光固化喷射纳米墨水实现复合材料3d打印方法及打印机技术

本发明专利技术公开了光固化喷射纳米墨水实现复合材料3d打印方法,包括配置纳米墨水，采用微滴喷射的方式喷墨打印头喷射纳米墨水；根据三维造型将其分成若干层二维图形，计算每层打印时间；根据每层打印时间，定时开启紫外线光源，温度传感器实时监测固化区域的温度，监测打印区域中的纳米颗粒墨水固化成型状态，固化结束，紫外线光源关闭；逐层打印，逐层固化，完成产品打印。本发明专利技术适合打印陶瓷、玻璃、尼龙或塑料产品，本发明专利技术通过紫外线光固化成型，解决了现有3D打印技术中材料选择范围窄、成型精度差、成型尺寸小、成型速度慢的技术问题。本发明专利技术还公开了一种微滴喷射3d打印机，适合用于上述方法的3D打印。

Method and printer for realizing composite material 3D printing by light solidifying jet nano ink

The invention discloses a light curing nano ink jet printing method to achieve 3D composite materials, including the configuration of nano ink, using micro droplet jetting mode of ink-jet print head spraying nano ink; according to the 3D modeling is divided into a plurality of layers of two-dimensional graphics, calculation of each layer of print time; according to each layer of print time, the ultraviolet light source is opened in time, real time the curing temperature sensor temperature monitoring area, monitoring the print area of the nano particles of ink curing, curing end, ultraviolet light off layer; printing layer, curing, finish printing products. The invention is suitable for printing of ceramics, glass, nylon or plastic products, the invention through ultraviolet light curing, solves the technical problems of narrow range, forming precision, forming small size, forming speed of material selection in the existing 3D printing technology. The invention also discloses a micro droplet injection 3D printer, which is suitable for 3D printing of the above method.

