聚合物基复合材料高分辨3D打印装置的制作方法

本公开属于增材制造和复合材料制造技术领域，涉及一种聚合物基复合材料高分辨3d打印装置。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

3d打印技术是一种通过逐层增加堆积材料来生成三维实体的快速增材制造技术，不但克服了传统减材制造材料浪费问题，而且使产品制造更智能化、精准化和高效化。尤其是涉及到复杂形状的高端制造，3d打印技术显示出了巨大的优越性。聚合物(包括abs、pcl、pla、尼龙、树脂等)因其制造成本低、原材料易成型等优势被广泛应用于3d打印领域，但是受限于化学聚合物的物理特性，塑料3d打印件无法直接作为机械零件或者功能性器件使用，近年发展起来的复合材料制备及打印技术为3d打印聚合物提供了一种全新的解决方案。

在聚合物中添加纳米金属粉、陶瓷粉、石墨烯、碳纳米管、碳纤维粉末等材料可有效改善聚合物的力学性能和物理性能，聚合物复合材料还具有优异的导电、导热、防静电、防渗、电磁屏蔽、电磁吸收等性能，可制作抗静电塑料、电磁屏蔽材料、数字温控发热材料等，在新材料开发、电子器件、生物医学和航空航天领域具有重要的应用价值，极大地拓展了聚合物材料的应用领域。

据发明人了解，目前的聚合物与粉末的制备方式主要包括三种：溶液混合、熔融混合以及原位聚合，其中，溶液混合法最为简单易行，但溶剂去除和回收困难，污染环境；原位聚合法基体与粉末相互作用力强，但聚合反应过程复杂，不易操作；熔融混合法不需要使用溶剂，对环境污染较小，且操作简单，目前，熔融混合法大都采用螺杆搅拌法，包括单螺杆、双螺杆以及多螺杆搅拌，主要利用剪切混合使粉末均匀分散在基体中制备复合材料。

制备得到的复合材料应用至3d打印的工艺主要有喷墨打印成型(inkjet)、熔融沉积成型(fdm)、立体光固化成型(sla)、选择性激光烧结(sls)等工艺，然而，据发明人了解，这些工艺也存在一定的不足与缺陷，具体的，基于inkjet法打印“墨水”粘度受限，且制件强度不高；基于fdm法打印材料形状(主要使用丝材)受限，且成型精度不高；基于sla和sls法价格昂贵，且sla主要适用于光敏树脂，sls对成型粉末的粒度和形状有极高的要求(10-100微米)。

综上，3d打印聚合物在复合材料制备及打印过程中都存在一定的缺点，同时，现有的3d打印聚合物基复合材料的工艺对材料的性能、形状和尺寸都有相对苛刻的要求，材料的种类和形状受限，而且打印材料需要提前加工成需要的尺寸；加工精度低，现有的所有工艺都无法实现微尺度结构的制造，最小特征分辨率难以实现100微米以下，设备和工艺复杂，生产成本高。

技术实现要素：

本公开为了解决上述问题，提出了一种聚合物基复合材料高分辨3d打印装置，本公开能够实现聚合物基复合材料和三维结构一体化制造，且能够实现宏/微尺度结构的一体化打印，实现高精度、高分辨率打印。

本公开中的高分辨，是指分辨率能够达到100微米以下。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种聚合物基复合材料高分辨3d打印装置，包括底板，底板上设置有三维工作台，三维工作台的z轴工作台上安装有打印喷头，x/y轴工作台上设置有打印床，所述打印喷头包括驱动机构、单螺杆、搅拌筒、导电喷嘴、进料装置、多级搅拌筒加热器和导电喷嘴加热器，所述驱动机构与单螺杆连接，能够驱动所述单螺杆进行轴向运动，所述搅拌筒套设在单螺杆外侧，所述导电喷嘴安装在搅拌筒的底部，与高压脉冲电源连接，所述搅拌筒的上端设置有能够向其内部输送物料的进料装置，所述多级搅拌筒加热器包括多个独立的加热器，所述加热器沿轴向依次包覆在搅拌筒上，所述导电喷嘴外围设置有导电喷嘴加热器，所述打印床上设置有加热器，形成打印过程中的分段加热；

