[發明專利]一種梯度聚合物復合材料3D打印方法及設備

在審

• 申請號: 202011226038.2
• 申請日: 2020-11-05
• 公開（公告）號: CN112537031A
• 公開（公告）日: 2021-03-23
• 發明（設計）人: 孫靖堯;張曉文;張豪;李東泰;吳大鳴;莊儉;黃堯;許紅;劉穎
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: B29C64/336
• 分類號: B29C64/336;B29C64/343;B29C64/314;B29C64/209;B29C64/245;B29C64/393;B33Y10/00;B33Y30/00;B33Y40/00;B33Y40/10;B33Y50/02;B33Y70/10
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發明公開了一種梯度聚合物復合材料3D打印方法及設備，該方法能夠實現所打印材料混合比例的定量控制，和噴頭處復合材料填料濃度的快速切換，從而靈活、快速地實現濃度梯度可控的復合材料3D打印。其配套設備包括構建在微流控芯片上的進料流道、分料流道、混合流道和出料流道。各個進料流道并列布置，聚合物基體和復合材料在混合流道內充分混合，從單一出料流道流出，經由噴頭擠出所述濃度梯度可控的聚合物復合材料，最后經由打印平臺完成三維結構的定型，最終獲得聚合物復合材料制品。利用該方法及設備加工得到的復合材料制品可以在柔性電極、傳感器、熱管理材料、承載材料、介電彈性體驅動器、納米摩擦發電機等諸多領域進行應用。

技術領域

本發明涉及一種聚合物復合材料3D打印領域，特別是涉及一種濃度梯度可控的聚合物復合材料的3D打印機。

背景技術

近年來，3D打印技術開始應用于汽車、建筑、醫療、生物等領域。但是由于打印方式和材料等方面的原因，3D打印技術并未廣泛應用于國民生產生活中。

在現有技術中很難實現多組分多材料的3D打印，特別是含有填料相的復合材料。在現有技術下，通常采用多個打印噴頭分別打印不同的材料，對不同的材料進行組裝得到濃度梯度可控的聚合物復合材料，從而形成完整的3D打印制品。CN201811587788.5公開了一種梯度結構聚合物納米復合材料及其制備方法。該制備方法，包括如下步驟：(1)采用改性的靜電紡絲法制備具有梯度結構的復合無紡布；所述復合無紡布包括聚合物復合納米纖維和或聚合物納米纖維；所述的聚合物復合納米纖維以聚合物為主體纖維骨架，納米填料分散在所述主體纖維中；(2)對所述復合無紡布依次進行熱壓和熱處理，即可得到所述梯度結構聚合物納米復合材料。該方法實現了梯度結構復合材料的制備，納米填料在復合材料內部連續梯度變化，且梯度方向可調，同時該梯度復合材料具有優異的介電性能和極高的性能穩定性。CN201811059823.6提出了一種利用3D打印形成梯度復合材料的方法，包括如下步驟：提供聚乳酸粉末；將聚乳酸粉末溶于乙醇，并向其中加入甘油，超聲攪拌后干燥，得到改性聚乳酸粉末；提供醋酸纖維素粉末、短切碳纖維以及碳酸鈣晶須；將醋酸纖維素粉末、短切碳纖維以及碳酸鈣晶須放入硅烷偶聯劑的乙醇溶液，攪拌得到混合物III；以第一配比將混合物III與改性聚乳酸粉末混合，得到混合物IV；以第二配比將混合物III與改性聚乳酸粉末混合，得到混合物V；將混合物IV擠出成型，得到第一類復合材料顆粒；將混合物V擠出成型，得到第二類復合材料顆粒；將第一類復合材料顆粒成型為梯度復合材料基體；以及將第二類復合材料顆粒成型在梯度復合材料基體上以形成梯度復合材料。CN201520129215.3公開了一種聚合物多組分梯度3D打印擠出裝置。其采用螺桿式擠噴裝置與柱塞式送料裝置相結合的結構，與傳統的聚合物3D打印擠出裝置相比，可實現復雜組分制件的3D打印，可以很容易實現打印具有材料組分梯度的制件，甚至實現聚合物彩色3D打印；克服現有技術在多組分打印、梯度打印機彩色打印領域的缺陷。整個結構簡單，成本低廉，使用效果理想。

復合材料3D打印，是快速成型技術的一種，可通過程序控制、逐層打印的方式構造物體。復合材料3D打印是在復合材料加工制造過程中的重要方法。

發明內容

本發明的主要目的在于克服現有技術的不足，提供了一種濃度梯度可控的聚合物復合材料3D打印機，能定量控制打印材料的混合比例，通過一些外接控制系統和微流控芯片，實現噴頭出口處復合材料填料濃度的快速改變，從而靈活、快速地實現濃度梯度可控的聚合物復合材料3D打印。

為實現上述目的，本發明采用的具體技術方案：

一種梯度聚合物復合材料3D打印方法，該方法能夠實現所打印材料混合比例的定量控制，和噴頭處復合材料填料濃度的快速切換，從而靈活、快速地實現濃度梯度可控的復合材料3D打印。

為實現上述方法，其配套設備包括：

進料裝置：包括進料流道和分料流道。各個進料流道并列布置，其中，進料流道至少兩個，每個進料流道均具有多條分料流道。