一种针对环境敏感功能梯度材料的双喷头快速成型系统技术方案

本发明专利技术为一种针对环境敏感功能梯度材料的双喷头快速成型系统，包括控制单元、打印平台、方框机架、两个喷头单元；每个喷头单元均包括进料混合机构、加热机构和挤出机构：所述进料混合机构包括进料斗、色粉盒、吹粉机、进料隔断板、进料管和搅拌输送螺杆，所述进料斗的侧壁上安装有色粉盒，色粉盒的出料口侧与进料斗的内部相联通；所述吹粉机正对色粉盒的进风口；在进料斗内部，且位于色粉盒下方，所述加热机构包括加热室、出料管、温度传感器及缠绕在加热室外部的加热器；该系统能够打印出采用混合并熔融挤出的具有温度膨胀梯度的智能结构，有效解决了3D打印环境敏感功能梯度材料的制造过程中原料要求高、成型精度高等难题。

【技术实现步骤摘要】
一种针对环境敏感功能梯度材料的双喷头快速成型系统
本专利技术涉及一种针对环境敏感功能梯度材料的双喷头快速成型系统。
技术介绍
3D打印技术是快速成型技术的一种，无需采用传统刀具、磨具等工具去除材料，相反，而是将数字化离散后的材料逐渐叠加成型。近几年来，3D打印技术受到国内外各界广泛关注，相关人士和研究机构开始着手制订3D打印技术的发展规划，并开展了相应研究工作。熔融沉积成型是3D打印技术中最具有生命力，并且发展速度最快的快速成型技术。熔融沉积成型过程是先将模型分成若干层，根据每层上的模型截面形状来规划该层扫描路径，再逐层打印直至完成整个模型。熔融沉积成型机以其成型设备体积小、成型成本低、成型速度快、配套系统可靠性高、成型过程噪声小、制件颜色丰富与成型原材料多样化等优点，具有非常广阔的市场。随着该研究的不断深入，利用快速成型技术制作相关模型的阶段已经不能满足人们对技术发展的需求，从而，提升制件的材质均匀性和可自发变形等特殊功能性，已成为3D打印技术在未来发展和使用方面的必然趋势。众所周知，热塑性是用于熔融沉积成型打印材料最基本的性能，受限于打印机的限制，其材料的选择局限于ABS树脂、PLA(聚乳酸)等单一原料。此外，由于普通3D打印机喷头小型化的限制，使用的材料通常需要预先加工成成卷的线材，其粗细和长度又受限于打印机喷头内部的熔融和步进系统。并且对于线材的材料均匀性将影响到打印模型的成型质量。这严重限制了智能结构和智能材料的设计。但是，现有熔融挤出式的材料选择有限，结合传统热塑性和环境敏感性的复合材料的3D打印设备还未出现。并且针对智能结构分层或分区的特点，有必要采用不同性能的材料来制造结构的各个部分。因此，设计一种针对环境敏感功能梯度材料的双喷头熔融挤出式快速成型系统是十分必要的。
技术实现思路
3D打印设备一般采用单一的PLA、ABS线材作为制造材料，而对于复合材料尤其是颗粒状的原料需要预先处理成线材，并且采用单一材料不能满足环境敏感结构的设计需求。为进一步提高对环境敏感智能结构的力学和物理性能的认识，本专利技术要解决的技术问题是提供一种针对环境敏感功能梯度材料的双喷头快速成型系统。该系统能够打印出以环境敏感材料为主体材料，与热可塑性材料为辅助材料，采用混合并熔融挤出的具有温度膨胀梯度的智能结构，有效解决了3D打印环境敏感功能梯度材料的制造过程中原料要求高、成型精度高等难题。