一种层级多孔材料的3D打印方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种层级多孔材料的3D打印方法及装置。专利基于巴西果效应，即把多种尺寸的颗粒混合物置于容器中，施加外加震荡，体积较大的颗粒会上浮，较小的颗粒会下沉，形成高度方向的梯度分布。基于此效应，本发明专利技术在粉末床3D打印工艺中增加了振荡装置。铺料之前，通过震荡使造孔颗粒按照体积大小有序分层；每铺完一层造孔颗粒，再于其上铺设一层液态光敏树脂材料；运用数字掩模技术选择性光固化；层层堆叠，固化成型；通过加热或溶解等后处理工艺去除造孔颗粒，形成分层多孔材料。通过此种方法得到的多孔材料，孔径尺寸沿着层厚方向有序变化，可产生梯度力学和声学性能，用于人造生物组织支架、吸声材料及减震缓冲材料等领域。

3D printing method and device for hierarchical porous material

The invention discloses a 3D printing method and device for hierarchical porous material. Patent Brazil nut effect based on the mixture of particles of various sizes in a container that is, applying external shocks, the larger particles will float, smaller particles will sink, the height of the direction of the gradient is formed. Based on this effect, an oscillating device is added to the powder bed 3D printing process. Through the material before shocks make pore particles according to the size of ordered layer after layer; each with pore particles, then a layer of liquid photosensitive resin material laid thereon; applying the digital mask mode selective light curing technology; curing; layers of the stack, by heating or dissolved pore particle removal postprocessing the formation of layered porous materials. Porous materials are obtained by this method, the pore size along the thickness direction of the orderly change, can produce gradient mechanical and acoustic properties, used in the field of artificial biological tissue scaffolds, absorbing materials and cushioning materials etc..

