一種高強度聚合物3D列印設備及方法與流程
2023-10-09 00:18:14 3
本發明涉及一種高強度聚合物3D列印設備及方法，屬於3D列印領域。
背景技術：
3D列印技術是指通過連續的物理層疊加，逐層增加材料來製造三維實體的技術，跟傳統的去除材料加工技術是不一樣的，所以又被成為增材製造(AM，Additive Manufacturing)。3D列印技術現階段主要應用領域有模具製造、藝術創作、產品模型生物工程與醫學等等，通過3D列印技術來代替傳統的精細加工工藝。
3D列印技術目前已經取得了長足的進步，並可以實現彩印。比較出名的3D印表機製造商為美國3D Systems和Stratasys這兩家公司，現階段3D列印正處於迅速發展及整合階段。國內的3D列印起步較慢，發展速度較慢，僅有部分企業開始了3D印表機的生產和銷售。但是國產的3D印表機的產品相對技術含量較低，在列印速度、列印精度以及列印規模等方面很難滿足商業需求。3D列印要想進一步擴展，仍面臨著很多問題：一是成本方面，現在市面所售的3D印表機價格昂貴，對3D列印普及造成一定的困擾。二是列印的材料目前大多都是化學聚合物，製品的局限性較大，而且產品的機械性能較差，安全方面也存在風險。三是在列印速度和精度以及列印效率方面的最優化還沒有解決，提高列印速度就會降低列印精度，從而影響產品合格率，但提高列印精度會導致列印速度降低，從而無法去大規模生產，這兩者之間存在嚴重衝突。
目前能滿足提高列印速度和列印製品強度需求的製備工藝和裝置的文獻和專利報導較少。
本發明中使用的聚合物納米疊層裝置,借鑑的是一項發明專利200910237622.5,將n層高分子熔體疊加，並經過雙向拉伸形成一層具有高度結晶取向的納米疊層薄膜,該納米疊層薄膜具有良好力學性能,對3D列印製品的強度提升起到重要幫助。
本發明基於聚合物納米疊層裝置與3D列印中的薄片分層堆層成型法，通過設計實現聚合物納米疊層薄膜逐層裁剪堆疊，從而獲得高強度製品，同時提高了列印速度，為3D列印在更多領域應用提供了條件。
技術實現要素：
本發明涉及一種高強度聚合物3D列印設備及方法，將疊層裝置與3D列印裝置結合起來，通過3D列印裝置的雷射切割器對疊層裝置生產的納米疊層薄膜進行切割來堆疊，提高了列印速度，減少了冷卻時間，每層薄膜在切割前都會噴塗一層與薄膜材質相同的溶液粘結劑，通過一個壓板將切割後的材料進行壓實，使層與層之間能夠緊密粘結，疊層裝置生產的納米疊層薄膜經疊層和雙向拉伸後其力學性能顯著提高，因此製品具有較高的力學性能。
本發明提出了一種高強度聚合物3D列印設備，其主要組成有：擠出機、料鬥、加熱裝置、疊層器、薄膜定型裝置、張緊輪、薄膜固定裝置、靜電噴膠裝置、雷射切割器、壓板、廢膜收集器和列印平臺，其中擠出機與疊層器相連，疊層器往後的裝置依次是薄膜定型裝置、張緊輪、薄膜固定裝置、靜電噴膠裝置、雷射切割器以及廢膜收集器，雷射切割器的下方是一個可以伸縮的壓板，壓板的下方是列印平臺；薄膜定型裝置、張緊輪、薄膜固定裝置放置在一起，薄膜定型裝置、薄膜固定裝置以及廢膜收集器在將薄膜設定在同一水平面內，薄膜處在同一高度的有疊層器出口、薄膜定型裝置進口，薄膜定型裝置出口、薄膜固定裝置進出口、接收平臺以及廢膜收集器滾輪等與薄膜接觸的部位，疊層器的擠出速度與薄膜定型裝置的運行速度、張緊輪工作時的上升速度、薄膜固定裝置工作時的速度以及廢膜收集器的速度要保持一致，列印平臺在每次切割結束後都會先上升一段距離，使得製品經過壓板擠壓粘結後再下移一定距離。
本發明提出了一種高強度聚合物3D列印設備，其中擠出機與聯軸器通過四個螺栓進行軸向定位，疊層器與聯軸器通過四個螺栓進行軸向定位連接，將供給的聚合物熔體製造成具有結晶取向的納米疊層薄膜，該納米疊層薄膜具有高力學性能，加強了3D列印製品的強度。