所述3d打印装置还设置有控制器，以控制三维工作台的三轴运动、搅拌筒、导电喷嘴和打印床的加热温度、驱动机构和打印喷头的打印动作。

上述技术方案中，打印喷头采用单螺杆熔融挤压式喷头，能够使混料后的打印材料在搅拌筒内进一步被均匀混合，同时，可以利用单螺杆产生的挤压力精确控制材料的挤出，辅助打印过程的成形；不同于传统的气压力等，单螺杆挤出力稳定和调控简单，确保连续稳定打印。另外，利用单螺杆的挤压作用，能够实现打印材料形状不受限，任何混合好的颗粒、粉末、丝材等材料，都可以在单螺杆主动混合喷头内经熔融剪切最终挤出成型。

其次，打印喷头的导电喷嘴还与高压脉冲电源连接，可以采用电场驱动喷射沉积3d打印工艺，一方面具有非常高的打印分辨率，能实现微纳尺度特征结构打印，尤其还具有大面积宏/微/纳跨尺度3d打印的能力；另一方面，可供打印材料种类也非常广泛，尤其适合高粘度聚合物材料(聚合物基复合材料)的打印。

另外，通过设置多个加热器，在搅拌筒和导电喷嘴上形成多段加热，能够更好的保证材料的成型性能。

作为进一步的限定，所述导电喷嘴为金属喷嘴或涂覆导电材料喷嘴，喷嘴内径大小1-1000微米。

经过理论分析和实际试验，发现上述对喷嘴内径参数范围的限定，能够实现高分辨率打印和微尺度打印。

作为进一步的限定，所述多级搅拌筒加热器和导电喷嘴加热器的加热温度范围0-450℃。

作为进一步的限定，所述打印床的加热温度范围为0-120℃。

经过理论分析和实际试验，发现上述参数范围能够对打印过程的温度控制、材料成型有帮助。

作为进一步的限定，所述底板上设置有机架，所述三维工作台包括x、y和z轴工作台，其中，所述x、y轴工作台正交，所述z轴工作台设置于机架上。

当然，三维工作台的具体结构可变，只要满足打印喷头能够相对于打印床三维运动即可。

作为进一步的限定，所述搅拌筒包括密封连接的三段，依次为金属材料段、绝缘导热材料段和金属材料段。

通过在金属材料段之间设置绝缘导热材料段，能够防止与导电喷嘴导通而影响装置其他电子器件。

作为进一步的限定，所述高压脉冲电源能够输出直流、交流和脉冲电压，且能够设置偏压；设置的偏压范围0-2kv连续可调，直流电压0-5kv，输出脉冲直流电压0-±4kv连续可调，输出脉冲频率0hz-3000hz连续可调，交流高压0-±4kv。

作为进一步的限定，所述多级搅拌筒加热器包括至少三个环形加热器，所述环形加热器分别设置在搅拌筒内单螺杆的加料段、压缩段和计量段所对应的位置。

作为进一步的限定，所述打印喷头上通过喷头夹具与z轴工作台连接，所述喷头夹具包括上下两层，上层用来固定步进电机，下层用来固定搅拌筒，夹具背面通过固定件与z轴工作台固定。

控制器的控制方法/控制程序选用已有控制算法即可。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

(1)实现聚合物+粉末复合材料的制备和3d打印成型一体化完成，工艺简单，尤其适用新材料的开发与研究领域，制备复合材料的性能可使用该装置经3d成型后，直接进行力学及热性能等方面的测试，简单可靠。

(2)打印精度高，采用电场驱动喷射沉积3d打印，能实现微尺度特征结构件的制造，尤其是能实现大面积微纳跨尺度功能结构件的制造。

(3)适合的材料种类广泛，可实现粒状、粉状、丝状、片状等多种聚合物材料和无机增强材料的打印，尤其是适合高粘度材料的打印，材料普适性强。

(4)结构简单，精度高，设备成本低，效率高。该单螺杆熔融挤压式喷头可直接安装在三轴运动平台上进行打印，可移植性强。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本实施例聚合物基复合材料高分辨率3d打印装置结构示意图；