本专利技术解决所述技术问题采用的技术方案是：一种针对环境敏感功能梯度材料的双喷头快速成型系统，包括控制单元、打印平台、方框机架，其特征在于该系统还包括两个喷头单元，两个喷头单元并排固定在打印平台上方，打印平台及两个喷头单元均固定在方框机架上；每个喷头单元均包括进料混合机构、加热机构和挤出机构：所述进料混合机构包括进料斗、色粉盒、吹粉机、进料隔断板、进料管和搅拌输送螺杆，所述进料斗的下部为漏斗状，上部为圆柱状，在上部圆柱状的侧壁上安装有色粉盒，色粉盒的出料口侧与进料斗的内部相联通；所述吹粉机正对色粉盒的进风口；所述吹粉机和色粉盒集中安装在进料斗的侧壁上；在进料斗内部，且位于色粉盒下方，设置有能打开和闭合的进料隔断板；进料斗的下端连接竖向设置的进料管，在位于进料隔断板下方的进料斗和进料管中设置搅拌输送螺杆；所述加热机构包括加热室、出料管、温度传感器及缠绕在加热室外部的加热器，所述加热室的上端联通进料管，所述搅拌输送螺杆的下部伸入到加热室的内部底端，在加热室内部侧壁上安装温度传感器；所述加热室的底部出口水平连接出料管；所述挤出机构包括储藏仓、安装在储藏仓内部的压强传感器、挤出螺杆和喷嘴，储藏仓内部设置竖向的挤出螺杆，储藏仓的下端连接喷嘴，挤出螺杆上端与储藏仓顶部固定，挤出螺杆的长度与储藏仓的高度相匹配；所述方框机架上表面设有控制喷嘴水平移动的X轴导轨和Y轴导轨，两个X轴导轨平行布置在方框机架上表面的两个边缘，在两个X轴导轨上均设有X滑块，所述Y轴导轨的下表面两端分别连接两个X轴导轨上的两个X滑块，X轴导轨和Y轴导轨相互垂直，在Y轴导轨的侧面上设置Y滑块，Y滑块与两个喷头单元的进料管均连接；在一个X轴导轨和Y轴导轨上分别设置丝杠螺杆机构，X滑块、Y滑块连接在相应的丝杠螺杆机构上；在方框机架的两个对称的侧面上分别设有两个Z轴导轨，每个Z轴导轨上均设有Z滑块，在一个Z轴导轨上设置丝杠螺杆机构，设置有丝杠螺杆机构的Z轴导轨上的Z滑块连接该丝杠螺杆机构；四个Z滑块均通过弹簧与打印平台的侧面连接，所述打印平台位于两个喷头单元的下方，且位于方框机架的内部；所述打印平台下表面连接有加热装置；上述的每个丝杠螺杆机构均连接一个驱动电机；所述控制单元分别与三个驱动电机、压强传感器、加热器、温度传感器、进料隔断板、吹粉机、搅拌输送螺杆、挤出螺杆、打印平台下表面的加热装置电连接。一种环境敏感功能梯度材料的3D打印成型方法，该方法使用上述的成型系统，具体包括以下步骤：1)设计环境敏感智能结构的三维模型；2)根据上述环境敏感智能结构的尺寸和成分，设定打印每层所需原料的组分和质量，假设需要打印上述智能结构需要n种物料比的混合料，n为整数，且n不小于1；切片分层，设计打印路径获得各层二维打印图形，设定好打印程序，输入Gcode文件；3)将环境敏感材料与热可塑性材料以颗粒状态或粉末状态按照某种物料比混合为混合料A，装入一个进料斗中；在另一个进料斗中装入不同于混合料A的物料比的混合料B；并在每个喷头单元的色粉盒中装入不同颜色的色粉，由吹粉机吹进相应的混合料中；4)将混合料A通过搅拌输送螺杆5送入到加热室中，在加热室加热熔融后由相应的喷嘴挤出，完成一层二维图形的打印；此时混合料B不送料；5)通过Z轴导轨19调整打印平台20的高度，将混合料B充分混合并加热熔融后由另一个喷嘴挤出，并使得该喷嘴与步骤4)中已打印层的上表面在同一水平面上，进行下一层二维图形的打印；此时混合料A不送料；6)如果下一次物料比发生变化，则更换不使用的喷头单元中的混合料，调整打印平台的高度，继步骤5)后继续打印；7)重复步骤4)、步骤5)和步骤6)的过程，直至完成上述环境敏感智能结构的打印为止；从步骤4)开始至步骤7)结束，通过加热装置控制打印平台20的温度维持在50～55℃；8)清除两个进料斗内的多余材料，待模型充分冷却后取出。