光固化噴射納米墨水實現複合材料3d列印方法及印表機與流程
2024-02-19 14:45:15 3
本發明涉及3D列印技術領域，具體涉及一種噴射含有納米顆粒的混合墨水，快速製備高精度、高性能複合材料3D器件的成型方法，及一種微滴噴射3d印表機。
背景技術：
3D列印(three dimensional printing,3DP ) 是快速成形(rapid prototyping, RP) 技術的簡稱，利用材料堆積法快速製造產品的一項先進技術。
目前3D列印的主要技術有：光固化成型（SLA）、熔融沉積成型（FDM）、分層實體加工（LOM）、三維印刷（3DP）、選擇性雷射燒結（SLS）等。
光固化成型（SLA）是利用光敏樹脂在紫外光照射下夠快速固化這一原理進行成型的工藝，它是最早出現的快速成型技術。光固化快速成型採用液態光敏樹脂為製件原料，具有尺寸精度高、表面光滑、可製作任意形狀表面原型製件等優點，但加工設備和加工成本高、對懸臂結構需要採用支撐、成型過程中會產生異味氣體，不適合辦公室環境使。
熔融沉積成型（FDM）是一種將絲狀材料加熱熔化後擠出，堆積成型的一種成型方法。這種成型工藝是將陶瓷粉末和有機粘結劑相混合，使用FDM設備做出陶瓷生胚件，通過燒結後處理得到較高密度的陶瓷件。這種工藝成型可成型多種材料，但是成型的3D器件精度比較差，難以成型結構複雜的零件，垂直方向強度小。
選擇性雷射燒結（SLS）是利用雷射選擇性燒結粉末材料進行成型的技術。這種3D列印技術對於塑料件，雷射完全燒結高分子粉末，最終得到成型件。一般陶瓷的燒結溫度很高，很難用雷射直接燒結，可以先將難熔的陶瓷粉末包覆上高分子粘結劑，雷射熔化粘結劑以燒結各個層，從而制出陶瓷生坯，通過粘結劑去除及燒結等後處理過程，就得到最終的3D陶瓷件。
分層實體製造法（Laminated Object Manufacturing，LOM），是薄片材料疊加工藝，先利用雷射切割薄片材料，然後逐層堆積成型。該工藝具有加工大型實體零件速度快、製件硬度和抗壓性能較好等優點，缺點是製件表面有明顯的臺階紋理、材料耗損較大。
三維列印（3DP）是一種基於微噴射原理，在粉末平面上選擇性噴射溶液，將噴射區域的粉粘結成型的方法，三維印刷技術已成為快速成型行業研究和應用的熱點。三維列印成型的優點主要有造價低、運行和維護成本低、適應於多材料、成型速度快、無需支撐結構；缺點是零件精度和表面質量比較差、製件強度低。
技術實現要素：
為了解決上述問題，本發明光固化噴射納米墨水實現複合材料3d列印方法優點在於：①粉末製備成納米顆粒，然後和光敏樹脂、墨水調節劑等製備成可適合工業3D噴墨印表機使用的墨水，這樣列印出的3D器件的精度非常高，成形尺寸大。②成型過程中使用紫外線光源進行光固化，避免過程中使用雷射等光源進行燒結，節約能源。③本發明可多個工業噴墨列印頭同時噴射，每個噴墨列印頭有幾百個孔成型，成型過程中近似於面成型，成型速度快，而一般的SLS和SLM都是線成型。
④本發明的成型過程中，不需要鋪粉環節，可以使列印速度提高2~3倍，鋪粉過程會影響列印速度。⑤本發明可列印大尺寸陶瓷等高熔點材料的3D器件，一般的3D列印技術DLP、SLS、FDM、粉末粘結成型在列印這些材料3D器件時，受到本身技術的限制，成型尺寸較小 ⑥本發明的成型工藝，材料利用率高，降低生產成本，並且在固化過程中材料可以保持較好的材料穩定性。⑦紫外線光源對列印區域進行固化，通過溫度傳感器實時監測固化區域的溫度，監測列印區域中的納米顆粒墨水固化成型狀態，有效保證產品的特性。
