一种具有缠绕结构的双组份材料制件及其基于3D打印的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种具有缠绕结构的双组份材料制件及其基于3D打印的制备方法，本发明专利技术是基于FDM 3D打印，通过喷头设计和材料体系的选择实现具有缠绕结构的双组份材料制件的制备，且可通过改变外部进料筒的旋转速度和压力大小实现双组份材料的缠绕度和质量配比，达到微观性能的调控，继而实现宏观上制件中各部位性能的调控。相比于单一组份打印材料，本发明专利技术通过引入第二组分材料可弥补第一组分材料在性能上的不足，改善微观沉积线条的性能，从而优化整个打印制件的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种具有缠绕结构的双组份材料制件及其基于3D打印的制备方法
本专利技术涉及一种具有缠绕结构的双组份材料制件及其基于3D打印的制备方法，属于增材制造领域。
技术介绍
随着电子信息技术的成熟，3D打印也应运而生并大规模普及，开启了无模具制造的时代。《经济学人》杂志曾描述，以3D打印为代表的数字化制造技术将改写制造业的生产方式，进而改变产业链的运作模式。3D打印，又名增材制造(AdditiveManufacturing,AM)出现于20世纪70年代。按照美国材料与试验协会国际标准组织F42增材制造技术委员会给出的定义：3D打印是根据3D模型数据，用材料的层层相连接来制造物体的工艺。其核心就是将所需成型制件的复杂3D实体通过切片处理转化为简单的2D截面的组合，依据制件的3D计算机辅助设计模型，在3D打印设备上直接成型实体制件。3D打印最大的特点是不用模具成型，因此可以省去开模费用，大大降低成本。熔融沉积成型(FusedDepositionModeling,FDM)是利用高温将材料融化，通过打印头挤出成细丝，在构件平台堆积成型。FDM是最常见的3D打印技术，其工作过程为：在计算机的控制下，按照三维模型确定的制件截面轮廓，打印喷头作水平X方向的运动，构件平台作水平Y方向的运动，同时由送丝机构将热塑性塑料丝送入喷头，受加热后成为可流动的熔体，然后通过喷嘴挤出并沉积在平台上。FDM采用的3D打印材料主要是为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚乳酸(PLA)、聚酰胺(PA)和聚碳酸酯(PC)等。但是这些单一组份的材料打印的产品往往性能比较单一，不能满足多样化的使用需求。比如PLA的韧性比较差，受到冲击时容易开裂。针对这个问题，目前主要是通过对材料本体进行改性来解决。改性是通过物理、机械和化学等作用使高分子材料原有性能得到改善，但是改性后的材料在3D打印过程中依然在微观上是均一的，不能根据制品的结构和形状在微观上进行材料设计。CN201810741380.2公开了一种功能化皮芯结构的3D打印线材的制备，其首先采用偶联剂包覆的功能助剂与柔性聚合物经双螺杆挤出机共混得到母粒，再将母粒与PLA共混经单螺杆挤出制成线材。虽然制得的3D打印线材具有皮芯结构，但是在3D打印过程中由于受到喷头的挤压会发生皮层和芯层的融合，沉积线条达不到皮芯结构。CN201810761848.4公开了一种3D打印皮芯结构双组份复合材料的方法，其分别将皮层聚合物和芯层聚合物经不同流道输送至3D打印机不同喷嘴的外层和中层挤出制得皮芯结构的双组份材料。但是其中的3D打印机部件多、结构复杂，主要由料仓I、料仓II、螺杆挤出机I、螺杆挤出机II、计量泵I、计量泵II、分配板、喷嘴和多根熔体管道组成，且该专利技术没有公开喷嘴内部结构。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种基于3D打印可实现制备具有缠绕结构的双组份材料的喷头；本专利技术的另一个目的是提供一种基于上述喷头制备具有缠绕结构的双组份材料的3D打印方法；本专利技术的再一个目的是提供一种采用上述3D打印方法制备得到的具有缠绕结构的沉积线条和包括该沉积线条的制件。在3D打印过程中采用所述喷头得到的沉积线条具有缠绕结构，且可以调节工艺参数实现沉积线条中双组份材料的质量比的控制，同时有效简化3D打印设备的部件，且进一步拓展材料体系；所述缠绕结构还能够在不影响原来的结构的力学性能的基础上，提升其功能性。本专利技术目的是通过如下技术方案实现的：本专利技术提出了一种用于3D打印的喷头，所述喷头包括内部进料筒、内喷嘴、加热腔、固定滑轨、外喷嘴和外部进料筒；所述内部进料筒的外围设置加热腔，所述加热腔的外围设置外部进料筒；所述加热腔的外部和外部进料筒通过固定滑轨连接，且所述外部进料筒可沿加热腔旋转；所述内部进料筒底部设置内喷嘴，所述外部进料筒底部设置外喷嘴，且所述外喷嘴的出料口设置在内喷嘴的出料口下方。根据本专利技术，所述内部进料筒的形状为圆柱形结构，所述圆柱形结构的直径为4-8mm，高度为6-10mm，例如所述圆柱形结构的直径为6mm，高度为8mm。根据本专利技术，所述内喷嘴的出料口的开口大小为0.2-0.6mm。根据本专利技术，所述外部进料筒的形状为圆环结构，所述圆环结构的外直径为60-80mm，内直径为30-38mm，例如所述圆环结构的外直径为70mm，内直径为34mm；所述外部进料筒的高度为100-120mm；所述外部进料筒的壁厚为1-2mm；圆环结构的外部进料筒的内部通过固定滑轨与加热腔连接。根据本专利技术，所述外喷嘴的出料口的开口大小为0.2-0.6mm。根据本专利技术，所述外喷嘴的出料口设置在内喷嘴的出料口下方0.2-0.5mm。根据本专利技术，所述外部进料筒的轴与内部进料筒的轴重合。根据本专利技术，所述固定滑轨通过圆柱形连接件固定在加热腔上，所述外部进料筒可在固定滑轨上自由圆周旋转；例如所述固定滑轨通过圆柱形连接件固定在加热腔距离底部1/4处。根据本专利技术，所述外部进料筒上还设置有旋转动力装置，所述旋转动力装置可以控制所述外部进料筒匀速旋转运动，旋转速度为90-720rad/s。根据本专利技术，在所述喷头上方设置有步进电机，通过在所述喷头上方设置的步进电机实现内部进料筒内物料的挤出，所述步进电机的转速为50-150r/min。根据本专利技术，在所述喷头上方设置有高速电磁阀，通过在所述喷头上方设置的高速电磁阀控制外部进料筒上方的压力，实现外部进料筒内物料的喷出，同时通过旋转动力装置控制外部进料筒围绕内部进料筒作自由圆周旋转，在压力的作用下，外部进料筒的物料从外喷嘴的出料口喷出，并沉积在从内喷嘴的出料口挤出的细丝上，形成缠绕结构。本专利技术还提供一种具有缠绕结构的沉积线条，所述沉积线条包括内层和外层，所述外层是通过缠绕的方式在内层表面形成所述缠绕结构，所述沉积线条的缠绕度为1.5-24rad/mm。根据本专利技术，所述内层由第一组分材料构成，所述缠绕层由第二组分材料构成，所述第一组分材料和第二组分材料的质量比为1:0-0.5，且第二组分材料的质量不为0。根据本专利技术，所述沉积线条通过包括上述用于3D打印的喷头的3D打印设备制备得到的。本专利技术还提供一种3D打印方法，所述方法包括如下步骤：利用上述的用于3D打印的喷头，通过调节步进电机的转速和外部进料筒的旋转速度，以及通过调节步进电机的转速和外部进料筒上方的压力，得到具有缠绕结构的沉积线条。根据本专利技术，所述方法进一步包括以下步骤：基于该沉积线条制得制件。根据本专利技术，所述方法包括如下步骤：(1)选择材料体系；(2)利用上述的喷头进行3D打印，通过调节步进电机的转速和外部进料筒的旋转速度，可实现沉积线条中两组份材料缠绕度的调控；通过调节步进电机的转速和外部进料筒上方的压力，可实现沉积线条中两组份材料配比的调控，得到具有缠绕结构的沉积线条；基于该沉积线条制得制件。本专利技术还提供一种制件，所述制件包括上述的具有缠绕结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于3D打印的喷头，其中，所述喷头包括内部进料筒、内喷嘴、加热腔、固定滑轨、外喷嘴和外部进料筒；/n所述内部进料筒的外围设置加热腔，所述加热腔的外围设置外部进料筒；/n所述加热腔的外部和外部进料筒通过固定滑轨连接，且所述外部进料筒可沿加热腔旋转；/n所述内部进料筒底部设置内喷嘴，所述外部进料筒底部设置外喷嘴，且所述外喷嘴的出料口设置在内喷嘴的出料口下方。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于3D打印的喷头，其中，所述喷头包括内部进料筒、内喷嘴、加热腔、固定滑轨、外喷嘴和外部进料筒；
所述内部进料筒的外围设置加热腔，所述加热腔的外围设置外部进料筒；
所述加热腔的外部和外部进料筒通过固定滑轨连接，且所述外部进料筒可沿加热腔旋转；
所述内部进料筒底部设置内喷嘴，所述外部进料筒底部设置外喷嘴，且所述外喷嘴的出料口设置在内喷嘴的出料口下方。