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1.本专利技术成型系统采用双进料斗和双喷嘴分别打印结构的不同部分，能优化结构的力学性能并且实现材料的功能梯度化。采用吹粉机和可控制用量的色粉掺入装置，用以打印不同颜色的结构区域以区分结构的功能梯度性。2.本专利技术成型系统在出料口设置过滤网，将混合后的原料充分溶化后经过滤网储存在储藏仓中，能有效防止出现材料未融化而导致打印结构的瑕疵，也可防止喷嘴堵塞。3.本专利技术成型系统中，进料斗与进料口采用活动连接，如螺纹连接，可以通过更换进料斗的方式，提供多种比例的混合料，能打印多种性质的复合材料，智能结构更加复杂。4..本专利技术成型方法在配制材料组分上十分灵活，可实现多种原料、多种粒径的环境敏感功能梯度材料各种配比的混合与3D打印成形。在保证成型质量且不堵喷嘴的前提下，网络水凝胶在环境敏感功能梯度材料质量比例最高可以达到2.5％，由此能使结构实现更佳的环境敏感功能梯度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种针对环境敏感功能梯度材料的双喷头快速成型系统，包括控制单元、打印平台、方框机架，其特征在于该系统还包括两个喷头单元，两个喷头单元并排固定在打印平台上方，打印平台及两个喷头单元均固定在方框机架上；每个喷头单元均包括进料混合机构、加热机构和挤出机构：所述进料混合机构包括进料斗、色粉盒、吹粉机、进料隔断板、进料管和搅拌输送螺杆，所述进料斗的下部为漏斗状，上部为圆柱状，在上部圆柱状的侧壁上安装有色粉盒，色粉盒的出料口侧与进料斗的内部相联通；所述吹粉机正对色粉盒的进风口；所述吹粉机和色粉盒集中安装在进料斗的侧壁上；在进料斗内部，且位于色粉盒下方，设置有能打开和闭合的进料隔断板；进料斗的下端连接竖向设置的进料管，在位于进料隔断板下方的进料斗和进料管中设置搅拌输送螺杆；所述加热机构包括加热室、出料管、温度传感器及缠绕在加热室外部的加热器，所述加热室的上端联通进料管，所述搅拌输送螺杆的下部伸入到加热室的内部底端，在加热室内部侧壁上安装温度传感器；所述加热室的底部出口水平连接出料管；所述挤出机构包括储藏仓、安装在储藏仓内部的压强传感器、挤出螺杆和喷嘴，储藏仓内部设置竖向的挤出螺杆，储藏仓的下端连接喷嘴，挤出螺杆上端与储藏仓顶部固定，挤出螺杆的长度与储藏仓的高度相匹配；所述方框机架上表面设有控制喷嘴水平移动的X轴导轨和Y轴导轨，两个X轴导轨平行布置在方框机架上表面的两个边缘，在两个X轴导轨上均设有X滑块，所述Y轴导轨的下表面两端分别连接两个X轴导轨上的两个X滑块，X轴导轨和Y轴导轨相互垂直，在Y轴导轨的侧面上设置Y滑块，Y滑块与两个喷头单元的进料管均连接；在一个X轴导轨和Y轴导轨上分别设置丝杠螺杆机构，X滑块、Y滑块连接在相应的丝杠螺杆机构上；在方框机架的两个对称的侧面上分别设有两个Z轴导轨，每个Z轴导轨上均设有Z滑块，在一个Z轴导轨上设置丝杠螺杆机构，设置有丝杠螺杆机构的Z轴导轨上的Z滑块连接该丝杠螺杆机构；四个Z滑块均通过弹簧与打印平台的侧面连接，所述打印平台位于两个喷头单元的下方，且位于方框机架的内部；所述打印平台下表面连接有加热装置；上述的每个丝杠螺杆机构均连接一个驱动电机；所述控制单元分别与三个驱动电机、压强传感器、加热器、温度传感器、进料隔断板、吹粉机、搅拌输送螺杆、挤出螺杆、打印平台下表面的加热装置电连接。...

