一种硅胶3D打印机及其打印方法与流程

本发明涉及3D打印领域，具体涉及一种硅胶3D打印机及其打印方法。

背景技术：

3D打印技术是近年来快速发展的一种加工制造技术，通过增材制造的方式实现零件的快速制造，具有加工周期短、材料利用率高、可加工具有复杂结构的零件等特点。常见的3D打印技术主要有熔融沉积技术、光固化成型技术、选择性激光烧结技术等，但均无法实现硅胶材料的3D打印。

在中国专利CN201610122318.6的硅胶3D打印机及硅胶产品打印方法中，公开了一种硅胶3D打印机及打印方法，以解决现有技术中无法打印出具有柔和及弹性特性的硅胶产品的技术问题。其技术特点主要有两点：一是打印喷头是通过气动模块控制硅胶的挤出、且对喷头针管有预加热；二是硅胶的固化方式，即通过在打印区域四周设置圆筒状加热器，针对每一层的打印硅胶实时加热固化。

该专利主要存在问题为：硅胶结构的打印过程中需添加必要的支撑结构以完成硅胶打印，而支撑结构的后期去除较为繁琐、进而会影响硅胶结构的表面打印质量。

技术实现要素：

鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种无需添加支撑结构、硅胶结构表面打印质量佳的硅胶3D打印机及其打印方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种硅胶原液，包含以下的组分，以质量百分数计：

基础胶，2.4-59.9wt％，

交联剂，23-69.2wt％，

填充料，10-30wt％，

所述基础胶为以羟基封端的线型聚有机硅氧烷，或者所述基础胶为官能度至少为2的含乙烯基端基或侧基的聚硅氧烷；所述交联剂为硅原子上连有酰氧基或氢原子或羟基的有机硅氧烷，或者所述交联剂为含硅氢键的低聚硅氧烷；所述填充料为补强性或弱补强性填充剂。

优选的，所述补强性或弱补强性填充剂是选自原始粒径为10-50nm且比表面积70-400m²/g的补强性填充剂或是原始粒径为300-1000nm且比表面积在30m²/g以下的弱补强性填充剂。更优选的，所述填充料为白炭黑、炭黑、碳酸钙、石英粉、硅藻土、氧化锌、二氧化钛。

优选的，所述硅胶原液还包括增粘剂，所述增粘剂为硅烷偶联剂。

优选的，所述硅胶原液在25℃条件下粘度值范围为3000-100000cps，固化后的硅胶硬度为0-50A，拉伸强度为1-5MPa，伸长率为170-1200％，撕裂强度为3-26kN/m。

本发明解决其技术问题所采用的另一个技术方案是：

一种硅胶3D打印机，包括运动模块，打印模块和软件控制系统，所述运动模块包括机架，安装在所述机架上沿坐标系方向设置的X轴电动模块、Y轴电动模块、Z轴电动模块和安装在所述Z轴电动模块上的底板模块，所述打印模块包括顺次连接的压力桶、点胶阀和打印喷头，所述打印喷头通过固定板固定在所述Y轴电动模块上，所述底板模块包括固定在所述Z轴电动模块上的打印托板和固定在所述打印托板上的打印槽，所述打印槽内装有硅胶原液，所述硅胶原液完全包裹从所述打印喷头挤出的硅胶固化催化剂，所述软件控制系统对所述X轴电动模块、Y轴电动模块、Z轴电动模块、点胶阀进行通信控制。

优选的，所述硅胶原液由以下成分组成：以重量百分比计算，以羟基封端的线型聚有机硅氧烷，或官能度至少为2的含乙烯基端基或侧基的聚硅氧烷为基础胶，2.4-59.9wt％，以硅原子上连有酰氧基或氢原子或羟基的有机硅氧烷，或含硅氢键的低聚硅氧烷为交联剂，23-69.2wt％，以补强性或弱补强性填充剂为填充料，10-30wt％。

优选的，所述补强性或弱补强性填充剂是选自原始粒径为10-50nm且比表面积70-400m²/g的补强性填充剂或是原始粒径为300-1000nm且比表面积在30m²/g以下的弱补强性填充剂。更优选的，所述填充料为白炭黑、炭黑、碳酸钙、石英粉、硅藻土、氧化锌、二氧化钛。

