一种用于纳米纤维三维构筑的直写式3D打印装置

一种用于纳米纤维三维构筑的直写式3d打印装置
技术领域
1.本发明涉及3d打印技术领域，尤其是涉及一种用于纳米纤维三维构筑的直写式3d打印装置。


背景技术：

2.3d打印技术常被称为增材制造技术，源于二十世纪八十年代，是一项集合计算机、机械、材料和控制的多学科新兴技术，首先画出设计的三维结构模型，再通过计算机对三维结构模型进行切片处理，并规划出每层切片的路径，控制3d打印装置的运动，最终实现打印材料的逐层堆积、直接成型。3d打印技术具有操作简单、成型速度快、材料利用率高、模型尺寸精度高、可制备出结构复杂的模型等特点；在组织工程、航空航天、国防军工、电子工程、生物医药等领域具有广阔的应用前景。
3.目前，3d打印成型技术主要包括分层实体制造(lom)、熔融沉积成型(fdm)、立体平板印刷成型(sla)、直写式打印成型(diw)、数字光处理成型(dlp)、选择性激光烧结成型(sls)、选择性激光熔融成型(slm)。直写式打印成型技术是一种新兴的3d打印技术，将粘性墨水通过一定直径的喷嘴进行挤出成型，可打印出复杂结构的三维工件，此技术可适用于打印多种材料，具有方法简单、低成本等特点，挤出方式主要有气动式、柱塞式、螺杆式、柱塞-螺杆式、气压-螺杆式等。但目前用于直写式打印成型技术的3d打印装置是不连续的，当墨水从料筒完全挤出后，打印的样品若未完成，则需停机将墨水倒入料筒中后再继续开始打印，这不仅会造成打印效率低，而且还会使打印样品的精度降低。
4.因此，亟需开发一种打印效率高、精度高、保证连续供墨的直写式3d打印装置，用于将一维纳米纤维构筑为三维纳米纤维湿凝胶，再经过冷冻干燥和高温处理可获得超轻、超弹的多尺度拓扑结构纳米纤维气凝胶。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于纳米纤维三维构筑的直写式3d打印装置，能够实现在打印过程中墨水连续供应，且能够提高3d打印装置的打印精度和打印效率。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.本发明的目的是提供一种用于纳米纤维三维构筑的直写式3d打印装置，包括3d打印机架、设置于所述3d打印机架上的x-y-z轴运动机构、设置于所述x-y-z轴运动机构上的螺杆式打印喷头、位于螺杆式打印喷头的正下方的打印平台、设置于所述3d打印机架上的储料组件、设置于所述3d打印机架上的控制组件、与所述储料组件连接的空压机。
8.进一步地，所述空压机可位于3d打印机架的左侧、右侧、后面等位置，可根据实际情况放置；所述空压机的出气口处安装第一电磁阀，所述第一电磁阀具有三通口，其中一通口与空压机的出气口连接，另外两个通口分别为第一出气口和第二出气口；所述第一电磁阀用于自动控制空压机气体的输出。
9.进一步地，所述螺杆式打印喷头包括喷头电机、螺杆、螺杆外壳、喷头、进料口；所述进料口处安装第二电磁阀，所述第二电磁阀具有第一进料口和第二进料口，用于向螺杆式打印喷头2内提供墨水。
10.进一步地，所述喷头电机的输出轴与螺杆连接；所述螺杆贯穿螺杆外壳；所述喷头设于螺杆外壳下方；所述进料口设于螺杆外壳上。
11.进一步地，所述储料组件包括储料罐a和储料罐b；所述储料罐a和储料罐b均设置于所述3d打印机架上，所述储料罐a和储料罐b结构相同，用于储存墨水。
12.进一步地，所述储料罐a包括进气口a、料筒a、激光发射器a、激光接收器a、出料口a；所述激光发射器a和激光接收器a设于料筒a下方的两侧，成对称分布；用于监测储料罐中墨水含量是否用完；所述出料口a设于料筒a下方；所述进气口a设于料筒a上方。
13.进一步地，所述储料罐b包括进气口a、料筒a、激光发射器a、激光接收器a、出料口a；所述激光发射器a和激光接收器a设于料筒a下方的两侧，成对称分布；用于监测储料罐中墨水含量是否用完；所述出料口a设于料筒a下方；所述进气口a设于料筒a上方。