【技术实现步骤摘要】
光固化喷射纳米墨水实现复合材料3d打印方法及打印机
本专利技术涉及3D打印
，具体涉及一种喷射含有纳米颗粒的混合墨水，快速制备高精度、高性能复合材料3D器件的成型方法，及一种微滴喷射3d打印机。
技术介绍
3D打印(threedimensionalprinting,3DP)是快速成形(rapidprototyping,RP)技术的简称，利用材料堆积法快速制造产品的一项先进技术。目前3D打印的主要技术有：光固化成型（SLA）、熔融沉积成型（FDM）、分层实体加工（LOM）、三维印刷（3DP）、选择性激光烧结（SLS）等。光固化成型（SLA）是利用光敏树脂在紫外光照射下够快速固化这一原理进行成型的工艺，它是最早出现的快速成型技术。光固化快速成型采用液态光敏树脂为制件原料，具有尺寸精度高、表面光滑、可制作任意形状表面原型制件等优点，但加工设备和加工成本高、对悬臂结构需要采用支撑、成型过程中会产生异味气体，不适合办公室环境使。熔融沉积成型（FDM）是一种将丝状材料加热熔化后挤出，堆积成型的一种成型方法。这种成型工艺是将陶瓷粉末和有机粘结剂相混合，使用FDM设备做出陶瓷生胚件，通过烧结后处理得到较高密度的陶瓷件。这种工艺成型可成型多种材料，但是成型的3D器件精度比较差，难以成型结构复杂的零件，垂直方向强度小。选择性激光烧结（SLS）是利用激光选择性烧结粉末材料进行成型的技术。这种3D打印技术对于塑料件，激光完全烧结高分子粉末，最终得到成型件。一般陶瓷的烧结温度很高，很难用激光直接烧结，可以先将难熔的陶瓷粉末包覆上高分子粘结剂，激光熔化粘结剂以烧结各个层，从而制出陶瓷生坯，通过粘结剂去除及烧结等后处理过程，就得到最终的3D陶瓷件。分层实体制造法（LaminatedObjectManufacturing，LOM），是薄片材料叠加工艺，先利用激光切割薄片材料，然后逐层堆积成型。该工艺具有加工大型实体零件速度快、制件硬度和抗压性能较好等优点，缺点是制件表面有明显的台阶纹理、材料耗损较大。三维打印（3DP）是一种基于微喷射原理，在粉末平面上选择性喷射溶液，将喷射区域的粉粘结成型的方法，三维印刷技术已成为快速成型行业研究和应用的热点。三维打印成型的优点主要有造价低、运行和维护成本低、适应于多材料、成型速度快、无需支撑结构；缺点是零件精度和表面质量比较差、制件强度低。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术光固化喷射纳米墨水实现复合材料3d打印方法优点在于：①粉末制备成纳米颗粒，然后和光敏树脂、墨水调节剂等制备成可适合工业3D喷墨打印机使用的墨水，这样打印出的3D器件的精度非常高，成形尺寸大。②成型过程中使用紫外线光源进行光固化，避免过程中使用激光等光源进行烧结，节约能源。③本专利技术可多个工业喷墨打印头同时喷射，每个喷墨打印头有几百个孔成型，成型过程中近似于面成型，成型速度快，而一般的SLS和SLM都是线成型。④本专利技术的成型过程中，不需要铺粉环节，可以使打印速度提高2~3倍，铺粉过程会影响打印速度。⑤本专利技术可打印大尺寸陶瓷等高熔点材料的3D器件，一般的3D打印技术DLP、SLS、FDM、粉末粘结成型在打印这些材料3D器件时，受到本身技术的限制，成型尺寸较小⑥本专利技术的成型工艺，材料利用率高，降低生产成本，并且在固化过程中材料可以保持较好的材料稳定性。⑦紫外线光源对打印区域进行固化，通过温度传感器实时监测固化区域的温度，监测打印区域中的纳米颗粒墨水固化成型状态，有效保证产品的特性。本专利技术公开的光固化喷射纳米墨水实现复合材料3d打印方法，主要包括下面几个步骤：第一步，配置墨水：配置含纳米颗粒与光敏树脂的纳米墨水，将纳米墨水加入3D打印机墨盒中。同时通过计算机三维模型建模，根据打印器件的三维造型将其分成若干层二维图形；根据每一层的形状规划出打印路径，计算出每层所需材料的用量；结合打印机喷墨打印头数量，计算每层的打印时间与喷墨打印头回归时间，设定紫外线光源开启时间，开启的定时时间大于当前层打印时间与喷墨打印头回归时间总和。第二步，打印：采用微滴喷射的方式喷墨打印头喷射纳米墨水，紫外线光源定时启动，喷墨打印头打印三维模型的第一层，直到当前层打印完成，喷墨打印头上升并且回归到打印初始位置的正上方。第三步，固化：紫外线光源开启的定时时间到达后，紫外线光源开启，紫外线光源的灯光方向沿着第一层的打印路径进行固化，同时使用红外线温度传感器实时监测固化区域的温度，监测打印区域中的纳米颗粒墨水固化成型状态，固化结束，紫外线光源关闭。第四步，按照二、三两步的方式重复操作逐层打印与固化，直到最后一层光固化完成，成形3D器件。第五步，成型产品取出。本专利技术公开的光固化喷射纳米墨水实现复合材料3d打印方法中，纳米颗粒为陶瓷粉末、玻璃粉末、尼龙粉末或塑料粉末。成型3D器件的主要材料为陶瓷粉末时，成型前产品需要脱脂烧结，温度选择900-1300℃。本专利技术公开的光固化喷射纳米墨水实现复合材料3d打印方法中，纳米颗粒直径为10~500nm，纳米颗粒的大小比较关键，陶瓷颗粒的大小保证在打印过程中，喷墨打印头不会出现堵塞。为有效保证打印模型的化学或物理特性，纳米颗粒含量占纳米墨水的比重为70%~90%；为保证模型每层的有效固化，光敏树脂的含量占纳米墨水的比重为10%~30%。本专利技术公开的光固化喷射纳米墨水实现复合材料3d打印方法中，配置纳米墨水时可加入适当的墨水调节剂；墨水调节剂包括表面活性剂、缓冲剂、金属螯合剂，墨水调节剂占纳米墨水的比重为0%~5%，其中表面活性剂在配制纳米墨水中的作用主要有：保持墨水精细均匀的分散状态而不发生絮凝；降低表面张力的作用；消泡作用。缓冲剂在配制纳米墨水中的作用：调节纳米墨水的PH值，纳米墨水的pH值对墨水的应用性能有很大的影响。一般情况下,墨水的PH值要求在7～9。金属螯合剂在墨水中的作用是：可以调节墨水的导电率值，导电率的数值是反映墨水中盐含量的高低。一般墨水中的盐会损坏墨盒并且在喷墨打印头处结晶造成堵头。本专利技术公开的光固化喷射纳米墨水实现复合材料3d打印方法中，所述的纳米墨水喷射的速度为0.1~1000m/s，成型腔内部温度控制在20~70℃，所述的紫外线光源的功率范围为0.5-3w，采用照射打印区域的方式固化打印层。本专利技术公开的光固化喷射纳米墨水实现复合材料3d打印方法中，为了提高打印效率，喷墨打印头数量为一个或者一个以上，使成型过程中近似于面成型，成型速度快；为了实现均匀打印各层，更好的配合紫外线光固，并且防止喷墨打印头出现堵头现象，喷墨打印头上设有的孔的数量为200个至2000个，形成微滴喷射的效果。本专利技术还公开了一种微滴喷射3d打印机，墨盒通过墨路连接副墨盒，副墨盒内安装设有负压传感器和液位传感器，副墨盒连接打印头支架上的压电式微滴喷墨打印头，打印头支架下方设有紫外线光源，紫外线光源发光指向基座，照射基座上的打印模型，打印过程中，喷墨打印头先完成一层墨水的打印喷射，喷墨打印头打印完成之后就回到零位置后上升，随后紫外线光源沿着喷墨打印头移动的路径固化墨水材料，温度传感器实时监测固化区域的温度，监测打印区域中的纳米颗粒墨水固化成型状态，固化结束，紫外线光源关闭并回到起始位置。打印机底部为基座，基座上安装有可以升降的打印平本文档来自技高网...