本發明公開的光固化噴射納米墨水實現複合材料3d列印方法，主要包括下面幾個步驟：第一步，配置墨水：配置含納米顆粒與光敏樹脂的納米墨水，將納米墨水加入3D印表機墨盒中。
同時通過計算機三維模型建模，根據列印器件的三維造型將其分成若干層二維圖形；根據每一層的形狀規劃出列印路徑，計算出每層所需材料的用量；結合印表機噴墨列印頭數量，計算每層的列印時間與噴墨列印頭回歸時間，設定紫外線光源開啟時間，開啟的定時時間大於當前層列印時間與噴墨列印頭回歸時間總和。
第二步，列印：採用微滴噴射的方式噴墨列印頭噴射納米墨水，紫外線光源定時啟動，噴墨列印頭列印三維模型的第一層，直到當前層列印完成，噴墨列印頭上升並且回歸到列印初始位置的正上方。
第三步，固化：紫外線光源開啟的定時時間到達後，紫外線光源開啟，紫外線光源的燈光方向沿著第一層的列印路徑進行固化，同時使用紅外線溫度傳感器實時監測固化區域的溫度，監測列印區域中的納米顆粒墨水固化成型狀態，固化結束，紫外線光源關閉。
第四步，按照二、三兩步的方式重複操作逐層列印與固化，直到最後一層光固化完成，成形3D器件。
第五步，成型產品取出。
本發明公開的光固化噴射納米墨水實現複合材料3d列印方法中，納米顆粒為陶瓷粉末、玻璃粉末、尼龍粉末或塑料粉末。成型3D器件的主要材料為陶瓷粉末時，成型前產品需要脫脂燒結，溫度選擇900-1300℃。
本發明公開的光固化噴射納米墨水實現複合材料3d列印方法中，納米顆粒直徑為10~500nm，納米顆粒的大小比較關鍵，陶瓷顆粒的大小保證在列印過程中，噴墨列印頭不會出現堵塞。為有效保證列印模型的化學或物理特性，納米顆粒含量佔納米墨水的比重為70%~90%；為保證模型每層的有效固化，光敏樹脂的含量佔納米墨水的比重為10%~30%。
本發明公開的光固化噴射納米墨水實現複合材料3d列印方法中，配置納米墨水時可加入適當的墨水調節劑；墨水調節劑包括表面活性劑、緩衝劑、金屬螯合劑，墨水調節劑佔納米墨水的比重為0%~5%，其中表面活性劑在配製納米墨水中的作用主要有：保持墨水精細均勻的分散狀態而不發生絮凝；降低表面張力的作用；消泡作用。緩衝劑在配製納米墨水中的作用：調節納米墨水的PH值，納米墨水的pH值對墨水的應用性能有很大的影響。一般情況下, 墨水的PH值要求在 7～9。金屬螯合劑在墨水中的作用是：可以調節墨水的導電率值，導電率的數值是反映墨水中鹽含量的高低。一般墨水中的鹽會損壞墨盒並且在噴墨列印頭處結晶造成堵頭。
本發明公開的光固化噴射納米墨水實現複合材料3d列印方法中，所述的納米墨水噴射的速度為0.1~1000m/s，成型腔內部溫度控制在20~70℃，所述的紫外線光源的功率範圍為0.5-3w，採用照射列印區域的方式固化列印層。
本發明公開的光固化噴射納米墨水實現複合材料3d列印方法中，為了提高列印效率，噴墨列印頭數量為一個或者一個以上，使成型過程中近似於面成型，成型速度快；為了實現均勻列印各層，更好的配合紫外線光固，並且防止噴墨列印頭出現堵頭現象，噴墨列印頭上設有的孔的數量為200個至2000個，形成微滴噴射的效果。
本發明還公開了一種微滴噴射3d印表機，墨盒通過墨路連接副墨盒，副墨盒內安裝設有負壓傳感器和液位傳感器，副墨盒連接列印頭支架上的壓電式微滴噴墨列印頭，列印頭支架下方設有紫外線光源，紫外線光源發光指向基座，照射基座上的列印模型，列印過程中，噴墨列印頭先完成一層墨水的列印噴射，噴墨列印頭列印完成之後就回到零位置後上升，隨後紫外線光源沿著噴墨列印頭移動的路徑固化墨水材料，溫度傳感器實時監測固化區域的溫度，監測列印區域中的納米顆粒墨水固化成型狀態，固化結束，紫外線光源關閉並回到起始位置。印表機底部為基座，基座上安裝有可以升降的列印平臺，噴墨列印頭數量為一個或者一個以上，噴墨列印頭的噴墨列印頭上設有噴射孔。
