本发明专利技术公开材料加工成型技术领域中的一种基于3D打印的网状多层结构复合材料加工设备及方法，向第一、第二储料箱中添加粉末原料，向储液罐中添加溶剂，液氮罐向冷冻台通入液氮，粉末原料流至第一、第二搅拌罐中，储液罐中溶剂流至第一、第二搅拌罐中，液滴从3D打印喷头滴落至冷冻台上迅速冷冻凝固成形，3D打印喷头先沿一个方向打印数条相互间隔的直线轨迹，然后在这些直线轨迹基础上沿另一方向再次打印数条相互间隔的直线轨迹，形成网状第一层结构；之后，在网状第一层结构的基础上打印网状第二层，以此类推地打印出递增的多层结构；将3D打印技术运用于复合材料的制备流程，可实现微观尺度上的复合材料的制备，打印成型精度高。
Manufacturing equipment and method of mesh multilayer composite material based on 3D printing
【技术实现步骤摘要】
基于3D打印的网状多层结构复合材料加工设备及方法
本专利技术属于材料加工成型
，尤其涉及采用3D打印技术的网状多层结构复合材料的加工技术。
技术介绍
复合材料是由两种或两种以上不同物质混合组成的材料，它可以发挥各组成材料的优点，克服单一材料的缺陷，极大扩展了材料的应用范围，已经越来越来多的应用到各个领域中。随着仿生材料领域的研究不断深入以及计算机模拟结果的验证，发现将复合材料制造成一些特定的形状，如螺旋结构、织物状结构等，能够使复合材料的性能得到很大程度上的提升。想要制备这类特定形状的复合材料，需要实现材料在微观上的特定结构，如交错排列、编织等，并且需要实现材料的层次变化，而目前现有的复合材料加工工艺，如粉末冶金、铸造、模锻等方法，难以实现这一技术要求。3D打印是快速成型技术的一种，它是一种运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式制造物体的技术。目前，针对不同的打印材料，3D打印技术的使用方式也分为多种，主要包括光固化立体成形SLA、分层实体制造LOM、选择性激光烧结SLS、熔积成形FDM、激光选区熔融SLM等，可以实现对光硬化树脂、金属及塑料薄膜、热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末等材料的3D打印。中国专利公开号为CN107901400A的文献中公开了一种3D打印方法，将打印材料溶解在打印溶剂中构成打印溶液，然后驱动打印喷嘴按照预设轨迹移动并喷出打印溶液，最后添加析出液使打印材料析出。该方法复杂，只能打印易溶解的打印材料，无法打印难溶解的打印材料，且难以满足对打印形状及材料复合的要求。中国专利公开号为CN108339979A文献中公开了一种通过3D打印制备立体网状空间结构复合材料的方法，先制备陶瓷金属复合粉末，然后运用3D打印将陶瓷金属复合粉末制备成立体网状空间结构预制体，然后在预制体的网状空间部分中再运用3D打印进行纯金属粉末的打印，制备得到立体网状空间结构复合材料。该专利技术自动化程度较低，无法实现材料在微观上的层次变化，打印精度不高，且难以保证打印过程中复合粉末的均匀分散状态。
技术实现思路
针对上述现有技术难以制备特定形状复合材料的不足，本专利技术提供一种基于3D打印技术的网状多层结构复合材料的加工设备及其加工方法，利用3D打印技术，通过将材料配置成悬浮液进行逐层打印，然后冷冻成形，打印过程由计算机控制，仅需输入相应的参数，自动化程度高，粉末分散效果好，打印精度高，有利于提高材料利用率以及生产效率。为了解决上述技术问题，本专利技术基于3D打印的网状多层结构复合材料加工设备通过下述技术方案得以解决：其包括第一储料箱、第二储料箱、储液罐、第一搅拌罐、第二搅拌罐和3D打印喷头，第一储料箱底部装有第一称重传感器，第一储料箱底部通过管道与其下方的第一搅拌罐顶部连通，该管道上装有第一电磁阀；第二储料箱底部装有第二称重传感器，第二储料箱底部通过管道与第二搅拌罐顶部连通，该管道上安装有第二电磁阀；储液罐底部通过管道与第一搅拌罐顶部连通，该管道上装有第三电磁阀，储液罐与第三电磁阀之间的管道上装有第一流量传感器，储液罐底部也通过管道与第二搅拌罐顶部连通，该管道上安装有第四电磁阀，储液罐与第四电磁阀之间管道上装有第二