速自由转动，从而实现单一通道内组合式多材料的旋转挤出，其转速范围为5r/min～200r/min。
4.如权利要求1所述的一种多材料多功能可切换3D打印***及方法，其特征在于，所述材料供应***(2)主要由A材料储存装置(21)，B材料储存装置(22)及C材料储存装置(23)构成；
其中，A材料储存装置(21)，用于存储打印所需要的A材料，B材料储存装置(22)，用于存储打印所需要的B材料，C材料储存装置(23)，用于存储打印所需要的C材料；
其中，A材料储料装置(21)、B材料储料装置(22)及C材料储料装置(23)与3D打印***(1)各自单通道连接，供料互不干涉；
其中，A材料存储装置(21)通过A材料输出装置(211)，由管道直接输送到材料A输入装置(151)内，B材料存储装置(22)通过B材料输出装置(221)，由管道直接输送到材料B输入装置(152)内，C材料存储装置(23)通过C材料输出装置(231)，由管道直接输送到材料C输入装置(153)内；
其中，各材料输出速率由多功能气压***(3)进行控制。
5.如权利要求1所述的一种多材料多功能可切换3D打印***及方法，其特征在于，所述多功能气压***(3)有多个空气输出接口，每个接口单独与材料供应罐相连，互不干涉；
其中，每个输出口的气压由计算机控制***(4)进行单独控制，每个输出口的气压可以根据需要进行单独调节；
其中，气泵***气压控制在5000～90000pa；
其中，所述多功能气压***(3)可独立控制各材料体系的输出速率。
6.如权利要求1所述的一种多材料多功能可切换3D打印***及方法，其特征在于，所述计算机控制***(4)还包括含有气压控制软件、3D打印软件及温度控制软件；
其中，气压控制软件，其主要用于控制多功能气压***(3)的气压输出，实现多通道集成控制功能；
其中，3D打印软件，其主要用于控制打印喷头的三维空间运动，实现三维数模与打印***的实时转化功能；
其中，温度控制软件，其主要用于控制3D打印***的环境温度和喷头温度，实现打印构件的快速成型功能。
7.一种多材料多功能可切换3D打印方法，其特征在于，包括：
S101，3D打印材料选择
3D打印材料由A、B、C三种独立的具有一定流变学特性及保形能力的熔/溶体、胶体或者悬浮液等材料体系，要求各材料体系粘度控制在20～2000mPa·s；
S102，多材料构件制作，具体包括：
步骤1：三维模型构建，根据工程需要建立三维立体模型，然后通过3D打印软件对模型进行打印前的离散化处理，获得三维样件各位置点的材料信息、混料装置各部件的运动信息、多功能气压***的气压信息等；
步骤2：打印程序运动编程，根据构件的特性，选择混料装置15的混料工艺，确定其运动参数，然后通过各控制软件进行相应运动编程控制；
步骤3：将材料放入供料供应***，并将压缩气源通过压缩气源接入A材料输出装置、B材料输出装置、C材料输出装置，用以控制各材料的挤出；
步骤4：:多材料复合构件的生成，按照步骤中获得3D打印***的运动代码及多功能气压***的气源控制信号，将内含多种材料的挤出材料层层累积在成型平台上；
S103，后处理
根据打印制件的需求，可进行进一步的固化、脱脂、烧结、表面喷砂等后处理。
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