本發明還公開了一種微滴噴射3d印表機，為了提高列印效率噴墨列印頭數量為一個或者一個以上；為了實現均勻列印各層，更好的配合紫外線光固，並且防止噴墨列印頭出現堵頭現象，噴墨列印頭上設有的孔的數量為200個至2000個，形成微滴噴射的效果。
本發明還公開了一種微滴噴射3d印表機，所述的紫外線光源的功率範圍為0.5-3w。
附圖說明
圖1為光固化噴射納米墨水實現複合材料3d列印方法前三步示意圖。
圖2為一種微滴噴射3d印表機結構示意圖。
具體實施方式
光固化噴射納米墨水實現複合材料3d列印方法通過光固化微滴噴射技術進行3D列印，在壓電式噴墨列印頭在噴射列印過程中，紫外線光源緊接著固化噴射出的納米墨水，實現納米顆粒的熔融、燒結和成型。該成型工藝適合陶瓷、玻璃、尼龍、塑料等材料。本發明解決了現有3D列印技術中材料選擇範圍窄、成型精度差、成型尺寸小、成型速度慢技術問題。
本發明光固化噴射納米墨水實現複合材料3d列印方法優點在於：①粉末製備成納米顆粒，然後和光敏樹脂、墨水調節劑等製備成可適合工業3D噴墨印表機使用的墨水，這樣列印出的3D器件的精度非常高。②成型過程中使用紫外線光源進行光固化，避免過程中使用雷射等光源進行燒結，節約能源。③本發明的是多個工業噴墨列印頭同時噴射，每個噴墨列印頭有幾百個孔成型，成型過程中近似於面成型，成型速度快，而一般的SLS和SLM都是線成型。④本發明的成型過程中，不需要鋪粉環節，可以使列印速度提高2~3倍，鋪粉過程中會影響列印速度。⑤本發明可列印大尺寸的3D陶瓷器件，一般的3D列印技術DLP、SLS、FDM、粉末粘結成型在列印3D陶瓷器件時，受到本身技術的限制，成型尺寸較小 ⑥本發明的成型工藝，材料利用率高，降低生產成本，並且在固化過程中材料可以保持較好的材料穩定性。⑦紫外線光源對列印區域進行固化，通過溫度傳感器實時監測固化區域的溫度，監測列印區域中的納米顆粒墨水固化成型狀態，有效保證產品的特性。
結合附圖1所示，光固化噴射納米墨水實現複合材料3d列印方法主要有如下幾個步驟，第一步，配置墨水：配置含納米顆粒與光敏樹脂的納米墨水，將納米墨水加入3D印表機墨盒中。
同時通過計算機三維模型建模，根據列印器件的三維造型將其分成若干層二維圖形；根據每一層的形狀規劃出列印路徑，計算出每層所需材料的用量；結合印表機噴墨列印頭數量，計算每層的列印時間與噴墨列印頭回歸時間，設定紫外線光源開啟時間，開啟的定時時間大於當前層列印時間與噴墨列印頭回歸時間總和。
第二步，列印：採用微滴噴射的方式噴墨列印頭噴射納米墨水，紫外線光源定時啟動，噴墨列印頭列印三維模型的第一層，直到當前層列印完成，噴墨列印頭上升並且回歸到列印初始位置的正上方。
第三步，固化：紫外線光源開啟的定時時間到達後，紫外線光源開啟，紫外線光源的燈光方向沿著第一層的列印路徑進行固化，同時使用紅外線溫度傳感器實時監測固化區域的溫度，監測列印區域中的納米顆粒墨水固化成型狀態，固化結束，紫外線光源關閉。
第四步，按照二、三兩步的方式重複操作逐層列印與固化，直到最後一層光固化完成，成形3D器件。
第五步，成型產品取出。