优选的，所述硅胶原液还包括增粘剂，所述增粘剂为硅烷偶联剂。

优选的，所述X轴电动模块、Y轴电动模块、Z轴电动模块分别包括在X轴马达、Y轴马达、Z轴马达驱动下分别沿着X轴、Y轴、Z轴方向滑动的X滑块、Y滑块、Z滑块，所述打印托板固定在所述Z轴电动模块的所述Z滑块上，所述打印喷头通过所述固定板固定在所述Y轴电动模块的所述Y滑块上。

优选的，所述底板模块还包括在所述打印槽的内壁均匀分布的加热电偶，所述加热电偶通过耐高温粘合剂固定在所述打印槽的内壁。

优选的，所述加热电偶的预热温度是50-120℃，所述硅胶固化催化剂是锡含量为15-35wt％的有机锡化合物或铂金含量为0.1-1wt％的铂化合物及其配合物。

优选的，所述压力桶通过软管与所述点胶阀的进料口相连，所述点胶阀的出料口通过软管与所述打印喷头相连，所述点胶阀的进气口连通压缩空气。

优选的，所述X轴电动模块包括X轴马达、连接块、联轴器、螺杆、光轴滑杆及X滑块，所述连接块被固定在所述机架上，所述X轴马达被固定在所述连接块上，并通过所述联轴器与所述螺杆连接，所述光轴滑杆被固定在所述连接块上，所述X滑块通过所述螺杆上的传动螺纹沿着所述光轴滑杆沿X轴方向运动。

优选的，所述软件控制系统通过所述点胶阀的通信接口控制所述点胶阀的进气口的气压，所述软件控制系统通过控制所述加热电偶对所述底板模块进行通信控制。

优选的，所述点胶阀的进气口的压缩气体气压是0.6-1.5MPa。

优选的，所述打印喷头的内径是0.1-2mm，挤出速度是0.001-1mL/s。

优选的，所述打印喷头在所述软件控制系统对所述X轴电动模块和所述Y轴电动模块的联动控制下的移动速度是0.5-50mm/s。

本发明解决其技术问题所采用的第三个技术方案是：

一种硅胶3D打印机的打印方法，包括下列步骤：

A、软件控制系统根据待打印硅胶产品的模型数据信息将所述硅胶产品划分成若干层；

B、先在打印槽内装上硅胶原液，所述硅胶原液的深度大于待打印硅胶产品的高度；

C、当打印第N层时，所述软件控制系统根据待打印硅胶产品的模型数据信息控制Z轴电动模块的Z轴马达旋转带动Z滑块和固定在所述Z滑块上的底板模块运动到第N层高度，将打印喷头置于所述硅胶原液的液面以下，控制点胶阀在特定压力下将硅胶固化催化剂从压力桶经所述点胶阀在所述打印喷头挤出，通过所述软件控制系统对X轴电动模块和Y轴电动模块的联动控制将打印喷头移动至特定位置，挤出的硅胶固化催化剂与所述打印槽内的所述硅胶原液充分反应后迅速固化，固化后的结构在所述硅胶原液的高粘度支撑下自然成型，完成第N层硅胶结构的打印；随后所述软件控制系统控制所述Z轴电动模块的Z轴马达旋转带动Z滑块和固定在所述Z滑块上的底板模块下降一个层厚的高度，转入第N+1层重复上述步骤打印直至完成该硅胶产品。

优选的，在步骤B中，所述硅胶原液由以下成分组成：以重量百分比计算，以羟基封端的线型聚有机硅氧烷，或官能度至少为2的含乙烯基端基或侧基的聚硅氧烷为基础胶，2.4-59.9wt％，以硅原子上连有酰氧基或氢原子或羟基的有机硅氧烷，或含硅氢键的低聚硅氧烷为交联剂，23-69.2wt％，以补强性或弱补强性填充剂为填充料，10-30wt％。

优选的，所述补强性或弱补强性填充剂是选自原始粒径为10-50nm且比表面积70-400m²/g的补强性填充剂或是原始粒径为300-1000nm且比表面积在30m²/g以下的弱补强性填充剂。更优选的，所述填充料为白炭黑、炭黑、碳酸钙、石英粉、硅藻土、氧化锌、二氧化钛。