14.进一步地，所述一电磁阀的第一出气口通过pu软管与储料罐a的进气口a连接；第一电磁阀的第二出气口通过pu软管与储料罐b的进气口a连接，用于向储料罐内提供压力，将墨水从储料罐中挤出。
15.进一步地，所述第一进料口通过pu软管与储料罐a的出料口a连接，所述第二进料口通过pu软管与储料罐b的出料口a连接，用于向螺杆式打印喷头内提供墨水。
16.进一步地，所述控制组件分别与所述x-y-z轴运动机构、螺杆式打印喷头、空压机、储料组件、第一电磁阀、第二电磁阀、打印平台通信连接。
17.进一步地，所述打印平台位于螺杆式打印喷头的正下方，使用水平传送带作为用于纳米纤维三维构筑的直写式3d打印装置的打印平台，打印平台的运动速度、停留时间、运动距离通过控制组件可精确进行调控。
18.进一步地，所述3d打印机架的形状可为正方形、长方形中的一种，具体形状根据实际情况而定；所述x-y-z轴运动机构包括若干电机和若干滚珠丝杠，所述电机和滚珠丝杠组合使用；x-y-z轴运动机构用于支持螺杆式打印喷头的在x-y-z轴方向的运动。
19.进一步地，所述控制组件将通过设定的参数控制x-y-z轴运动机构，以控制位于x-y-z轴运动机构上的螺杆式打印喷头2的运动轨迹。
20.进一步地，所述储料罐a的激光接收器a接收到储料罐a的激光发射器a的激光时，表示储料罐a中墨水已用完，则将信号反馈给控制组件，控制组件通过控制第一电磁阀自动关闭第一出气口，并自动开启第二出气口，同时控制第二电磁阀关闭第一进料口，开启第二进料口；同理，当检测到储料罐b中墨水用完时，则控制组件通过控制第一电磁阀自动关闭第二出气口，并自动开启第一出气口，同时控制第二电磁阀关闭第二进料口，开启第一进料口。
21.进一步地，所述第一电磁阀、储料组件、第二电磁阀、空压机组成连续供墨机构，保证能够连续向螺杆式打印喷头内供墨。
22.进一步地，所述控制组件按照设定的参数控制打印平台的停留时间、运动速度、运动距离，停留时间与打印产品的时间保持一致，运动距离为两个打印产品间的距离，此打印平台的设计并配合连续供墨机构的设计，可实现连续3d打印，提高3d打印的效率。
23.上述用于纳米纤维三维构筑的直写式3d打印装置的工作原理如下：
24.将激光发射器和激光接收器安装于储料罐下方的两侧，成对称分布，用于监测储料罐中墨水是否用完，其机理是：激光发射器发射激光，当储料罐中存在墨水时，由于墨水阻碍光的穿透，则激光接收器无法接收到激光信号，表示储料罐中存在墨水；当激光接收器收到激光信号时，则表示储料罐中墨水已用完。激光接收器接收到激光信号后，将信号反馈给控制组件，控制组件将发出指令控制电磁阀，关闭已用完墨水储料罐连接的气体和进料口的开关，同时开启另一储料罐的气体和进料口的开关，继续向螺杆式打印喷头内提供墨水。然后向空储料罐中加入墨水，当另一储料罐的墨水用完，则自动利用刚加满墨水的储料罐继续进行供墨，如此重复，实现了连续供墨。本发明中利用水平传送带作为打印平台，当一件打印产品完成后，打印平台将已设定的参数运动一定的距离，螺杆式打印喷头继续在打印平台上打印产品，打印平台的设计配合连续供墨机构的设计，实现了一种可连续打印的直写式3d打印装置，用于将一维纳米纤维构筑为三维纳米纤维湿凝胶，经过冷冻干燥和高温处理获得超轻、超弹的多尺度拓扑结构纳米纤维气凝胶。
25.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
26.1)本技术方案所提供的用于纳米纤维三维构筑的直写式3d打印装置，设置有两个储液罐，通过监测储料罐中墨水含量自动控制开关，交换使用两个储液罐进行供墨，可实现连续性供墨。
27.2)本技术方案所提供的用于纳米纤维三维构筑的直写式3d打印装置，利用传送带作为打印平台，设置打印平台的停留时间与打印产品的时间相同，打印完一个产品后，打印平台根据设定参数运动一定距离并继续开始打印，打印平台的设计配合连续性供墨的设计，可实现直写式3d打印装置的连续性打印，提高直写式3d打印效率。