納米墨水中用於3D列印的材料加工製備成納米顆粒，為了使其可以適用噴墨列印頭列印，其中納米顆粒的直徑為10~500納米。納米顆粒的大小比較關鍵，顆粒的大小保證在列印過程中，噴墨列印頭不會出現堵塞，納米顆粒為陶瓷粉末、玻璃粉末、尼龍粉末或塑料粉末。
作為一種優選，成型3D器件的主要材料為陶瓷粉末時，最終成型前產品需要脫脂燒結，溫度選擇900-1300℃。
作為一種優選，提高列印效率噴墨列印頭數量為一個或者一個以上；為了實現均勻列印各層，更好的配合紫外線光固，並且防止噴墨列印頭出現堵頭現象，噴墨列印頭上設有的孔的數量為200個至2000個，形成微滴噴射的效果。
配製的納米墨水需要具備粘度低，有較好的流動性，其固化收縮小，減少了固化收縮導致模型變形、翹曲、開裂等。這種納米墨水一方面要適應工業壓電噴墨列印頭噴射列印，一方面要適合紫外線光源固化。為有效保證列印模型的化學或物理特性，納米顆粒含量佔納米墨水的比重為70%~90%；為保證模型每層的有效固化，光敏樹脂的含量佔納米墨水的比重為10%~30%。
本發明提供的方法中，進行三維建模並且將三維實體模型分割為若干層二維圖形，計算出每一層的二維平面的形狀，規劃出列印路徑等工作原理和步驟，與傳統的3D列印工作原理和步驟一致。其中，可省去三維建模的過程，使用現有的三維軟體提供模型。
作為一種優選，配置納米墨水時可加入適當的墨水調節劑；墨水調節劑包括表面活性劑、緩衝劑、金屬螯合劑，墨水調節劑佔納米墨水的比重為0%~5%，其中表面活性劑在配製納米墨水中的作用主要有：保持墨水精細均勻的分散狀態而不發生絮凝；降低表面張力的作用；消泡作用。緩衝劑在配製納米墨水中的作用：調節納米墨水的PH值，納米墨水的pH值對墨水的應用性能有很大的影響。一般情況下, 墨水的PH值要求在 7～9。金屬螯合劑在墨水中的作用是：可以調節墨水的導電率值，導電率的數值是反映墨水中鹽含量的高低。一般墨水中的鹽會損壞墨盒並且在噴墨列印頭處結晶造成堵頭。
作為一種優選，所述的納米墨水噴射的速度為0.1~1000m/s，成型腔內部溫度控制在20~70℃。
作為一種優選，紫外線光源的功率範圍為0.5-3w，採用照射列印區域的方式固化列印層。
按照本發明提供的方法，在固化的過程中通過溫度傳感器實時監測固化區域的溫度，不同配比的列印墨水的所需的固化溫度不同。
在噴墨列印頭在噴射過程中，紫外線光源緊接著固化，實現納米顆粒的融合和成型。該成型工藝適合陶瓷、玻璃、尼龍、塑料等材料。
具體實施例一：
將陶瓷製備為直徑為100±5nm的納米陶瓷粉末，製備的納米陶瓷粉末和光敏樹脂、墨水調節劑混合成納米陶瓷墨水。其中按照光敏樹脂10%、陶瓷粉末88%、墨水調節劑2%混合配製成納米墨水。
根據要列印陶瓷器件的三維造型要求，把三維模型分層切割成若干層二維圖形，根據每一層的形狀規劃出列印路徑，計算出每層所需材料的用量，設定單個噴墨列印頭噴出納米墨水的速度500m/s，噴墨列印頭數量為4個，成型腔溫度為30℃，計算每層列印時間與噴墨列印頭回歸上升時間總和時間T，選用的紫外線光源的功率為1.2W。
噴墨開始，噴墨列印頭噴射納米墨水，經過時間T後停止列印，噴墨列印頭回歸上升，紫外線光源開啟，沿著噴墨列印頭列印路線光固化納米墨水，溫度傳感器實時監測固化區域的溫度，確認固化完成，列印區域中的納米顆粒墨水固化成型後，關閉紫外線光源。每固化一層，平臺下移一層，按上述方式逐層列印，逐層固化，確定最後一層固化成功，獲得三維器件。
進行脫脂燒結，燒結溫度是1200℃，得到最終器件，得到產品平均硬度為75HV，延伸率為3500%，性能優於同樣同樣成份的普通鑄件的硬度50-60HV，延伸率為2500%。