2.根据权利要求1所述的喷头，其中，所述内部进料筒的形状为圆柱形结构，所述圆柱形结构的直径为4-8mm，高度为6-10mm，例如所述圆柱形结构的直径为6mm，高度为8mm。
优选地，所述内喷嘴的出料口的开口大小为0.2-0.6mm。


3.根据权利要求1或2所述的喷头，其中，所述外部进料筒的形状为圆环结构，所述圆环结构的外直径为60-80mm，内直径为30-38mm，例如所述圆环结构的外直径为70mm，内直径为34mm；所述外部进料筒的高度为100-120mm；所述外部进料筒的壁厚为1-2mm；圆环结构的外部进料筒的内部通过固定滑轨与加热腔连接。
优选地，所述外喷嘴的出料口的开口大小为0.2-0.6mm。
优选地，所述外喷嘴的出料口设置在内喷嘴的出料口下方0.2-0.5mm。
优选地，所述外部进料筒的轴与内部进料筒的轴重合。


4.根据权利要求1-3任一项所述的喷头，其中，所述固定滑轨通过圆柱形连接件固定在加热腔上，所述外部进料筒可在固定滑轨上自由圆周旋转；例如所述固定滑轨通过圆柱形连接件固定在加热腔距离底部1/4处。


5.根据权利要求1-4任一项所述的喷头，其中，所述外部进料筒上还设置有旋转动力装置。
优选地，在所述喷头上方设置有步进电机，通过在所述喷头上方设置的步进电机实现...

【专利技术属性】
技术研发人员：王剑磊，吴立新，
申请(专利权)人：中国科学院福建物质结构研究所，
类型：发明
国别省市：福建;35