流量传感器；第一搅拌罐底部装有第三称重传感器，第一搅拌罐底部通过管道与3D打印喷头连通，该管道上装有第五电磁阀；第二搅拌罐底部装有第四称重传感器，第二搅拌罐底部通过管道与3D打印喷头连通，该管道上装有第六电磁阀；3D打印喷头上连接有X轴电机、Y轴电机及Z轴电机；3D打印喷头的下方是冷冻台，冷冻台上表面装有温度传感器，液氮罐通过管道与冷冻台上所设的冷冻台进液口连通，该管道上装有第七电磁阀；3D打印喷头、X轴电机、Y轴电机及Z轴电机分别通过各自的控制线与计算机控制系统连接，计算机控制系统还分别连接温度传感器、各个称重传感器、各个电磁阀以及各个流量传感器。所述的基于3D打印的网状多层结构复合材料加工设备的加工方法采用以下技术方案是包括以下步骤：步骤一：向第一储料箱和第二储料箱中添加粉末原料，向储液罐中添加溶剂；步骤二：计算机控制系统控制第七电磁阀与第八电磁阀打开，液氮罐向冷冻台通入液氮，温度传感器监测冷冻台的温度，当温度降低到设定值后，计算机控制系统控制第七电磁阀与第八电磁阀关闭；步骤三：计算机控制系统控制第一、第二、第三、第四电磁阀打开，第一储料箱中的粉末原料流至第一搅拌罐中，第二储料箱中粉末原料流至第二搅拌罐中，储液罐中溶剂流至第一搅拌罐和第二搅拌罐中，第一、第二称重传感器监测相应储料箱中质量减少的数值，第一、第二流量传感器监测流入相应搅拌罐的流量，到达设定值后，计算机控制系统控制第一、第二、第三、第四电磁阀关闭；步骤四：计算机控制系统控制第一搅拌罐和第二搅拌罐搅拌，当搅拌至设定时长后停止；步骤五：计算机控制系统控制第五电磁阀打开且第六电磁阀关闭，液滴从3D打印喷头滴落至冷冻台上迅速冷冻凝固成形，计算机控制系统控制X轴电机、Y轴电机及Z轴电机带动3D打印喷头打印，先沿一个方向打印数条相互间隔的直线轨迹，然后在这些直线轨迹基础上沿另一方向再次打印数条相互间隔的直线轨迹，形成网状第一层结构；之后，计算机控制系统控制第五电磁阀关闭且第六电磁阀打开，在网状第一层结构的基础上打印网状第二层，再后计算机控制系统再控制第五电磁阀打开且第六电磁阀关闭，按相同轨迹打印网状第三层结构，以此类推地打印出递增的多层结构。本专利技术与现有技术相比，具有以下积极有益的效果：1、本专利技术将3D打印技术运用于复合材料的制备流程，可实现微观尺度上的复合材料的制备，打印成型精度高。2、本专利技术采用了将复合材料的各类原始粉末先分散于溶液中，再进行3D打印的技术方案，有效解决了原始粉末在3D打印过程中无法均匀分布的问题。3本专利技术的制备打印过程由计算机程序控制，仅需输入相应的参数，自动化程度高，成形质量好，操作简便，节约材料，极大地提高了生产效率。附图说明图1为本专利技术基于3D打印的网状多层结构复合材料加工设备的结构示意图。图2为本专利技术基于3D打印的网状多层结构复合材料加工设备的加工方法流程图；图中：1-第一储料箱，2-第二储料箱，3-储液罐，4-第一搅拌罐，5-第二搅拌罐，6-3D打印喷头，7-冷冻台，8-液氮罐，9-废液罐，10-计算机控制系统，11-第一称重传感器，12-第一流量传感器，13-第二流量传感器，14-第二称重传感器，15-第一电磁阀，16-第三电磁阀，17-第二电磁阀，18-第四电磁阀，19-第三称重传感器，20-第四称重传感器，21-第五电磁阀，22-第六电磁阀，23-X轴电机，24-Y轴电机，25-Z轴电机，26-温度传感器，27-第七电磁阀，28-冷冻台进液口，29-冷冻台出液口，30-第八电磁阀，31-冷冻干燥机。具体实施方式参见图1，本专利技术基于3D打印的网状多层结构复合材料加工设备包括第一储料箱1、第二储料箱2、储液罐3、第一搅拌罐4、第二搅拌罐5、3D打印喷头6、冷冻台7等。