28.3)本技术方案所提供的用于纳米纤维三维构筑的直写式3d打印装置，具有制备简单、成本低、精度高、效率高、便于加料、可连续性打印等优点，为产业化的应用奠定基础。
附图说明
29.图1为实施例中的一种用于纳米纤维三维构筑的直写式3d打印装置的结构示意图。
30.图2为实施例中的一种用于纳米纤维三维构筑的直写式3d打印装置的螺杆式打印喷头的结构示意图。
31.图3为实施例中的一种用于纳米纤维三维构筑的直写式3d打印装置的储料罐a的结构示意图。
32.图4为实施例中的一种用于纳米纤维三维构筑的直写式3d打印装置的储料罐b的结构示意图。
33.图中标号所示：
34.1、3d打印机架，2、螺杆式打印喷头，3、储料罐a，4、储料罐b，5、第一电磁阀，6、空压机，7、打印平台，2-1、第二电磁阀，2-2、第一进料口，2-3、第二进料口，2-4、喷头电机，2-5、螺杆，2-6、螺杆外壳，2-7、喷头，2-8、进料口，3-1、进气口a，3-2、激光发射器a，3-3、激光接收器a，3-4、出料口a，3-5、料筒a，4-1、进气口b，4-2、激光发射器b，4-3、激光接收器b，4-4、出料口b，4-5、料筒b，5-1、第一出气口，5-2、第二出气口。
具体实施方式
35.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本技术方案中如未明确说明的部件型号、材料名称、连接结构、控制方法等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。
36.实施例
37.如图1～4所示，本实施例提供一种用于纳米纤维三维构筑的直写式3d打印装置，包括3d打印机架1、设置于3d打印机架1上的x-y-z轴运动机构、设置于x-y-z轴运动机构上的螺杆式打印喷头2、位于螺杆式打印喷头2的正下方的打印平台7、设置于3d打印机架1上的储料组件、设置于3d打印机架1上的控制组件、与储料组件连接的空压机6。
38.空压机6可位于3d打印机架的左侧、右侧、后面等位置，可根据实际情况放置；空压机6的出气口处安装第一电磁阀5，第一电磁阀5具有三通口，其中一通口与空压机6的出气口连接，另外两个通口分别为第一出气口5-1和第二出气口5-2；第一电磁阀用于自动控制空压机6气体的输出。本实施例中空压机6选择的是静音无油空压机，最大排风量为118l/min；第一电磁阀5选择的是三通直动式电磁阀。
39.打印平台7位于螺杆式打印喷头2的正下方，使用水平传送带作为用于纳米纤维三维构筑的直写式3d打印装置的打印平台7，打印平台7的运动速度、停留时间、运动距离通过控制组件可精确进行调控。本实施中选用传送带的驱动方式为电动滚筒驱动，调速方式为无级变速，传送带材质为聚氨酯。
40.3d打印机架1的形状可为正方形、长方形中的一种，具体形状根据实际情况而定；x-y-z轴运动机构包括若干电机和若干滚珠丝杠，具体如下：x-y-z轴运动机构包括x轴滚珠丝杠、y轴滚珠丝杠、z轴滚珠丝杠，螺杆式打印喷头2固定于z轴滚珠丝杠的螺母上，z轴滚珠丝杠固定于y轴滚珠丝杠的螺母上，x轴滚珠丝杠固定于x轴滚珠丝杠的螺母上，x轴滚珠丝杠固定于3d打印机架1上，电机和滚珠丝杠组合使用，y轴滚珠丝杠的转动由y轴电机直接或间接驱动，y轴滚珠丝杠的转动由电机直接或间接驱动，z轴滚珠丝杠的转动由z轴电机直接或间接驱动，x轴滚珠丝杠、y轴滚珠丝杠、z轴滚珠丝杠三者相互垂直设置。x-y-z轴运动机构用于支持螺杆式打印喷头2的在x-y-z轴方向的运动。本实施例电机选用伺服电机。
41.螺杆式打印喷头2包括喷头电机2-4、螺杆2-5、螺杆外壳2-6、喷头2-7、进料口2-8；进料口2-8处安装第二电磁阀2-1，第二电磁阀2-1具有第一进料口2-2和第二进料口2-3，用于向螺杆式打印喷头2内提供墨水。本实施例中第二电磁阀2-1选用的是三通直动式电磁阀。
42.喷头电机2-4的输出轴与螺杆2-5连接；螺杆2-5贯穿螺杆外壳2-6；喷头2-7设于螺杆外壳2-6下方；进料口2-8设于螺杆外壳2-6上。