优选的，在步骤B中，所述硅胶原液还包括增粘剂，所述增粘剂为硅烷偶联剂；在步骤C中，所述底板模块还包括在所述打印槽的内壁均匀分布的加热电偶，所述加热电偶通过耐高温粘合剂固定在所述打印槽的内壁，通过所述加热电偶对所述硅胶原液进行预热，预热温度是50-120℃，所述硅胶固化催化剂是锡含量为15-35wt％的有机锡化合物或铂金含量为0.1-1wt％的铂化合物及其配合物，所述点胶阀的特定压力是0.6-1.5MPa，所述打印喷头的内径是0.1-2mm，挤出速度是0.001-1mL/s，所述打印喷头在所述软件控制系统对所述X轴电动模块和所述Y轴电动模块的联动控制下的移动速度是0.5-50mm/s。

同现有技术相比，本发明的优点与进步如下：

1、本发明是以打印喷头浸入式的方式，采用高粘度的硅胶原液为打印、支撑材料，再配合硅胶固化催化剂的加速固化作用打印成型，由于高粘度的硅胶原液对固化的硅胶结构具有天然支撑作用，所以打印过程中无需针对悬空的硅胶结构打印相应的支撑结构，打印完成之后将成型的硅胶产品从打印槽中直接取出，并让其表面的硅胶原液自然流淌固化，从而免去了打印硅胶支撑结构，可有效提高硅胶结构打印质量。

2、本发明的通过在打印槽内壁均匀粘贴加热电偶来对硅胶原液进行预热，可以提高固化的效果。

附图说明

图1是硅胶3D打印机的结构示意图；

图2是点胶阀的局部放大图；

图3是X轴电动模块的局部放大图；

图4是底板模块的局部放大图；

图5是打印喷头的局部放大图；

其中，1是机架，2是X轴电动模块，3是Y轴电动模块，4是Z轴电动模块，5是压力桶，6是点胶阀，7是打印喷头，8是底板模块，9是出料口，10是通信接口，11是进料口，12是进气口，13是光轴滑杆，14是螺杆，15是联轴器，16是连接块，17是X轴马达，18是X滑块，19是打印托板，20是打印槽，21是加热电偶，22是固定板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例对本发明进行详细说明。

按照以下组分配制硅胶原液，以质量百分数计：基础胶2.4-59.9wt％，交联剂23-69.2wt％，填充料10-30wt％，所述基础胶为以羟基封端的线型聚有机硅氧烷，或官能度至少为2的含乙烯基端基或侧基的聚硅氧烷；所述交联剂为硅原子上连有酰氧基或氢原子或羟基的有机硅氧烷，或含硅氢键的低聚硅氧烷；所述填充料为补强性或弱补强性填充剂。所述补强性或弱补强性填充剂是选自原始粒径为10-50nm且比表面积70-400m²/g的补强性填充剂或是原始粒径为300-1000nm且比表面积在30m²/g以下的弱补强性填充剂，所述填充料优选为白炭黑、炭黑、碳酸钙、石英粉、硅藻土、氧化锌、二氧化钛。

实施例1：以羟基封端的线型聚有机硅氧烷为基础胶，质量比为46.4wt％；以硅原子上连有酰氧基的有机硅氧烷为交联剂，质量比为23wt％；以原始粒径为300nm、比表面积为29.4m²/g的碳酸钙为填充料，质量比为30wt％；余量为硅烷偶联剂的增粘剂。

得到的硅胶原液混合均匀后25℃下粘度值为54000cps，固化后硅胶硬度(绍尔(A))为50，拉伸强度为：5MPa，伸长率为：170％，撕裂强度为：26kN/m。

实施例2：以羟基封端的线型聚有机硅氧烷为基础胶，质量比为2.4wt％；以硅原子上连有氢原子的有机硅氧烷为交联剂，质量比为69.2wt％；以原始粒径为50nm、比表面积为70m²/g的炭黑为填充料，质量比为27.9wt％；余量为硅烷偶联剂的增粘剂。

得到的硅胶原液混合均匀后25℃下粘度值为3000cps，固化后硅胶硬度(绍尔(A))为40，拉伸强度为：4.3MPa，伸长率为：240％，撕裂强度为：24.1kN/m。

实施例3：以羟基封端的线型聚有机硅氧烷为基础胶，质量比为25.8wt％；以硅原子上连有羟基的有机硅氧烷为交联剂，质量比为58.3wt％；以原始粒径为10nm、比表面积为400m²/g的白炭黑为填充料，质量比为15.8wt％；余量为硅烷偶联剂的增粘剂。