具體實施例二：
將玻璃製備為直徑為300±30nm玻璃粉末，製備的納米陶瓷粉末和光敏樹脂、墨水調節劑混合成納米陶瓷墨水。其中按照光敏樹脂25%、玻璃粉末72%、墨水調節劑3%混合配製成納米墨水。
根據要列印玻璃器件的三維造型要求，把三維模型分層切割成若干層二維圖形，根據每一層的形狀規劃出列印路徑，計算出每層所需材料的用量，設定單個噴墨列印頭噴出納米墨水的速度20m/s，噴墨列印頭數量為6個，成型腔溫度為60℃，計算每層列印時間T，選用的紫外線光源的功率為3W。
噴墨開始，噴墨列印頭噴射納米墨水，經過時間T後停止列印，噴墨列印頭回歸上升，紫外線光源開啟，沿著噴墨列印頭列印路線光固化納米墨水，溫度傳感器實時監測固化區域的溫度，確認固化完成，列印區域中的納米顆粒墨水固化成型後，關閉紫外線光源。每固化一層，噴墨列印頭上升一層列印，平臺不動，按上述方式逐層列印，逐層固化，確定最後一層固化成功，獲得三維器件。
具體實施例三：
將玻璃製備為直徑10~80nm不等的塑料粉末，製備的納米陶瓷粉末和光敏樹脂、墨水調節劑混合成納米塑料墨水。其中按照光敏樹脂15%、塑料粉末80%、墨水調節劑5%混合配製成納米墨水。
根據要列印塑料器件的三維造型要求，把三維模型分層切割成若干層二維圖形，根據每一層的形狀規劃出列印路徑，計算出每層所需材料的用量，設定單個噴墨列印頭噴出納米墨水的速度5m/s，噴墨列印頭數量為1個，成型腔溫度為30℃，計算每層列印時間T，選用的紫外線光源的功率為0.5W。
噴墨開始，噴墨列印頭噴射納米墨水，經過時間T後停止列印，噴墨列印頭回歸上升，紫外線光源開啟，沿著噴墨列印頭列印路線光固化納米墨水，溫度傳感器實時監測固化區域的溫度，確認固化完成，列印區域中的納米顆粒墨水固化成型後，關閉紫外線光源。每固化一層，平臺下移一層，按上述方式逐層列印，逐層固化，確定最後一層固化成功，獲得三維器件。
結合圖2所示，本發明公開了一種微滴噴射3d印表機，一種微滴噴射3d印表機結構中墨盒1通過墨路2連接副墨盒3，副墨盒3內安裝設有負壓傳感器和液位傳感器，副墨盒3連接列印頭支架5上的壓電式微滴噴墨列印頭4，列印頭支架5下方設有紫外線光源6，外線光源6發光向下發光，紫外線光源6的燈頭指向噴墨列印頭正下方，照射基座9上的列印模型。印表機底部為基座9，基座9上安裝有可以升降的列印平臺8，噴墨列印頭4數量為兩個，噴墨列印頭4的噴口上設有噴射孔。
紫外線光源6的燈頭指向噴墨列印頭正下方可沿著列印頭路徑進行固化。
列印過程中，兩個壓電式微滴噴墨列印頭4，一個噴射實體材料7，一個噴射支撐材料10，採用微滴噴射的方式噴墨列印頭4噴射納米墨水，紫外線光源6定時啟動，噴墨列印頭4列印三維模型的第一層，直到當前層列印完成，噴墨列印頭4上升並且回歸到列印初始位置的正上方。紫外線光源6開啟，紫外線光源6的燈光方向沿著第一層的列印路徑進行固化，直到固化完成。列印平臺8在每列印並固化一層墨水後，平臺下降一層，這樣噴墨列印頭和列印平面就會繼續保持固定的高度，一般距離為2-3mm。噴墨列印頭在列印過程中前後左右的移動可以實現列印大尺寸、高精度的模型。
噴墨列印頭4的兩側具有紫外線光源6，紫外線光源6的功率可根據墨水中樹脂的含量進行調節。紫外線光源6會隨著噴墨列印頭4的移動而移動，紫外線光源6固化剛剛列印的區域。
列印固化完成之後的器件，首先要清除去掉支撐材料，然後再要經過表面清潔、脫脂、高溫燒結才能得到性能優異的產品。