【技术实现步骤摘要】
一种层级多孔材料的3D打印方法及装置
本专利技术属于快速成型与数字制造领域，具体涉及一种层级多孔材料的3D打印方法及装置。
技术介绍
多孔结构材料作为一种典型生物结构材料，普遍存在于自然中，如树木、岩石、蝶翅、骨骼及蜂巢等。多孔的构造减轻了结构的重量，同时又发挥着不可替代的承载和多功能特性。如蝶翅的多孔结构可以有效增加材料的光捕获效率，骨骼的多孔结构可以提高骨骼的强度和抗冲击性能，蜂巢的多孔结构使蜂巢具备天然的吸声能力。因此，多孔结构在航空航天、人造支架、吸声材料、减震材料、分离提纯、选择性吸附、催化剂装载、光电器件及传感器研制等多个领域具有重要的研究和应用价值。然而，目前制造的多孔结构，孔的尺寸多为随机或均一分布，难以满足特定条件下我们对相关性能的要求。例如骨的结构，其由内而外呈层级孔结构,最外层的骨密质孔径较小空隙率低，具有很高的力学性能；内部的骨松质孔径较大孔隙率较高，力学性能相对较低。当人体骨骼由于疾病和外伤等因素缺损时,就要求修复材料由内而外具备与人体骨骼相似的层级多孔结构。巴西果效应是一种古老的动力学机制。通过施加外部震荡，体积大的上浮，体积小的下沉，使颗粒按照体积大小分层。巴西果效应是一种简单高效的分层手段，根据此原理，我们在粉末床工艺的基础上，增加了颗粒震荡装置，使颗粒按照体积大小有序分层。本专利技术的显著优点在于：1.可打印沿高度方向有序分布的层级多孔结构2.孔隙的大小及分布可通过调整造孔颗粒粒径及分布调节3.分层方法仅靠物理震荡，方法简单，通用型强。
技术实现思路
本专利技术提出了一种打印层级多孔材料的3D打印方法及装置。该方法基于粉末床工艺，在供料缸侧面设置2个震荡器，供料缸与机架之间的间隙通过u型密封圈密封。使用刮刀铺料之前，以一定的频率和振幅震荡供料缸特定时间，大体积颗粒材料上浮，小体积颗粒材料下沉，形成层级分布；另设有携带液态光敏基质的料箱，每铺完一层颗粒，成型台高度保持不变，料箱带动液态基质，经成型台，使液态基质渗透于颗粒中；层层堆叠，固化成型；通过加热、溶解等后处理工艺去除造孔颗粒，形成层级多孔材料。如图1、图2、图3和图4所示，本专利技术的主要部件包含主机架1、料箱2、成型平台3、控制系统4、供料平台5、供料缸6、振荡器7、u型垫圈8、刮刀9、数字掩膜光固化系统10。本装置共有两个振荡器7，分别位于供料缸6的两侧；u型垫圈8用于供料缸6和机架1之间的密封；由步进电机带动滑块沿导轨运动，实现料箱、刮刀X向运动；数字掩膜光固化系10固定于主机架1的顶部，位于成型平台3正上方。本专利技术之料箱2的前后壁(长边)底部截面形状为V型，便于铺粉定向。其两边与基面夹角为α和β，α＝30-60°，β＝30-60°。本专利技术之造孔颗粒材料形状为类球形，体积大小不一，粒径范围在50μm-5000μm；粒径分布与粒径大小呈线性关系，即粒径越小，颗粒数目越多；粒径越大，颗粒数目越少。且为易升华、易溶解和/或易熔化材料，如碘颗粒、糖、石蜡等，可通过加热、溶解等后处理工艺去除。本专利技术之液态基质为光敏树脂，需具有良好的流动性使其均匀渗入颗粒材料中，粘度范围为50-3000CPS(20℃)。本专利技术之单层层厚应大于最大造孔颗粒直径的1.2倍。具体实施工艺步骤如下：步骤1：运用3D建模软件(如SolidWorks)建立实体模型，导出STL文件至切片软件，经过该系统的数据分析，生成刮刀9、料箱2沿X轴的移动数据，供料平台5、成型平台3沿Z轴移动数据、数字掩膜光固化系统10的图片信息以及曝光时间t。步骤2：选择粒径分布梯度较为均匀的造孔颗粒，加入到供料平台5中，并以一定的振幅和频率施加外部震荡，使颗粒按照体积大小在高度方向有序分层；将液态基质注入到料箱中；对供料缸6、刮刀9、料箱2、成型平台3进行机械调零，如图5所示。步骤3：根据步骤2得到的数据，控制系统4控制供料缸6内供料平台5上升1.2倍层厚的厚度，成型平台3下降1倍层厚的厚度，刮刀9从左至右铺粉一定的距离。如图6所示。步骤4：刮刀9回复原位，如图7所示。步骤5：保持成型平台3高度不变，根据步骤2得到的数据，控制系统4控制料箱2向左移动一定距离，移动过程中带动液态光敏树脂，经成型平台时，液态光敏树脂渗入造孔颗粒，如图8所示。步骤6：料箱2回复原位，如图9所示。步骤7：根据步骤2得到的数据，数字掩膜光固化系统10开启，选择性照射15-20S，如图10所示。步骤7：重复步骤3-7，层层堆叠成型。步骤8:将立体模型从成型平台3上取出，进行加热或浸渍等处理2h，去除造孔颗粒；利用异丙酮溶液清洗多余的光敏树脂；将制品放入UV灯室，固化处理10min。