一种同轴3D打印工艺及设备制造技术

本发明专利技术提出一种同轴3D打印工艺及设备通过同轴喷嘴打印内外层材料不同的同轴熔丝。外层主要使用层，决定制品力学性能；挤出丝料的内层为辅助定型层，防止挤出的外层圆环材料截面塌陷，辅助定型层可采用相对体积密度较小的材料或后期可去除的材料。本发明专利技术同轴丝料由于外层为性能保证层，在性能分析时可将其截面近似为圆环，根据理论力学分析，截面面积相同时，圆环截面制品强度优于圆形截面制品。因此通过本发明专利技术工艺及设备制作的制品在重量不变的情况下可提高强度，实现3D打印技术的进一步轻量化。亦可将本发明专利技术用于制品性能的优化，如防火制品、耐腐蚀制品、性能增强制品，以满足不同使用条件的要求，扩展了3D打印制品的应用范围。

A Coaxial 3D Printing Process and Equipment

The invention provides a coaxial 3D printing process and equipment for printing coaxial fuses with different inner and outer materials through coaxial nozzles. The outer layer is mainly used to determine the mechanical properties of the product; the inner layer of the extruded silk material is an auxiliary setting layer to prevent the collapse of the extruded outer ring material cross section, and the auxiliary setting layer can use materials with smaller relative volume density or materials that can be removed later. Because the outer layer of the coaxial silk material is a performance assurance layer, the cross-section of the coaxial silk material can be approximated as a ring in performance analysis. According to theoretical mechanical analysis, when the cross-section area is the same, the strength of the product with the ring cross-section is better than that of the product with the circular cross-section. Therefore, the products manufactured by the process and equipment of the invention can improve the strength under the condition of constant weight, and realize the further lightweight of the 3D printing technology. The invention can also be used to optimize the performance of products, such as fire-proof products, corrosion-resistant products and performance enhancement products, to meet the requirements of different use conditions, and expand the application scope of 3D printing products.