图2是本实施例打印喷头结构示意图。

图3是本实施例搅拌筒结构示意图。

图4是本实施例打印原理示意图。

其中，1打印喷头，101步进电机，102联轴器，103单螺杆，104搅拌筒，10401进料口，10402金属材料段，10403绝缘导热材料段，10404金属材料段，105进料装置，106搅拌筒加热器ⅰ，107搅拌筒加热器ⅱ，108搅拌筒加热器ⅲ，109导电喷嘴，1010导电喷嘴加热器ⅳ，1011喷头夹具，2z轴工作台，3机架，4y轴工作台，5x轴工作台，6底板，7打印床，8高压脉冲电源，9控制模块。

901温度控制单元，902电机控制单元，903三轴运动控制单元，904打印控制单元，905辅助单元。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

正如背景技术中所述的，现有的3d打印聚合物基复合材料的工艺对材料的性能、形状和尺寸都有相对苛刻的要求，材料的种类和形状受限，而且打印材料需要提前加工成需要的尺寸；加工精度低，现有的所有工艺都无法实现微尺度结构的制造，最小特征分辨率难以实现100微米以下，设备和工艺复杂，生产成本高。

为解决上述问题，本公开采用以下技术改进：

1、打印喷头采用单螺杆熔融挤压式喷头，利用单螺杆熔融挤压式喷头，具有以下显著的功能：

(1)使混料后的打印材料能进一步被均匀混合；

(2)利用单螺杆产生的挤压力精确控制材料的挤出，辅助打印过程的成形。不同于传统的气压力等，单螺杆挤出力稳定和调控简单，确保连续稳定打印。

(3)打印材料形状不受限。混合好的颗粒、粉末、丝材等材料，都可以在单螺杆主动混合喷头内经熔融剪切最终挤出成型；

2、打印喷头采用单螺杆熔融挤压式喷头和导电喷嘴组合结构，打印喷头的导电喷嘴与高压脉冲电源的正极相连接，结构件打印成型采用电场驱动喷射沉积3d打印工艺。电场驱动喷射沉积3d打印工艺一方面具有非常高的打印分辨率，能实现微纳尺度特征结构打印，尤其还具有大面积宏/微/纳跨尺度3d打印的能力；另一方面，可供打印材料种类也非常广泛，尤其适合高粘度聚合物材料(聚合物基复合材料)的打印；

3、打印喷头采用四级加热，可以精准调控打印温度。螺杆的设计分加料段、压缩段和计量段等分段设计，分别采用多个环形加热器对对应位置加热，导电喷嘴采用加热块单独加热，材料在打印喷头内部受热均匀，逐渐升高，保证材料。

4、设置两种打印模式，第一种打印模式(挤出成形)是直接采用单螺杆挤出成形，用于宏观结构和精度要求不高的特征结构打印，该模式具有较高的打印效率；第二种模式采用电场驱动喷射沉积3d打印工艺(喷射成形)，用于微纳特征结构打印，尤其是利用该模式实现基于微结构结构件的制造。这两种打印模式能够同时兼顾打印效率和打印精度，确保了大面积宏/微/纳跨尺度3d打印的实现。

实施例一，提供一种聚合物基复合材料高分辨率3d打印装置，如图1所示，主要包括打印喷头1、z轴工作台2、机架3、y轴工作台4、x轴工作台5、底板6、打印床7、高压脉冲电源8和控制模块9等。

其中，打印喷头1安装在z轴工作台2上，z轴工作台2固定在机架3上，所述机架3固定在底板6上，x轴工作台5垂直于打印喷头固定在底板6上，所述y轴工作台4固定在x轴工作台5上，所述打印床7固定在y轴工作台4上，高压脉冲电源8通过导线与打印喷头1的导电喷嘴109相连接。所述x轴工作台4和y轴工作台5采用高精度位移工作台，x、y正交放置，可以采用伺服电机、步进电机或者直线电机等。