得到的硅胶原液混合均匀后25℃下粘度值为75000cps，固化后硅胶硬度(绍尔(A))为25，拉伸强度为：1.8MPa，伸长率为：460％，撕裂强度为：15.6kN/m。

实施例4：以官能度为2的含乙烯基端基的聚硅氧烷为基础胶，质量比为59.9wt％；以含硅氢键的低聚硅氧烷为交联剂，质量比为26.3wt％；以原始粒径为750nm、比表面积为7.8m²/g的石英粉为填充料，质量比为13.5wt％；余量为硅烷偶联剂的增粘剂。

得到的硅胶原液混合均匀后25℃下粘度值为100000cps，固化后硅胶硬度(绍尔(A))为30，拉伸强度为：1.6MPa，伸长率为：730％，撕裂强度为：8.3kN/m。

实施例5：以官能度为2的含乙烯基侧基的聚硅氧烷为基础胶，质量比为44.5wt％；以含硅氢键的低聚硅氧烷为交联剂，质量比为45wt％；以原始粒径为1000nm、比表面积为1.4m²/g的硅藻土为填充料，质量比为10wt％；余量为硅烷偶联剂的增粘剂。

得到的硅胶原液混合均匀后25℃下粘度值为50000cps，固化后硅胶硬度(绍尔(A))为0，拉伸强度为：1MPa，伸长率为：1200％，撕裂强度为：3kN/m。

实施例6：以官能度为10的含乙烯基侧基的聚硅氧烷为基础胶，质量比为42.5wt％；以含硅氢键的低聚硅氧烷为交联剂，质量比为38.4wt％；以原始粒径为530nm、比表面积为21m²/g的氧化锌为填充料，质量比为18.7wt％；余量为硅烷偶联剂的增粘剂。

得到的硅胶原液混合均匀后25℃下粘度值为45000cps，固化后硅胶硬度(绍尔(A))为35，拉伸强度为：2.9MPa，伸长率为：410％，撕裂强度为：18.4kN/m。

实施例7：以羟基封端的线型聚有机硅氧烷为基础胶，质量比为38.8wt％；以硅原子上连有羟基的有机硅氧烷为交联剂，质量比为39.4wt％；以原始粒径为630nm、比表面积为13.6m²/g的二氧化钛为填充料，质量比为21.8wt％。

得到的硅胶原液混合均匀后25℃下粘度值为43000cps，固化后硅胶硬度(绍尔(A))为35，拉伸强度为：4.0MPa，伸长率为：280％，撕裂强度为：22.9kN/m。

如图1所示，一种硅胶3D打印机，包括运动模块，打印模块和软件控制系统，所述运动模块包括机架1，安装在所述机架1上沿坐标系方向设置的X轴电动模块2、Y轴电动模块3、Z轴电动模块4和安装在所述Z轴电动模块4上的底板模块8，所述打印模块包括顺次连接的压力桶5、点胶阀6和打印喷头7，如图5所示：所述打印喷头7通过固定板22固定在Y轴电动模块3上，如图4所示：所述底板模块8包括固定在所述Z轴电动模块4上的打印托板19和固定在所述打印托板19上的打印槽20，所述底板模块8还包括在所述打印槽20的内壁均匀分布的加热电偶21，所述加热电偶21通过耐高温粘合剂固定在所述打印槽20的内壁。所述打印槽20内装有以羟基封端的线型聚有机硅氧烷，或官能度至少为2的含乙烯基端基或侧基的聚硅氧烷为基础胶，2.4-59.9wt％，以硅原子上连有酰氧基或氢原子或羟基的有机硅氧烷，或含硅氢键的低聚硅氧烷为交联剂，23-69.2wt％，以补强性或弱补强性填充剂为填充料，10-30wt％的硅胶原液，按实际粘度情况适时添加增粘剂，所述硅胶原液完全包裹从所述打印喷头7挤出的硅胶固化催化剂，所述加热电偶21的预热温度是50-120℃，所述硅胶固化催化剂是锡含量15-35wt％的有机锡化合物或铂金含量0.1-1wt％的铂化合物及其配合物。所述软件控制系统对所述X轴电动模块2、Y轴电动模块3、Z轴电动模块4、点胶阀6、加热电偶21进行通信控制。