【技术实现步骤摘要】
一种同轴3D打印工艺及设备
本专利技术涉及3D打印领域，具体涉及一种同轴3D打印工艺及设备。
技术介绍
3D打印技术被广泛应用于模具制造、工业设计、建筑、家用制品及医疗等众多方面，该技术能很好地按照要求打印出制品。目前实现3D打印制品轻量化的措施主要有对制品原有结构进行优化或改变制品水平方向填充比，并未对3D打印最小组成单元的丝料本身进行直接结构优化。现有3D打印技术针对轻量化的应对措施之一是在达到技术要求的前提下减少XY平面内的填充比以节省材料(本专利技术中的论述将制品放在笛卡尔坐标系中，且Z轴方向为竖直方向)；在3D打印过程中，通常使用实心的丝料进行熔融堆积。随着市场对低碳环保领域越来越重视，制品的轻量化需求也日趋显著，目前的3D打印轻量化途径已难以满足市场需求。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提出一种同轴3D打印工艺及设备。本专利技术一种同轴3D打印工艺及设备相较市场上其他3D打印工艺，可通过同轴打印的方式堆叠具有填充比的丝料的制品，从打印制品内部结构自身优化性能，根据理论力学分析，在保证强度的情况下本专利技术技术方法可进一步节省材料。利用本专利技术的原理，采用不同的材料组合形成原位同轴结构丝料，亦可拓展3D打印工艺的应用范围。本专利技术一种同轴3D打印工艺及设备主要的结构为内外层分层明确的同轴打印喷嘴，并采用柱塞送料和螺杆送料两种供料组合的方式对内外层两种材料进行挤出动作，在此基础上出口处增加了气流辅助拉伸及冷却装置。本专利技术一种同轴3D打印工艺主要技术方案是：通过同轴喷嘴打印外层聚合物、内层为体积密度低的同轴材料。外层为性能保证层，也是主要使用层，制品的力学性能主要由外层决定；挤出丝料的内层为辅助定型层，辅助定型层用于辅助外层丝料挤出定型，防止挤出的外层圆环材料截面塌陷，辅助定型层可采用相对体积密度较小的材料例如发泡材料，或后期可去除的材料，如：水、凝胶、低熔点合金等材料。传统工艺挤出的熔丝可近似为圆形截面的圆柱，而本专利技术挤出的同轴熔丝由于外层为性能保证层，在性能分析时可将其近似看做为圆环截面的圆柱，根据理论力学分析，在相同截面面积的前提下，圆环截面制品刚度优于圆形截面制品。因此通过本专利技术工艺及设备制作的制品在重量不变的情况下可提高刚度、硬度和弯曲强度，实现3D打印技术的进一步轻量化。本专利技术提出一种同轴3D打印设备，主要包括活塞、内层加热套、外层加热套、外层材料通道、保温套、环形气流出口套、隔热层和活塞筒，外层材料通道下端为同轴喷嘴，活塞筒中放入内层材料，内层加热套将熔融内层材料加热预热，外层加热套将位于外层材料通道的外层材料加热熔融，在打印过程中通过活塞压缩使内层材料进入保温套范围内；外层材料通过活塞挤出装置或螺杆挤出机将外层材料导入外层材料通道；保温套用于在喷嘴流道处使同轴材料具有较好流动性，使其在喷嘴处顺利挤出，避免堵塞喷嘴。环形气流出口套接供气系统，环形气流出口套与外层材料通道间有隔热层，防止冷空气将未挤出喷嘴的材料冷却。在打印过程中，同轴结构熔丝按需铺设在成型平台上并层层堆积成制品，若内部材料为可去除材料，在打印过程结束后续通过倾倒或加热抽空方式排出制品本体，使制品实现轻量化结构制造。本专利技术一种同轴3D打印设备的同轴喷嘴可选用内针弯折、外针笔直型或外针弯折、内针笔直型两种型号。本专利技术优选外针弯折、内针笔直型。同轴喷嘴应选用导热性能较好的材料制作，本专利技术优选铍铜材料。同轴喷嘴上安装有内层流道加热套、外层流道加热套和保温套。其中保温套距离喷嘴的出料口最近。喷嘴的出料口处安装有环形气流出口套，可用于对挤出丝料进行轴向拉伸和加速丝料的冷却。环形气流出口套与喷嘴之间加垫有隔热材料，防止气流对未挤出喷嘴的材料冷却导致的喷嘴堵塞现象的产生。本专利技术一种同轴3D打印工艺及设备的加热套及保温套均为电阻加热套，每个加热套都包括电阻加热器和散热片，设置散热片以防止加热过程中局部过热。保温套的设置有助于同轴材料在喷嘴处具有良好流动性，使同轴材料顺利挤出，避免喷嘴堵塞。本专利技术一种同轴3D打印工艺及设备可用于3D打印制品的优化，具体讲分为：(1)进一步优化3D打印制品的轻量化结构；(2)制造满足特殊使用要求的3D打印制品。对于本专利技术用于3D打印制品轻量化方面：在打印过程中挤出丝料的外层为制品的主要使用层，挤出丝料的内层为辅助定型层。辅助定型层用于辅助丝料挤出定型，防止挤出丝料塌陷，辅助定型层可采用相对体积密度较小的材料，或采用成型后可去除的材料，使打印的制品丝料形成中空结构。上述两种方法均能实现3D打印丝料结构的轻量化改进。对于将本专利技术用于制备特殊领域3D打印制品方面：可利用本专利技术的原理打印出满足特殊使用性能的制品。在打印挤出过程中，主要使用材料和辅助材料(例如防火材料、耐腐蚀材料、增强材料等)可根据实际需要设置挤出量及挤出丝料的内层材料和外层材料包覆组合类型。例如加工性能增强制品，则内层材料为辅助增强材料，外层材料为基体材料；如果制造有防火要求的制品，则内层材料为基体材料，外层为防火材料。本专利技术未对打印丝料的包覆层数做限制，可根据实际使用要求组合各类材料制备同轴材料及制品，利用本专利技术的原理均属本专利技术的保护范围。本专利技术一种同轴3D打印工艺及设备的具体工作方式为：先将内层材料放入活塞筒中，打印前预热，内层加热套用于加热熔融内层材料，外层加热套用于加热熔融外层材料，在打印过程中通过活塞压缩使内层材料挤出；外层材料通过活塞挤出装置或螺杆挤出机将外层材料导入外层材料通道；保温套用于在喷嘴流道处使同轴材料具有较好流动性，使其在喷嘴处顺利挤出，避免堵塞喷嘴。环形气流出口套连接供气系统，气流可辅助拉伸挤出熔丝，环形气流出口套与外层材料通道间有隔热材料，防止冷空气将未挤出喷嘴的材料冷却。在打印过程中，同轴结构熔丝按需铺设在成型平台上并层层堆积成制品。若内部材料为可去除材料，在打印过程结束后需通过倾倒或加热抽空方式排出制品本体，使制品实现轻量化结构制造。本专利技术一种同轴3D打印工艺及设备打印的制品相比于传统3D打印技术而言，在XY水平方向网格填充的轻量化方案基础上进一步使制品从最小成型单元的熔丝实施轻量化设计，在对制品性能要求不变的前提下，可降低制品重量，减少耗材使用量，使3D打印技术更加绿色环保；针对本专利技术的3D同轴打印技术，亦可将本专利技术用于制品性能的优化，如防火制品、耐腐蚀制品、性能增强制品，以满足不同使用条件的要求，扩展了3D打印制品的应用范围。附图说明图1是本专利技术一种同轴3D打印设备的同轴挤出装置示意图。图2是采用本专利技术一种同轴3D打印工艺及设备打印制品的结构示意图。图中：1-活塞；2-内层加热套；3-外层加热套；4-外层材料通道；5-保温套；6-环形气流出口套；7-隔热层；8-活塞筒；9-外层材料；10-内层材料。具体实施方式本专利技术一种同轴3D打印设备，如图1所示，主要包括活塞1、内层加热套2、外层加热套3、外层材料通道4、保温套5、环形气流出口套6、隔热层7和活塞筒8，活塞筒8中放入内层材料10，内层加热套2将熔融内层材料10加热预热，外层加热套3将位于外层材料通道4的外层材料9加热熔融，在打印过程中通过活塞1压缩使内层材料10进入保温套5范围内；外层材料9通过活塞挤出装置或螺杆挤出机将外层材料9导入外层材料通道4；保温套5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种同轴3D打印设备，其特征在于：主要包括活塞、内层加热套、外层加热套、外层材料通道、保温套、环形气流出口套、隔热层和活塞筒，外层材料通道下端为同轴喷嘴，活塞筒中放入内层材料，内层加热套将熔融内层材料加热预热，外层加热套将位于外层材料通道的外层材料加热熔融，在打印过程中通过活塞压缩使内层材料进入保温套范围内；外层材料通过活塞挤出装置或螺杆挤出机将外层材料导入外层材料通道；保温套用于在喷嘴流道处使同轴材料具有较好流动性，使其在喷嘴处顺利挤出；环形气流出口套接供气系统，环形气流出口套与外层材料通道间有隔热层，防止冷空气将未挤出喷嘴的材料冷却。

