[發明專利]一種用于電場驅動噴射多材料3D打印的集成噴頭

在審

• 申請號: 201810726176.3
• 申請日: 2018-07-04
• 公開（公告）號: CN108568966A
• 公開（公告）日: 2018-09-25
• 發明（設計）人: 楊昆;蘭紅波;楊建軍;錢壘;趙佳偉
• 申請（專利權）人: 青島理工大學
• 主分類號: B29C64/112
• 分類號: B29C64/112;B29C64/209;B29C64/314;B29C64/321;B22F3/115;B28B1/00;B33Y30/00;B33Y40/00
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 陳曉敏

本發明公開了一種用于電場驅動噴射多材料3D打印的集成噴頭，通過將混料功能和送料功能的分離，使多材料混合的更加充分和均勻，保證材料在完全混合均勻的前提下進行噴射打印；實現了噴嘴與環形提取電極一體化，即打印噴頭自成一體，利用錐射流模式，可以打印出較高分辨率點和線，其技術方案為：包括打印噴頭，打印噴頭頂部與送料模塊連接，送料模塊與混料模塊連接；混料模塊包括混料筒，混料筒底部設置供料管路與送料模塊連通；送料模塊包括注射筒，注射筒內設置螺桿，螺桿頂部與步進電機連接；打印噴頭包括導電噴嘴，導電噴嘴固定于注射筒底部，導電噴嘴外周設置環形提取電極，導電噴嘴與高壓脈沖電源正極相連，環形提取電極接地。

技術領域

本發明涉及增材制造和多材料3D打印技術領域，特別是涉及一種用于電場驅動噴射多材料3D打印的集成噴頭。

背景技術

隨著科學技術的突飛猛進，大型結構件的輕量化生產，柔性電子產品的高精制造等領域都對材料的性能提出了越來越嚴和越來越多的要求，復合材料由于其優異的性能在各個行業中得到了廣泛的應用，3D打印作為一種新興增材制造方法也被用來研究制造復合材料，因此現有3D打印機應具有如下能力：實現多材料主動混合，增強材料物理、機械等性能；制備多功能梯度材料，并能在各種功能材料打之間精確、不間斷切換；實現高精、高效、高分辨率打印等。

現有的多材料電噴印3D打印方法包括多噴頭方案以及螺桿攪拌方案，然而基于這兩種方案存在諸多不足和局限性。例如，基于多噴頭方案存在：(1)多噴頭結構復雜，設備成本高；(2)噴頭之間需要頻繁切換，打印效率低；(3)無法實現多材料主動混合；(4)受噴頭配置數量的限制，一次性可打印材料種類數量受限。另外，多材料成形噴頭一般采用多個噴頭并行安裝在同一高度，每個噴頭可以處理一種材料，打印過程中一般只有一個噴頭在工作，同一高度處在待命狀態的其他噴頭就可能存在對構建組織成形面的干擾。基于螺桿攪拌方案存在：(5)攪拌腔與打印頭一體化設計，導致多材料混合不充分，打印結構件功能性差；(6)打印過程不能及時補充混合好的材料，打印效率低。因此，現有的多材料電噴印3D打印技術難以實現多材料多尺度結構穩定、高效一體化制造。

電流體動力噴射打印(Electro hydrodynamic Jet Printing，E-jet)是一種基于電流體動力學(EHD)微液滴噴射沉積成形技術，與傳統噴印技術(熱噴印、壓電噴印等)采用“推”方式不同，EHD噴印采用電場驅動以“拉”方式從液錐(泰勒錐)頂端產生極細的射流。打印分辨率不受噴嘴直徑的限制，能在噴嘴不易堵塞的前提下，實現亞微米、納米尺度分辨率復雜三維微納結構的制造。而且可用于電噴印的材料范圍非常廣泛。因此，與現有的3D打印技術相比，電噴印技術具有材料兼容性好(適用材料廣泛，特別是許多高粘度材料)、分辨率高的特點，然而基于電噴印方法同樣存在著諸多不足和局限性：(1)打印高度受限；(2)無法實現共形打印；(3)接收襯底材料受限；(4)氣動供料，無法實現出液量的精確控制。

因此，為了克服現有多材料電噴印3D打印在多材料、宏/微/納多尺度結構一體化制造方面的存在的不足和缺陷，實現“功能驅動的結構、材料、性能設計和制造一體化無縫集成”，將材料、微結構、宏觀結構等設計要素與功能需求目標結合，實現復雜組織結構控形、控性制造(尤其是通過多材料、微結構布置改進優化產品的性能，增加新的功能)，滿足新材料開發、生物醫療、電子產品、組織工程、MEMS、可穿戴電子設備、4D打印等研發和規模化生產的實際需求，迫切需要開發新的多材料、多尺度3D打印工藝和裝備。

發明內容

為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種用于電場驅動噴射多材料3D打印的集成噴頭，通過將混料功能和送料功能的分離，使多材料混合的更加充分和均勻，保證材料在完全混合均勻的前提下進行噴射打印；實現了噴嘴與環形提取電極一體化，即打印噴頭自成一體，利用錐射流模式，可以打印出較高分辨率點和線；實現了多材料、多尺度結構的高精、高效、穩定、一體化制造，提高了3D打印控形、控性的能力。