一种用于电场驱动喷射多材料3D打印的集成喷头制造技术

本发明专利技术公开了一种用于电场驱动喷射多材料3D打印的集成喷头，通过将混料功能和送料功能的分离，使多材料混合的更加充分和均匀，保证材料在完全混合均匀的前提下进行喷射打印；实现了喷嘴与环形提取电极一体化，即打印喷头自成一体，利用锥射流模式，可以打印出较高分辨率点和线，其技术方案为：包括打印喷头，打印喷头顶部与送料模块连接，送料模块与混料模块连接；混料模块包括混料筒，混料筒底部设置供料管路与送料模块连通；送料模块包括注射筒，注射筒内设置螺杆，螺杆顶部与步进电机连接；打印喷头包括导电喷嘴，导电喷嘴固定于注射筒底部，导电喷嘴外周设置环形提取电极，导电喷嘴与高压脉冲电源正极相连，环形提取电极接地。

【技术实现步骤摘要】
一种用于电场驱动喷射多材料3D打印的集成喷头
本专利技术涉及增材制造和多材料3D打印
，特别是涉及一种用于电场驱动喷射多材料3D打印的集成喷头。
技术介绍
随着科学技术的突飞猛进，大型结构件的轻量化生产，柔性电子产品的高精制造等领域都对材料的性能提出了越来越严和越来越多的要求，复合材料由于其优异的性能在各个行业中得到了广泛的应用，3D打印作为一种新兴增材制造方法也被用来研究制造复合材料，因此现有3D打印机应具有如下能力：实现多材料主动混合，增强材料物理、机械等性能；制备多功能梯度材料，并能在各种功能材料打之间精确、不间断切换；实现高精、高效、高分辨率打印等。现有的多材料电喷印3D打印方法包括多喷头方案以及螺杆搅拌方案，然而基于这两种方案存在诸多不足和局限性。例如，基于多喷头方案存在：(1)多喷头结构复杂，设备成本高；(2)喷头之间需要频繁切换，打印效率低；(3)无法实现多材料主动混合；(4)受喷头配置数量的限制，一次性可打印材料种类数量受限。另外，多材料成形喷头一般采用多个喷头并行安装在同一高度，每个喷头可以处理一种材料，打印过程中一般只有一个喷头在工作，同一高度处在待命状态的其他喷头就可能存在对构建组织成形面的干扰。基于螺杆搅拌方案存在：(5)搅拌腔与打印头一体化设计，导致多材料混合不充分，打印结构件功能性差；(6)打印过程不能及时补充混合好的材料，打印效率低。因此，现有的多材料电喷印3D打印技术难以实现多材料多尺度结构稳定、高效一体化制造。电流体动力喷射打印(ElectrohydrodynamicJetPrinting，E-jet)是一种基于电流体动力学(EHD)微液滴喷射沉积成形技术，与传统喷印技术(热喷印、压电喷印等)采用“推”方式不同，EHD喷印采用电场驱动以“拉”方式从液锥(泰勒锥)顶端产生极细的射流。打印分辨率不受喷嘴直径的限制，能在喷嘴不易堵塞的前提下，实现亚微米、纳米尺度分辨率复杂三维微纳结构的制造。而且可用于电喷印的材料范围非常广泛。因此，与现有的3D打印技术相比，电喷印技术具有材料兼容性好(适用材料广泛，特别是许多高粘度材料)、分辨率高的特点，然而基于电喷印方法同样存在着诸多不足和局限性：(1)打印高度受限；(2)无法实现共形打印；(3)接收衬底材料受限；(4)气动供料，无法实现出液量的精确控制。因此，为了克服现有多材料电喷印3D打印在多材料、宏/微/纳多尺度结构一体化制造方面的存在的不足和缺陷，实现“功能驱动的结构、材料、性能设计和制造一体化无缝集成”，将材料、微结构、宏观结构等设计要素与功能需求目标结合，实现复杂组织结构控形、控性制造(尤其是通过多材料、微结构布置改进优化产品的性能，增加新的功能)，满足新材料开发、生物医疗、电子产品、组织工程、MEMS、可穿戴电子设备、4D打印等研发和规模化生产的实际需求，迫切需要开发新的多材料、多尺度3D打印工艺和装备。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种用于电场驱动喷射多材料3D打印的集成喷头，通过将混料功能和送料功能的分离，使多材料混合的更加充分和均匀，保证材料在完全混合均匀的前提下进行喷射打印；实现了喷嘴与环形提取电极一体化，即打印喷头自成一体，利用锥射流模式，可以打印出较高分辨率点和线；实现了多材料、多尺度结构的高精、高效、稳定、一体化制造，提高了3D打印控形、控性的能力。本专利技术的具体实现方法为：(1)将混料模块，送料模块和打印喷头模块集成一体。具体的，将混料模块和送料模块分离，二者通过供料管路相连接，打印喷头模块直接安装在送料模块的最底端(下部)。其中，混料模块实现对多种打印材料的高效均匀混合。混料模块设置多个进料口，用于向混料模块提供一种或者多种不同打印材料，混料机构在电机带动下转动以实现对多种打印材料的均匀混合，并将混合均匀的材料输送到送料模块。送料模块实现打印材料的稳定输送和定量喷射。一方面使用步进电机控制螺杆匀速旋转，提供稳定的背压，实现打印材料的均匀供给，另一方面螺杆的旋转速度决定输送到喷嘴处的材料的体积，因此通过控制螺杆的转速可以实现对出液量的精确控制。