[發(fā)明專利]一種仿生階層通孔材料的3D打印系統(tǒng)與方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110370543.2
• 申請日: 2021-04-07
• 公開（公告）號: CN113085181B
• 公開（公告）日: 2022-03-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周雪莉;劉慶萍;任雷;任露泉;韓志武;李冰倩;宋正義;李桂偉;吳千;王振國;何禹霖;劉昊;楊新宇
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號: B29C64/20
• 分類號: B29C64/20;B29C64/393;B29C64/386;B29C64/314;B29C64/336;B33Y30/00;B33Y50/00;B33Y50/02;B33Y40/00;B33Y40/10
• 代理公司: 長春市四環(huán)專利事務(wù)所(普通合伙) 22103
• 代理人: 張冉昕

1.一種仿生階層通孔材料的3D打印系統(tǒng)，其特征在于，包括：

增材成型制造模塊(1)，其用以控制數(shù)字化造孔擠出模塊在X、Y、Z三維空間內(nèi)運動，實現(xiàn)內(nèi)含宏觀通孔結(jié)構(gòu)擠出單道的三維累積成型；

供料模塊(2)，其用以儲存和輸送打印前驅(qū)體材料及造孔溶液；

實時氣壓輸送模塊(3)，其用以控制壓縮空氣的輸出，進(jìn)而調(diào)節(jié)數(shù)字化造孔擠出模塊內(nèi)所述前驅(qū)體材料系統(tǒng)及造孔溶液的擠出時間、擠出速度及擠出量；

計算機(jī)控制系統(tǒng)(4)，其基于預(yù)定義內(nèi)含打印程序的三維模型，并將可打印模型的結(jié)構(gòu)特征以三維運動代碼的方式傳送至增材成型制造模塊(1)、供料模塊(2)及實時氣壓輸送模塊(3)，以使增材成型制造模塊(1)能夠獲得數(shù)字化造孔擠出模塊擠出的移動軌跡、供料模塊(2)材料輸送量及實時氣壓輸送模塊(3)的氣壓信號；

所述增材成型制造模塊(1)包括：

數(shù)字化造孔擠出模塊，其設(shè)置在增材運動硬件系統(tǒng)(11)的中間部位，與供料模塊(2)、實時氣壓輸送模塊(3)及計算機(jī)控制系統(tǒng)(4)直接相連；

增材運動硬件系統(tǒng)(11)，其用于控制數(shù)字化造孔擠出模塊在X、Y、Z三維空間內(nèi)的運動；

制冷控溫組件(16)，其設(shè)置在增材成型制造模塊(1)的外圍，使數(shù)字化造孔擠出模塊、增材運動硬件系統(tǒng)(11)均位于其內(nèi)部空間，具有制冷控溫的功能；

其中，制冷控溫組件(16)能實現(xiàn)打印環(huán)境溫度的控制，溫度范圍-20℃～室溫；

所述數(shù)字化造孔擠出模塊包括：

機(jī)械運動裝置，其與增材運動硬件系統(tǒng)(11)直接相連，接收增材運動硬件系統(tǒng)(11)輸出的運動信號，控制數(shù)字化造孔擠出模塊的空間運動；

材料擠出筒(12)，其與供料模塊(2)、實時氣壓輸送模塊(3)直接相連，接收實時氣壓輸送模塊(3)的氣壓信號，實現(xiàn)材料系統(tǒng)定時、定點、定量的輸出；并且其外表面環(huán)繞一組加熱恒溫裝置(14)；

機(jī)械造孔結(jié)構(gòu)蓋(15)，其位于材料擠出筒(12)上方同軸位置，并與其直接相連；

其中，所述機(jī)械造孔結(jié)構(gòu)蓋(15)，其下方連接所需若干造孔通道(13)；

其中，所述機(jī)械造孔結(jié)構(gòu)蓋(15)下方的造孔通道(13)的截面為圓形、三角形、四邊形、五邊形，可為其中一種也可是多種幾何截面的組合；

其中，機(jī)械造孔結(jié)構(gòu)蓋(15)接口A通過壓縮氣源接入部(32)與連接壓縮氣源設(shè)備(31)相連，控制材料擠出筒(12)內(nèi)前驅(qū)體材料體系的擠出；