【技术特征摘要】
1.一种同轴3D打印设备，其特征在于：主要包括活塞、内层加热套、外层加热套、外层材料通道、保温套、环形气流出口套、隔热层和活塞筒，外层材料通道下端为同轴喷嘴，活塞筒中放入内层材料，内层加热套将熔融内层材料加热预热，外层加热套将位于外层材料通道的外层材料加热熔融，在打印过程中通过活塞压缩使内层材料进入保温套范围内；外层材料通过活塞挤出装置或螺杆挤出机将外层材料导入外层材料通道；保温套用于在喷嘴流道处使同轴材料具有较好流动性，使其在喷嘴处顺利挤出；环形气流出口套接供气系统，环形气流出口套与外层材料通道间有隔热层，防止冷空气将未挤出喷嘴的材料冷却。2.根据权利要求1所述的一种同轴3D打印设备，其特征在于：内层材料可采用相对体积密度较小的材料或后期可去除的材料。3.根据权利要求2所述的一种同轴3D打印设备，其特征在于：内层材料为发泡材料。4.根据权利要求2所述的一种同轴3D打印设备，其特征在于：内层材料为水、凝胶或低熔点合金。5.根据权利要求1所述的一种同轴3D打印设备，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨卫民，马昊鹏，王修磊，阎华，焦志伟，丁玉梅，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11