最上方是第一本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于3D打印的网状多层结构复合材料加工设备，包括第一储料箱（1）、第二储料箱（2）、储液罐（3）、第一搅拌罐（4）、第二搅拌罐（5）和3D打印喷头（6），其特征是：第一储料箱（1）底部装有第一称重传感器（11），第一储料箱（1）底部通过管道与其下方的第一搅拌罐（4）顶部连通，该管道上装有第一电磁阀（15）；第二储料箱（2）底部装有第二称重传感器（14），第二储料箱（2）底部通过管道与第二搅拌罐（5）顶部连通，该管道上装有第二电磁阀（17）；储液罐（3）底部通过管道与第一搅拌罐（4）顶部连通，该管道上装有第三电磁阀（16），储液罐（3）与第三电磁阀（16）之间的管道上装有第一流量传感器（12），储液罐（3）底部也通过管道与第二搅拌罐（5）顶部连通，该管道上安装有第四电磁阀（18），储液罐（3）与第四电磁阀（18）之间管道上装有第二流量传感器（13）；第一搅拌罐（4）底部装有第三称重传感器（19），第一搅拌罐（4）底部通过管道与3D打印喷头（6）连通，该管道上装有第五电磁阀（21）；第二搅拌罐（5）底部装有第四称重传感器（20），第二搅拌罐（5）底部通过管道与3D打印喷头（6）连通，该管道上装有第六电磁阀（22）；3D打印喷头（6）上连接有X轴电机（23）、Y轴电机（24）及Z轴电机（25）；3D打印喷头（6）的下方是冷冻台（7），冷冻台（7）上表面装有温度传感器（26），液氮罐（8）通过管道与冷冻台（7）上所设的冷冻台进液口（28）连通，该管道上装有第七电磁阀（27）；3D打印喷头（6）、X轴电机（23）、Y轴电机（24）及Z轴电机（25）分别通过各自的控制线与计算机控制系统（10）连接，计算机控制系统（10）还分别连接温度传感器（26）、各个称重传感器、各个电磁阀以及各个流量传感器。/n...
【技术特征摘要】
1.一种基于3D打印的网状多层结构复合材料加工设备，包括第一储料箱（1）、第二储料箱（2）、储液罐（3）、第一搅拌罐（4）、第二搅拌罐（5）和3D打印喷头（6），其特征是：第一储料箱（1）底部装有第一称重传感器（11），第一储料箱（1）底部通过管道与其下方的第一搅拌罐（4）顶部连通，该管道上装有第一电磁阀（15）；第二储料箱（2）底部装有第二称重传感器（14），第二储料箱（2）底部通过管道与第二搅拌罐（5）顶部连通，该管道上装有第二电磁阀（17）；储液罐（3）底部通过管道与第一搅拌罐（4）顶部连通，该管道上装有第三电磁阀（16），储液罐（3）与第三电磁阀（16）之间的管道上装有第一流量传感器（12），储液罐（3）底部也通过管道与第二搅拌罐（5）顶部连通，该管道上安装有第四电磁阀（18），储液罐（3）与第四电磁阀（18）之间管道上装有第二流量传感器（13）；第一搅拌罐（4）底部装有第三称重传感器（19），第一搅拌罐（4）底部通过管道与3D打印喷头（6）连通，该管道上装有第五电磁阀（21）；第二搅拌罐（5）底部装有第四称重传感器（20），第二搅拌罐（5）底部通过管道与3D打印喷头（6）连通，该管道上装有第六电磁阀（22）；3D打印喷头（6）上连接有X轴电机（23）、Y轴电机（24）及Z轴电机（25）；3D打印喷头（6）的下方是冷冻台（7），冷冻台（7）上表面装有温度传感器（26），液氮罐（8）通过管道与冷冻台（7）上所设的冷冻台进液口（28）连通，该管道上装有第七电磁阀（27）；3D打印喷头（6）、X轴电机（23）、Y轴电机（24）及Z轴电机（25）分别通过各自的控制线与计算机控制系统（10）连接，计算机控制系统（10）还分别连接温度传感器（26）、各个称重传感器、各个电磁阀以及各个流量传感器。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印的网状多层结构复合材料加工设备，其特征是：废液罐（9）通过管道与冷冻台（7）上所设的冷冻台出液口（29）连通，该管道上安装有第八电磁阀（30），第八电磁阀（30）通过控制线与计算机控制系统（10）连接。
3.一种如权利要求1所述的基于3D打印的网状多层结构复合材料加工设备的加工方法，其特征是包括以下步骤：
步骤一：向第一储料箱（1）和第二储料箱（2）中添加粉末原料，向储液罐（3）中添加溶剂；
步骤二：计算机控制系统（10）控制第七电磁阀（27）与第八电磁阀（30）打开，液氮罐（8）向冷...
【专利技术属性】
技术研发人员：李瑞涛，黄灿，刘振强，李富柱，王匀，孙圣男，朱义清，王旭，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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