其中X轴电动模块2、Y轴电动模块3、Z轴电动模块4的构成部件和各个部件间的位置连接关系类似，以X轴电动模块2为例，如图3所示，它包括X轴马达17、连接块16、联轴器15、螺杆14、光轴滑杆13及X滑块18，所述连接块16通过螺钉固定在机架1上，所述X轴马达17通过螺钉固定于连接块16上，通过联轴器15将X轴马达17与螺杆14连接，光轴滑杆13通过螺纹固定在连接块16上，X滑块18可通过螺杆14上的传动螺纹沿着光轴滑杆13向X轴方向运动。

Y轴电动模块3由Y轴马达、Y轴连接块、Y轴螺杆、Y轴联轴器、Y轴光轴滑杆及Y滑块组成，所述Y轴连接块通过螺钉固定在机架1上，所述Y轴马达通过螺钉固定于Y轴连接块上，通过Y轴联轴器将Y轴马达与Y轴螺杆连接，Y轴光轴滑杆通过螺纹固定在Y轴连接块上，Y滑块可通过Y轴螺杆上的传动螺纹沿着Y轴光轴滑杆向Y轴方向运动。

Z轴电动模块4由Z轴马达、Z轴连接块、Z轴螺杆、Z轴联轴器、Z轴光轴滑杆及Z滑块组成，所述Z轴连接块通过螺钉固定在机架1上，所述Z轴马达通过螺钉固定于Z轴连接块上，通过Z轴联轴器将Z轴马达与Z轴螺杆连接，Z轴光轴滑杆通过螺纹固定在Z轴连接块上，Z滑块可通过Z轴螺杆上的传动螺纹沿着Z轴光轴滑杆向Z轴方向运动。

如图2所示，所述压力桶5通过软管与所述点胶阀6的进料口11相连，所述点胶阀6的出料口9通过软管与所述打印喷头7相连，所述点胶阀6的进气口12连通压缩空气，所述软件控制系统通过所述点胶阀6的通信接口10控制点胶阀6的进气口12的气压。

本发明打印硅胶模型采用逐层打印的方式进行，各层工作方式相似，软件控制系统根据待打印硅胶产品的模型数据信息将该硅胶产品划分成若干层，具体以第N层打印为例：先在打印槽20内装上硅胶原液，所述硅胶原液的深度大于待打印硅胶产品的高度；软件控制系统控制加热电偶21的加热温度对所述硅胶原液进行预热，预热温度是50-120℃；软件控制系统根据由计算机辅助设计与制造软件获得的第N层结构高度，控制Z轴电动模块4的Z轴马达旋转，带动Z滑块及其上的底板模块8运动至相应高度，打印喷头7浸没至所述打印槽20中的硅胶原液中，如图2所示：通过点胶阀6的通信接口10控制进气口12调节压缩气体气压(0.6Mpa至1.5MPa)，将锡含量15-35wt％的有机锡化合物或铂金含量0.1-1wt％的铂化合物及其配合物从压力桶5中通过进料口11挤入点胶阀6中，进而从内径为0.1mm至2mm范围内的打印喷头7中挤出，挤出速度范围为0.001mL/s至1mL/s；根据第N层结构的填充扫描路径，软件控制系统控制X轴电动模块2与Y轴电动模块3联动完成打印喷头9的移动，移动速度范围为0.5mm/s至50mm/s；打印出的硅胶固化催化剂与打印槽20中的硅胶原液反应后迅速固化，固化后的结构受到硅胶原液的支撑作用保持在原液中的位置，完成第N层硅胶结构的打印；随后所述软件控制系统控制所述Z轴电动模块4的Z轴马达旋转带动Z滑块和固定在所述Z滑块上的底板模块8下降一个层厚(0.1至0.4mm)的高度，转入第N+1层结构打印，直至该硅胶产品打印完成；由于高粘度的硅胶原液对固化的硅胶结构具有天然支撑作用，所以打印过程中无需针对悬空的硅胶结构打印相应的支撑结构；打印完成之后将该硅胶产品的模型从打印槽20中直接取出，并让其表面的硅胶原液自然流淌固化，最终完成该硅胶产品的模型制造。

最后应当说明的是，以上所述仅为本发明的较佳的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。