在本实施例中，x轴的工作行程0-1000毫米，重复定位精度不低于±1微米，绝对定位精度不低于±2微米，最大速度700mm/s，最大加速度500m/s^2。y轴的工作行程0-1000毫米，重复定位精度不低于±1微米，绝对定位精度不低于±2微米，最大速度700mm/s，最大加速度500m/s²。

当然，在其他实施例中，本领域技术人员可以对打印装置的本体结构，如三维工作台的结构进行修改，或使用现有设备，只要满足打印喷头能够相对于打印床三维运动即可。

或者是修改三维/三轴工作台的运动参数或精度参数。

上述属于简单替换，理应属于本公开的保护范围。

打印床7是具有真空吸附和电加热功能平台或者圆台或者其他结构形状，所述加热床温度由加热器ⅴ控制，打印床加热温度范围0-120℃，打印床具有高的平面度，打印时可将基底放置在打印床7上，若在已有实物表面进行打印，可将实物固定于打印床7上再打印。

高压脉冲电源8具有以下功能，输出直流高压；输出交流高压；输出脉冲高压，且能够设置偏压。在本实施例中，设置的偏压范围0-2kv连续可调，直流高压0-5kv，输出脉冲直流电压0-±4kv连续可调，输出脉冲频率0hz-3000hz连续可调，交流高压0-±4kv。

在其他实施例中，本领域技术人员可以根据打印材质和具体打印要求，对上述参数进行适应性的选择或修改。

作为多种实施例中可以共性使用的打印喷头，如图2所示，具体包括步进电机101、联轴器102、单螺杆103、搅拌筒104、进料装置105、搅拌筒加热器ⅰ106、搅拌筒加热器ⅱ107、搅拌筒加热器ⅲ108，导电喷嘴109、导电喷嘴加热器ⅳ1010和喷头夹具1011。步进电机101和单螺杆103通过联轴器102互联，所述单螺杆103安装在搅拌筒104的内部，所述导电喷嘴109安装在搅拌筒104的底部，进料装置105通过螺纹实现与搅拌筒104的连接，搅拌筒加热器i106、搅拌筒加热器ii107、搅拌筒加热器iii108以及导电喷嘴加热器iv1010分别包覆在搅拌筒104和导电喷嘴109外围，喷头夹具1011包括固定板，且固定板分为上下两层，上层用来固定步进电机101，下层用来固定搅拌筒104，夹具1011背面开有螺纹孔，通过螺纹实现与z轴工作台2的固定。

在一些实施例中，进料装置105为漏斗形状，与搅拌筒104呈45°角，方便安装固定与落料。

当然，在其他的部分实施例中，进料装置105可以更改为其他形状，如球状、筒状和柱状等。且与搅拌筒的夹角以及设置位置都可以进行适应性的调整。

搅拌筒加热器ⅰ106、搅拌筒加热器ⅱ107、搅拌筒加热器ⅲ108以及导电喷嘴加热器ⅳ1010的加热温度范围0-450℃。材料在搅拌筒104内不同区域所需及所产热量不同，根据塑化以及压力需求，设置不同温度值。通常喷嘴109温度略高于搅拌筒104温度，便于精准调控材料喷射温度。

导电喷嘴109为金属喷嘴或涂覆导电材料喷嘴，喷嘴内径大小1-1000微米，通过导线与高压脉冲电源8的正极相连接。

作为多种实施例中可以共性使用的搅拌筒，如图3所示，其具体包括进料口10401、金属材料段10402、绝缘导热材料段10403和金属材料段10404，所述搅拌筒104分金属材料段-绝缘导热材料段-金属材料段三段设计，通过螺纹实现密封连接，绝缘导热材料的目的是防止与导电喷嘴109导通而影响装置其他电子器件。所述进料口10401与进料装置105相连通，材料在进料口处受热软化，在螺杆103的螺旋挤压作用下，继续向下运动。

在一些实施例中，如图4所示，导电喷嘴109采用武藏针头，其内径为200μm，安装在搅拌筒104最下端并通过导线与高压电源8正极连接。导电喷嘴104与放置在打印床7上的基底701形成强电场，驱动材料喷射沉积在基底上。