【技术保护点】
光固化喷射纳米墨水实现复合材料3d打印方法，其特征在于：第一步，配置墨水并计算时间与路径：配置含纳米颗粒与光敏树脂的纳米墨水，将纳米墨水加入3D打印机墨盒中；通过计算机三维模型建模，根据打印器件的三维造型将其分成若干层二维图形；根据每一层的形状规划出打印路径，计算出每层所需材料的用量；结合打印机喷墨打印头数量，计算每层的打印时间与喷墨打印头回归上升时间，设定紫外线光源开启时间，开启的定时时间大于当前层打印时间与喷墨打印头回归上升时间总和；第二步，打印：采用微滴喷射的方式喷墨打印头喷射纳米墨水，紫外线光源定时启动，喷墨打印头打印三维模型的第一层，直到当前层打印完成，喷墨打印头上升并且回归到打印初始位置的正上方；第三步，固化：紫外线光源开启的定时时间到达后，紫外线光源开启，紫外线光源的灯光方向沿着第一层的打印路径进行固化，同时使用红外线温度传感器实时监测固化区域的温度，监测打印区域中的纳米颗粒墨水固化成型状态，固化结束，紫外线光源关闭；第四步，按照二、三两步的方式重复操作逐层打印与固化，直到最后一层光固化完成，成形3D器件；第五步，成型产品取出。

【技术特征摘要】
1.光固化喷射纳米墨水实现复合材料3d打印方法，其特征在于：第一步，配置墨水并计算时间与路径：配置含纳米颗粒与光敏树脂的纳米墨水，将纳米墨水加入3D打印机墨盒中；通过计算机三维模型建模，根据打印器件的三维造型将其分成若干层二维图形；根据每一层的形状规划出打印路径，计算出每层所需材料的用量；结合打印机喷墨打印头数量，计算每层的打印时间与喷墨打印头回归上升时间，设定紫外线光源开启时间，开启的定时时间大于当前层打印时间与喷墨打印头回归上升时间总和；第二步，打印：采用微滴喷射的方式喷墨打印头喷射纳米墨水，紫外线光源定时启动，喷墨打印头打印三维模型的第一层，直到当前层打印完成，喷墨打印头上升并且回归到打印初始位置的正上方；第三步，固化：紫外线光源开启的定时时间到达后，紫外线光源开启，紫外线光源的灯光方向沿着第一层的打印路径进行固化，同时使用红外线温度传感器实时监测固化区域的温度，监测打印区域中的纳米颗粒墨水固化成型状态，固化结束，紫外线光源关闭；第四步，按照二、三两步的方式重复操作逐层打印与固化，直到最后一层光固化完成，成形3D器件；第五步，成型产品取出。2.根据权利要求1所述的光固化喷射纳米墨水实现复合材料3d打印方法，其特征在于：所述的纳米颗粒为陶瓷粉末、玻璃粉末、尼龙粉末或塑料粉末；成型3D器件的主要材料为陶瓷粉末时，最终成型前产品需要脱脂烧结。3.根据权利要求1所述的光固化喷射纳米墨水实现复合材料3d打印方法，其特征在于：纳米颗粒直径为10~500nm，纳米颗粒含量占纳米墨水的比重为70%~90%；光敏树脂的含量占纳米墨水的比...

【专利技术属性】
技术研发人员：何仲云，徐海峰，穆倩，王闯道，
申请(专利权)人：南京增材制造研究院发展有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32