本专利技术的益处在于：1.可打印沿高度方向分布的层级多孔结构，同一层颗粒较为均一，层间颗粒体积由下至上依次增大2.测量造孔颗粒粒径分布，更换某一粒径范围的颗粒，可调节孔洞大小3.分层方式仅靠物理震荡，方法简单，通用型强。附图说明图1是本专利一种层级多孔材料的3D打印装置的主视图。包含主机架1、料箱2、成型平台3、控制系统4、供料平台5、供料缸6、振荡器7、u型垫圈8、刮刀9及数字掩膜光固化系统10。其中，供料缸6内圆形区域为造孔颗粒，料箱2内填充区域为液态光敏树脂，箭头方向为机构运动方向。图2是图1对应俯视图。图3是图1中Ⅰ局部放大图。图4是图1中Ⅱ局部放大图，其中α为刮刀前角，β为刮刀后角，箭头方向为铺粉方向。图5、6、7、8、9、10是本专利一种层级多孔材料的3D打印方法步骤图。详细步骤见
技术实现思路
。其中，供料缸内圆形区域为造孔颗粒，料箱内填充区域为液态光敏树脂，箭头方向表示机构运动方向。图11是本专利一种层级多孔材料的3D打印方法及装置的打印成型的层级多孔材料。共包含20层，灰色填充区域为光敏树脂，白色空隙区域为颗粒去除后的孔洞。具体实施方式本实施例中利用升华温度为77℃的碘颗粒为造孔颗粒，粘度为2000CPS(20℃)的光敏树脂作为基质材料，打印孔的直径为50μm-400μm，打印制件高度为10mm。步骤1：运用3D建模软件(如SolidWorks)建立实体模型，导出STL文件至切片软件，经过该系统的数据分析，生成刮刀9、料箱2沿X轴的移动数据，供料平台5、成型平台3沿Z轴移动数据、数字掩膜光固化系统10的图片信息以及曝光时间t。步骤2：将粒径分布梯度较为均匀的碘颗粒加入到供料平台5中，以一定的振幅和频率施加外部震荡30分钟，使颗粒按照体积大小在高度方向有序分层，最底层颗粒直径平均为为50μm，最顶层为400μm，依次过度；将液态光敏树脂注入到料箱中；对供料缸6、刮刀9、料箱2、成型平台3进行机械调零。如图5所示。步骤3：根据步骤2得到的数据，控制系统4控制供料平台5上升0.6mm，成型平台3下降0.5mm，刮刀9从左至右铺粉一定距离。如图6所示步骤4：刮刀9回复原位，如图7所示。步骤5：保持成型平台3高度不变，根据步骤2得到的数据，控制系统4控制料箱2向左移动一定距离，移动过程中带动液态光敏树脂，经成型平台3，液态光敏树脂渗入造孔颗粒，如图8所示。步骤6：料箱2回复原位，如图9所示。步骤7：根据步骤2得到的数据，数字掩膜光固化系统10开启，选择性照射20S，如图10所示。步骤7：重复步骤3-7，层层堆叠成型，打印20层的制件本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过震荡打印层级多孔材料的3D打印方法，其特征在于：基于粉末床工艺，在供料平台设置振荡装置。铺料之前，通过震荡使颗粒材料按照体积大小有序分层；另设有料箱，每铺完一层颗粒，成型台高度保持不变，料箱带动液态光敏树脂材料，经成型台，将液态基质渗透于颗粒中；运用数字掩模技术选择性光固化；层层堆叠，固化成型；通过加热、溶解等后处理工艺去除造孔颗粒，形成层级多孔材料。

【技术特征摘要】
1.一种通过震荡打印层级多孔材料的3D打印方法，其特征在于：基于粉末床工艺，在供料平台设置振荡装置。铺料之前，通过震荡使颗粒材料按照体积大小有序分层；另设有料箱，每铺完一层颗粒，成型台高度保持不变，料箱带动液态光敏树脂材料，经成型台，将液态基质渗透于颗粒中；运用数字掩模技术选择性光固化；层层堆叠，固化成型；通过加热、溶解等后处理工艺去除造孔颗粒，形成层级多孔材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，造孔颗粒材料形状为类球形，体积大小不一，粒径范围在50μm-5000μm；粒径分布与粒径大小呈线性关系，粒径越小，颗粒数目越多；粒径越大，颗粒数目越少。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，造孔颗粒为易升华、易溶解和/或易熔化材料，如碘颗粒、糖及石蜡等，可通过加热和浸泡等后处理工艺，去除造孔材料，形成制件中的孔洞。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该液态基质为光敏树脂，粘度...

【专利技术属性】
技术研发人员：李冰倩，任露泉，刘庆萍，刘慧力，张宝玉，周雪莉，宋正义，刘清荣，李卓识，王振国，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22