当然，在另外的实施例中，导电喷嘴的尺寸和结构可以进行适应性的修改。

上述实施例中，各部分之间的连接关系，如螺纹连接等，可以换成其他连接方式，在此不再赘述。

作为共性的，在使用上述实施例的装置，实现混合材料和成型结构一体化制造的工作方法，具体包括：

(1)数据准备。绘制三维模型，将模型文件(stl、amf、3mf等)导入切片软件(打印控制单元)，设置打印参数，生成打印路径g代码；

(2)打印初始化。完成打印前的准备工作，具体包括按照复合材料组分配比(体积比或者质量比)手动完成混料，并开启所有加热单元，达到设定温度，打印喷头处于待机状态，各个运动平台处于使能状态，完成整个打印设备的准备和初始化；

(3)打印结构件。主要包括送料、熔融混合和输送挤出，几何成形结构的3d打印。将混合好的复合材料放置到进料装置中，材料在自身重力或者施加外力的作用下向下运动，材料在进料口处初步受热软化，在单螺杆的螺旋挤压作用下，继续向下运动，处在单螺杆与筒壁间隙处的材料受剪切、挤压作用完成混合和输送，混合均匀的复合材料最终被输送至导电喷嘴；然后根据打印几何特征结构的不同，分别采用不同的打印模式。

具体的，对于宏观结构，直接利用打印喷头的单螺杆将打印材料挤出沉积到基底或者已经成形结构上，如果打印的是微尺度特征结构，开启高压脉冲电源，利用电场驱动喷射沉积3d打印工艺将打印材料喷射沉积到基底或者已经成形结构上，并结合x、y工作台的运动，实现几何结构成形。

每层打印完成后，z轴工作台升高一个层厚的高度，再完成下一层结构的打印，重复以上过程，直至完成所有层结构打印完成；

(4)打印完成。各加热器、电机控制单元以及高压电源关闭，x、y、z工作台返回工作台初始打印位置(三轴运动控制单元)，取下打印完成的复合材料结构件。

以实施例一为例，对打印工艺步骤进行具体说明，包括：

步骤1：打印数据文件准备。绘制三维模型，将模型文件(stl、amf、3mf等)导入切片软件(打印控制单元904)，设置打印参数(层厚、填充等参数)，生成打印路径g代码；

步骤2：打印初始化。以热塑性聚合物颗粒+改性粉末共混为例，将a材料和b材料按配比(体积比20％)完成混合，并开启所有加热单元901，达到设定温度，打印喷头1处于待机状态，各个运动平台2、4、5处于使能状态，完成整个打印设备的准备和初始化；

步骤3：打印结构件。(1)送料，将混合好的复合材料放置到进料装置105中，材料在自身重力或者施加外力的作用下向下运动，(2)混料，热塑性聚合物颗粒材料在进料口10401处初步受热软化，在螺杆103的螺旋挤压作用下，继续向下运动，处在单螺杆103与筒壁104间隙处的材料受剪切、挤压作用完成混合和输送，混合均匀的复合材料最终被输送至导电喷嘴109；(3)打印第一层结构，根据该层打印需要使用的工作模式，如果是挤出成形模式，利用打印喷头的单螺杆103挤出打印材料，并根据该层的几何信息，驱动x和y工作台4、5运动，完成该层结构的打印；如果是喷射成形，开启高压脉冲电源8，喷射打印材料，并根据该层的几何信息，驱动y轴工作台4和x轴工作台5运动，完成该层结构的打印；(4)z轴工作台2上升一个层厚的高度，重复以上操作，完成第二层结构的打印；(5)重复以上操作，完成所有层的打印。

步骤4：后处理。打印完成，关闭各加热单元901、电机控制单元902以及高压电源8，z轴工作台2、y轴工作台4、x轴工作台5返回工作台初始打印位置(三轴运动控制单元903)，取下打印完成的复合材料结构件，并根据需要进行相应的后处理等工作诸如去除支撑、表面光整等。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。