其中，機(jī)械造孔結(jié)構(gòu)蓋(15)接口B通過壓縮氣源接入部(32)與連接壓縮氣源設(shè)備(31)相連，用以造孔溶液的的擠出；

所述供料模塊(2)包括：

造孔溶液儲藏罐(21)，其用以存儲造孔溶液；

造孔溶液輸出裝置(22)，其與機(jī)械造孔結(jié)構(gòu)蓋接口B直接相連，將造孔溶液輸送至造孔通道內(nèi)；

前驅(qū)體材料儲藏罐(23)，其用以存儲前驅(qū)體材料；

前驅(qū)體材料輸出裝置(24)，其與機(jī)械造孔結(jié)構(gòu)蓋接口A直接相連，將前驅(qū)體輸送至材料擠出筒內(nèi)；

所述實時氣壓輸送模塊包括：

壓縮氣源設(shè)備(31)，其能夠產(chǎn)生可調(diào)節(jié)流量的輸出氣源；

壓縮氣源接入部(32)，其一端連接至所述壓縮氣源設(shè)備(31)，其另一端能夠連通至機(jī)械造孔結(jié)構(gòu)蓋(15)接口A及接口B；

所述計算機(jī)控制系統(tǒng)(4)包括：

增材組件，其用以提供所述打印空間以及為所述增材成型制造模塊提供可移動的三坐標(biāo)參數(shù)；

預(yù)定義模塊，其用以設(shè)定一體成型打印體的外形參數(shù)、構(gòu)筑打印體過程的壓縮氣源參數(shù)；

所述打印程序基于三坐標(biāo)參數(shù)、外形參數(shù)、供料參數(shù)和氣源參數(shù)超聲輔助參數(shù)向各執(zhí)行模塊輸出打印信息。

2.一種使用權(quán)利要求1所述仿生階層通孔材料的3D打印系統(tǒng)的仿生階層通孔材料的3D打印方法，其特征在于，包括：

S101，前驅(qū)體材料制備

首先，將二乙烯基苯DVB和二甲基亞砜DMSO以1:3.5～4.7的比例進(jìn)行均勻混合，獲得單體材料；然后，將引發(fā)劑過氧化苯甲酰BPO、聚甲基丙烯酸乙二醇PEGDA600和N，N-二甲基苯胺混合均勻后加入到單體材料中，其中引發(fā)劑過氧化苯甲酰的加入量為單體材料質(zhì)量的1％；聚甲基丙烯酸乙二醇的加入量同樣也為單體材料質(zhì)量的1％；N，N-二甲基苯胺的加入量與引發(fā)劑過氧化苯甲酰的摩爾比為1/1；最后，加入一定量的氣相二氧化硅，通氮氣10～60分鐘去除氧氣；

其中，所述氣相二氧化硅的加入量與所需流體材料粘度密切相關(guān)，所述前驅(qū)體材料粘度為3000-100000cP；

其中，所述造孔溶液為二甲基亞砜DMSO溶液；

S102，宏觀通孔材料樣件的增材制造，具體包括：

步驟1三維模型的構(gòu)建，基于階層多孔材料的預(yù)定義幾何模型和宏觀通孔結(jié)構(gòu)分布模式，建立相關(guān)三維模型，隨后對三維模型進(jìn)行離散化處理；

步驟2階層多孔材料的運動編程，基于預(yù)定義材料模型中的宏觀孔隙分布模式，確定3D打印系統(tǒng)中增材成型制造模塊(1)中增材運動硬件系統(tǒng)(11)的運動代碼及實時氣壓輸送模塊(3)的氣源控制信號；

步驟3將前驅(qū)體材料裝入前驅(qū)體材料儲藏罐(23)，造孔溶液裝入造孔溶液儲藏罐(21)，然后將帶有若干造孔通道的機(jī)械造孔蓋15與材料擠出筒(12)連接組裝，并將壓縮氣源通過壓縮氣源接入部(32)接入機(jī)械造孔蓋15接口A及接口B，用以控制前驅(qū)體材料及造孔溶液的擠出；

步驟4宏觀通孔結(jié)構(gòu)材料樣件的增材成型，按照步驟2中獲得增材成型制造模塊(1)的運動代碼及實時氣壓輸送模塊(3)的氣源控制信號，將內(nèi)含豐富孔徑分布的材料系統(tǒng)沉積在成型平臺上；

其中，所述宏觀通孔材料樣件的增材成型中，增材成型制造模塊(1)中制冷控溫組件(16)將打印環(huán)境溫度控制在-10℃～-25℃，而材料擠出筒(12)外圍環(huán)繞的加熱恒溫裝置(14)將材料擠出筒(12)內(nèi)的溫度控制在25℃～40℃，巨大的溫度差異使材料從材料擠出筒擠出后瞬間被固化，最大程度地保證了宏觀通孔結(jié)構(gòu)的完整；

其中，所述材料擠出筒外圍環(huán)繞的加熱恒溫裝置(14)未包裹擠出頭位置；

S103，后處理：首先，將打印單道內(nèi)內(nèi)含宏觀通孔結(jié)構(gòu)的打印樣件旋轉(zhuǎn)90°，置于-10℃～-25℃密閉環(huán)境70～100h；然后，取出置于室溫條件下0.3h～0.5h，待二甲基亞砜DMSO晶體融化，用酒精及去離子水洗滌、去除未反應(yīng)殘留物；最后，放入45～60℃烘箱內(nèi)干燥至恒重。