送料模块在螺杆的作用下将材料输送至打印喷头；打印喷头模块在电场的作用下实现对打印材料的喷射沉积。(2)打印喷头模块自成一体并通过连接导线与高压脉冲电源相连接。打印喷头模块由导电喷嘴与环形提取电极组成，两者之间相对位置精确可调且保持同轴。其中环形提取电极连接高压电源负极，导电喷嘴连接高压电源正极，利用导电喷嘴和环形提取电极之间的强电场力实现材料的喷射沉积。(3)设置宏尺度和微尺度两种打印模式，在宏打印模式下，利用螺杆旋转挤出打印材料，在微打印模式下，利用电场力形成的锥射流进行打印，实现宏、微、纳跨/多尺度一体化制造。进一步的，本专利技术采用下述技术方案：一种用于电场驱动喷射多材料3D打印的集成喷头，包括打印喷头，打印喷头顶部与送料模块连接，所述送料模块与混料模块连接；所述混料模块包括混料筒，混料筒底部设置供料管路与送料模块连通；所述送料模块包括注射筒，注射筒内设置螺杆，螺杆顶部与步进电机连接；所述打印喷头包括导电喷嘴，导电喷嘴固定于注射筒底部，导电喷嘴外周设置环形提取电极，导电喷嘴与高压脉冲电源正极相连，环形提取电极接地。进一步的，所述注射筒侧部设置开口，开口处设置供料快速接头，供料快速接头与供料管路连接。进一步的，所述环形提取电极固设于环形提取电极固定架，环形提取电极固定架连接于注射筒外侧壁。进一步的，所述混料筒侧部上方设置多个进料口。进一步的，所述混料筒顶部设置气路快速接头，气路快速接头与气压管路连通。或者，所述混料筒侧部上方设置气路快速接头，气路快速接头与气压管路连通。进一步的，所述混料筒内设置搅拌轴，所述搅拌轴顶部与搅拌电机连接。进一步的，所述搅拌轴直径小于混料筒内径。进一步的，所述搅拌轴侧壁设置螺旋凹槽。进一步的，所述混料模块通过夹具固定于安装底板上。进一步的，所述注射筒和混料筒内设置废液收集管路，废液收集管路内置集成泵，废液收集管路还与真空管路连通。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)实现多材料的主动混合。在混料模块上设置多个进料口，每个进料口可输入不同配比的材料，搅拌轴通过搅拌电机控制以按设定转速对料筒内的多种打印材料进行搅拌，实现多材料快速混合，具备打印功能梯度零件的潜力。(2)实现材料高精混合，精确控制喷嘴流量，打印结构功能性强，可靠性高。首先，将送料模块和混料模块分离，保证材料在充分混合均匀的前提下，输入到注射筒以备打印，这样保证了用于喷射沉积的材料是完全混合均匀的，排除未经混合的材料的影响。其次，通过控制螺杆转速实现对背压增量和液体流量的精确控制，即调节螺杆转速可以控制喷嘴的出液量，螺杆匀速转动建立稳定增长的背压，实现打印材料的稳定输送，根据喷射材料用量设定不同的旋转速度，精确控制喷嘴流量。搅拌装置和送料模块的配合使用保证了打印结构的功能，提高了打印结构可靠性。(3)打印喷头、送料模块、混料模块集成一体，安装在固定底板上，集成式的喷头装置可移植性强、实用性好，可根据需要移植到任何形式的工作台(三轴或五轴)上进行打印。(4)可实现任意配比材料的高效率打印。混料模块和送料模块分离，搅拌和送料功能互不影响，能实现持续充本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于电场驱动喷射多材料3D打印的集成喷头，其特征是，包括打印喷头，打印喷头顶部与送料模块连接，所述送料模块与混料模块连接；所述混料模块包括混料筒，混料筒底部设置供料管路与送料模块连通；所述送料模块包括注射筒，注射筒内设置螺杆，螺杆顶部与步进电机连接；所述打印喷头包括导电喷嘴，导电喷嘴固定于注射筒底部，导电喷嘴外周设置环形提取电极，导电喷嘴与高压脉冲电源正极相连，环形提取电极接地。

【技术特征摘要】
1.一种用于电场驱动喷射多材料3D打印的集成喷头，其特征是，包括打印喷头，打印喷头顶部与送料模块连接，所述送料模块与混料模块连接；所述混料模块包括混料筒，混料筒底部设置供料管路与送料模块连通；所述送料模块包括注射筒，注射筒内设置螺杆，螺杆顶部与步进电机连接；所述打印喷头包括导电喷嘴，导电喷嘴固定于注射筒底部，导电喷嘴外周设置环形提取电极，导电喷嘴与高压脉冲电源正极相连，环形提取电极接地。2.如权利要求1所述的集成喷头，其特征是，所述注射筒侧部设置开口，开口处设置供料快速接头，供料快速接头与供料管路连接。3.如权利要求1所述的集成喷头，其特征是，所述环形提取电极固设于环形提取电极固定架，环形提取电极固定架连接于注射筒外侧壁。4.如权利要求1所述的集成喷头，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨昆，兰红波，杨建军，钱垒，赵佳伟，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东,37