【技术特征摘要】
1.一种针对环境敏感功能梯度材料的双喷头快速成型系统，包括控制单元、打印平台、方框机架，其特征在于该系统还包括两个喷头单元，两个喷头单元并排固定在打印平台上方，打印平台及两个喷头单元均固定在方框机架上；每个喷头单元均包括进料混合机构、加热机构和挤出机构：所述进料混合机构包括进料斗、色粉盒、吹粉机、进料隔断板、进料管和搅拌输送螺杆，所述进料斗的下部为漏斗状，上部为圆柱状，在上部圆柱状的侧壁上安装有色粉盒，色粉盒的出料口侧与进料斗的内部相联通；所述吹粉机正对色粉盒的进风口；所述吹粉机和色粉盒集中安装在进料斗的侧壁上；在进料斗内部，且位于色粉盒下方，设置有能打开和闭合的进料隔断板；进料斗的下端连接竖向设置的进料管，在位于进料隔断板下方的进料斗和进料管中设置搅拌输送螺杆；所述加热机构包括加热室、出料管、温度传感器及缠绕在加热室外部的加热器，所述加热室的上端联通进料管，所述搅拌输送螺杆的下部伸入到加热室的内部底端，在加热室内部侧壁上安装温度传感器；所述加热室的底部出口水平连接出料管；所述挤出机构包括储藏仓、安装在储藏仓内部的压强传感器、挤出螺杆和喷嘴，储藏仓内部设置竖向的挤出螺杆，储藏仓的下端连接喷嘴，挤出螺杆上端与储藏仓顶部固定，挤出螺杆的长度与储藏仓的高度相匹配；所述方框机架上表面设有控制喷嘴水平移动的X轴导轨和Y轴导轨，两个X轴导轨平行布置在方框机架上表面的两个边缘，在两个X轴导轨上均设有X滑块，所述Y轴导轨的下表面两端分别连接两个X轴导轨上的两个X滑块，X轴导轨和Y轴导轨相互垂直，在Y轴导轨的侧面上设置Y滑块，Y滑块与两个喷头单元的进料管均连接；在一个X轴导轨和Y轴导轨上分别设置丝杠螺杆机构，X滑块、Y滑块连接在相应的丝杠螺杆机构上；在方框机架的两个对称的侧面上分别设有两个Z轴导轨，每个Z轴导轨上均设有Z滑块，在一个Z轴导轨上设置丝杠螺杆机构，设置有丝杠螺杆机构的Z轴导轨上的Z滑块连接该丝杠螺杆机构；四个Z滑块均通过弹簧与打印平台的侧面连接，所述打印平台位于两个喷头单元的下方，且位于方框机架的内部；所述打印平台下表面连接有加热装置；上述的每个丝杠螺杆机构均连接一个驱动电机；所述控制单元分别与三个驱动电机、压强传感器、加热器、温度传感器、进料隔断板、吹粉机、搅拌输送螺杆、挤出螺杆、打印平台下表面的加热装置电连接。2.根据权利要求1所述的针对环境敏感功能梯度材料的双喷头快速成型系统，其特征在于，所述进料隔断板水平放置于所述进料斗内部的圆柱状和漏斗状部分的衔接处；所述压强传感器放置于储藏仓侧壁上并紧贴储藏仓的底部。3.根据权利要求1所述的针对环境敏感功能梯度材料的双喷头快速成型系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：林森，马国伟，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12