43.储料组件包括储料罐a3和储料罐b4；储料罐a3和储料罐b4均设置于3d打印机架1上，储料罐a3和储料罐b4结构相同，用于储存墨水。本实施例中储料罐a3和储料罐b4材料均选用铝合金，储料罐a3和储料罐b4的体积均为400ml。
44.储料罐a3包括进气口a3-1、料筒a3-5、激光发射器a3-2、激光接收器a3-3、出料口a3-4；激光发射器a3-2和激光接收器a3-3设于料筒a3-5下方的两侧，成对称分布；用于监测储料罐中墨水含量是否用完；出料口a3-4设于料筒a3-5下方；进气口a3-1设于料筒a3-5上方。
45.储料罐b4包括进气口a4-1、料筒a4-5、激光发射器a4-2、激光接收器a4-3、出料口a4-4；激光发射器a4-2和激光接收器a4-3设于料筒a4-5下方的两侧，成对称分布；用于监测储料罐中墨水含量是否用完；出料口a4-4设于料筒a4-5下方；进气口a4-1设于料筒a4-5上方。
46.第一电磁阀5的第一出气口5-1通过pu软管与储料罐a3的进气口a3-1连接；第一电磁阀5的第二出气口5-2通过pu软管与储料罐b4的进气口a4-1连接，用于向储料罐内提供压力，将墨水从储料罐中挤出。
47.第一进料口2-2通过pu软管与储料罐a3的出料口a3-4连接，第二进料口2-3通过pu软管与储料罐b4的出料口a4-4连接，用于向螺杆式打印喷头2内提供墨水。
48.控制组件分别与x-y-z轴运动机构、螺杆式打印喷头2、空压机6、储料组件、第一电磁阀5、第二电磁阀2-1、打印平台7通信连接。
49.控制组件将通过设定的参数控制x-y-z轴运动机构，以控制位于x-y-z轴运动机构上的螺杆式打印喷头2的运动轨迹。
50.储料罐a3的激光接收器a3-3接收到储料罐a3的激光发射器a3-2的激光时，表示储料罐a3中墨水已用完，则将信号反馈给控制组件，控制组件通过控制第一电磁阀5自动关闭第一出气口5-1，并自动开启第二出气口5-2，同时控制第二电磁阀2-1关闭第一进料口2-2，开启第二进料口2-3；同理，当检测到储料罐b4中墨水用完时，则控制组件通过控制第一电磁阀5自动关闭第二出气口5-2，并自动开启第一出气口5-1，同时控制第二电磁阀2-1关闭第二进料口2-3，开启第一进料口2-2。
51.第一电磁阀5、储料组件、第二电磁阀2-1、空压机6组成连续供墨机构，保证能够连续向螺杆式打印喷头2内供墨。
52.控制组件按照设定的参数控制打印平台7的停留时间、运动速度、运动距离，停留时间与打印产品的时间保持一致，运动距离为两个打印产品间的距离，此打印平台7的设计并配合连续供墨机构的设计，可实现连续3d打印，提高3d打印的效率。控制组件包括控制器，控制器为单片机或x86架构、arm架构、risc-v架构处理器中的一种。
53.将本实施例中的用于纳米纤维三维构筑的直写式3d打印装置用于纳米纤维的三维构筑，包括如下步骤：将3d打印纳米纤维墨水装入3d打印机的两个储料罐中进行3d打印，连续获得多尺度拓扑结构的纳米纤维湿凝胶，随后进行冷冻干燥和高温烧结处理，获得超轻、超弹的多尺度拓扑结构纳米纤维气凝胶。其中，打印速度为12mm/s，喷头直径为100μm，挤出压力为0.4mpa；冷冻温度为-50℃，干燥温度为60℃，时间为48h；随后，使用管式炉在n2氛围下，以1℃/min的升温速率升到350℃，并保温40min。
54.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于纳米纤维三维构筑的直写式3d打印装置，其特征在于，包括3d打印机架(1)、设置于所述3d打印机架(1)上的x-y-z轴运动机构、设置于所述x-y-z轴运动机构上的螺杆式打印喷头(2)、位于螺杆式打印喷头(2)的正下方的打印平台(7)、设置于所述3d打印机架(1)上的储料组件、设置于所述3d打印机架(1)上的控制组件、与所述储料组件连接的空压机(6)。2.根据权利要求1所述一种用于纳米纤维三维构筑的直写式3d打印装置，其特征在于，所述空压机(6)的出气口处安装第一电磁阀(5)，所述第一电磁阀(5)具有三通口，其中一通口与空压机(6)的出气口连接，另外两个通口分别为第一出气口(5-1)和第二出气口(5-2)。3.根据权利要求2所述一种用于纳米纤维三维构筑的直写式3d打印装置，其特征在于，所述螺杆式打印喷头(2)包括喷头电机(2-4)、螺杆(2-5)、螺杆外壳(2-6)、喷头(2-7)、进料口(2-8)；所述进料口(2-8)处安装第二电磁阀(2-1)，所述第二电磁阀(2-1)包括第一进料口(2-2)和第二进料口(2-3)；所述喷头电机(2-4)与螺杆(2-5)连接；所述螺杆(2-5)贯穿螺杆外壳(2-6)；所述喷头(2-7)设于螺杆外壳(2-6)下方；所述进料口(2-8)设于螺杆外壳(2-6)上。4.根据权利要求3所述一种用于纳米纤维三维构筑的直写式3d打印装置，其特征在于，所述储料组件包括储料罐a(3)和储料罐b(4)；所述储料罐a(3)和储料罐b(4)均设置于所述3d打印机架(1)上。5.根据权利要求4所述一种用于纳米纤维三维构筑的直写式3d打印装置，其特征在于，所述储料罐a(3)包括进气口a(3-1)、料筒a(3-5)、激光发射器a(3-2)、激光接收器a(3-3)、出料口a(3-4)；所述激光发射器a(3-2)和激光接收器a(3-3)设于料筒a(3-5)下方的两侧，成对称分布；所述出料口a(3-4)设于料筒a(3-5)下方；所述进气口a(3-1)设于料筒a(3-5)上方；所述储料罐a(3)和储料罐b(4)结构相同；所述储料罐b(4)包括进气口a(4-1)、料筒a(4-5)、激光发射器a(4-2)、激光接收器a(4-3)、出料口a(4-4)；所述激光发射器a(4-2)和激光接收器a(4-3)设于料筒a(4-5)下方的两侧，成对称分布；所述出料口a(4-4)设于料筒a(4-5)下方；所述进气口a(4-1)设于料筒a(4-5)上方。6.根据权利要求5所述一种用于纳米纤维三维构筑的直写式3d打印装置，其特征在于，所述第一电磁阀(5)的第一出气口(5-1)与储料罐a(3)的进气口a(3-1)连接；第一电磁阀(5)的第二出气口(5-2)与储料罐b(4)的进气口a(4-1)连接。7.根据权利要求6所述一种用于纳米纤维三维构筑的直写式3d打印装置，其特征在于，所述第一进料口(2-2)与储料罐a(3)的出料口a(3-4)连接，所述第二进料口(2-3)与储料罐
b(4)的出料口a(4-4)连接。8.根据权利要求7所述一种用于纳米纤维三维构筑的直写式3d打印装置，其特征在于，所述控制组件分别与所述x-y-z轴运动机构、螺杆式打印喷头(2)、空压机(6)、储料组件、第一电磁阀(5)、第二电磁阀(2-1)、打印平台(7)通信连接。9.根据权利要求1所述一种用于纳米纤维三维构筑的直写式3d打印装置，其特征在于，所述打印平台(7)为水平传送带。10.根据权利要求1所述一种用于纳米纤维三维构筑的直写式3d打印装置，其特征在于，所述3d打印机架(1)的形状选自正方形、长方形中的一种；所述x-y-z轴运动机构包括电机和滚珠丝杠，所述电机和滚珠丝杠组合使用。

技术总结
本发明涉及一种用于纳米纤维三维构筑的直写式3D打印装置，包括3D打印机架、设置于所述3D打印机架上的X-Y-Z轴运动机构、设置于所述X-Y-Z轴运动机构上的螺杆式打印喷头、位于螺杆式打印喷头的正下方的打印平台、设置于所述3D打印机架上的储料组件、设置于所述3D打印机架上的控制组件、与所述储料组件连接的空压机。与现有技术相比，本发明的用于纳米纤维三维构筑的直写式3D打印装置能够实现在打印过程中墨水连续供应，且能够提高3D打印装置的打印精度和打印效率。印精度和打印效率。印精度和打印效率。


技术研发人员：斯阳 贾煜 张旋 丁彬 俞建勇
受保护的技术使用者：东华大学
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/7/18