本發明提出了一種高強度聚合物3D列印設備，擠出機的電機為步進電機，通過485通訊接口與顯示屏相連接，通過控制擠出機螺杆轉速達到控制層疊擠出片材的速度。薄膜定型裝置為三輥擠壓機，用來調節製備的納米疊層薄膜厚度，使擠出的片材達到所需厚度。
本發明提出了一種高強度聚合物3D列印設備，其列印方法步驟為：
第一步，將聚合物材料添加到料筒中，經擠出機塑化成熔體後，熔體流經疊層器及定型裝置後成為n層薄膜，將n層薄膜雙向拉伸後加工製成具有結晶取向的納米疊層薄膜，納米疊層薄膜經過薄膜定型裝置達到需要厚度；第二步，納米疊層薄膜經過靜止的張緊輪到達薄膜固定裝置，此時膜的製備速度與薄膜定型裝置和薄膜固定裝置的速度相同，薄膜固定裝置能夠在納米疊層薄膜經過靜電噴膠裝置時，噴嘴將相同材質的靜電粘合劑溶液噴淋到薄膜上，待薄膜到達列印平臺，此時薄膜固定裝置停止工作，張緊輪開始上升，雷射切割器迅速切割列印平臺上的薄膜，待切割結束後，壓板從外側到達列印平臺上方，列印平臺上升一定高度，將列印的製品進行擠壓，然後列印平臺下降一定高度，使製品頂端剛好位於薄膜下方，薄膜固定裝置開始工作，張緊輪下降，廢膜收集器開始收集廢膜，此時三者速度相同並大於疊層擠出速度，如此反覆運行直至3D製品被列印出來，然後將製品進行烘乾和後處理。
本發明提出了一種高強度聚合物3D列印方法，其中張緊輪是在薄膜被切割時進行上升運動，其移動精度為0.01mm，避免前邊產生的納米疊層薄膜堆疊在一起，其上升速度與疊層器產出薄膜的速率相同，被切割的薄膜是靜止的，但是疊層器是連續工作的，此時製造出來的薄膜需要張緊輪來進行收集，張緊輪將連續工作與間歇工作連接到了一起。
本發明提出了一種高強度聚合物3D列印方法，其中薄膜固定裝置為雙輥擠壓機，在雷射器切割納米疊層薄膜時靜止不動，起到固定作用，在切割完後運行速度與三輥擠壓機一致，直至新的未切割的納米疊層薄膜覆蓋整個接收平臺後再次停止運動，廢膜收集器的運動狀況與雙輥擠壓機相同，切割結束後列印平臺先上升將製品壓實再向下平移一個薄膜厚度。
本發明提出了一種高強度聚合物3D列印方法，其中層與層之間採用的粘結劑是聚合物材料製備的溶液，使用的溶劑具有較好的揮發性，在溫控條件下具備揮發快，粘結性好的特點，提高了3D列印製品整體力學性能。
本發明提出了一種高強度聚合物3D列印方法，其中通過切割薄膜來縮減列印冷卻時間，不用每層逐點進行列印冷卻，解決了列印速度慢的問題，顯著提高列印速度。
本發明通過將疊層裝置與3D列印裝置結合起來，使得3D列印變得更加便捷，通過疊層器產生的納米疊層薄膜經疊層和拉伸後其力學性能顯著提高，從而使3D列印製品強度增加，而層與層之間通過同材料的溶液粘結劑進行粘結和壓緊，保證製品層與層之間的粘結性，不容易斷開，由於雷射切割器直接切割一層，使產品冷卻時間減少，列印速度提高，這種設備及方法明顯提升了列印速度和製品的強度，解決了現在3D列印速度慢，冷卻時間長，製品強度低的缺點，為新技術的應用提供了更多的空間，從而滿足了不同應用領域對3D列印的不同需求。
附圖說明
圖1是本發明一種高強度聚合物3D列印裝置軸側示意圖；
圖2是本發明一種高強度聚合物3D列印裝置示意圖；
圖3是本發明一種高強度聚合物3D列印裝置俯視示意圖；
圖4是本發明一種高強度聚合物3D列印裝置的薄膜運行軌跡示意圖；
圖5是本發明一種高強度聚合物3D列印裝置的雷射切割部分示意圖；
圖6是本發明一種高強度聚合物3D列印裝置的壓板在外側時的雷射切割部分示意圖；
圖7是本發明一種高強度聚合物3D列印裝置的壓板在裡側時的雷射切割部分示意圖。
1-擠出機，2-料鬥，3-加熱裝置，4-疊層器，5-薄膜定型裝置，6-張緊輪，7-薄膜固定裝置，8-靜電噴膠裝置，9-雷射切割器，10-壓板，11-廢膜收集器，12-列印平臺。
具體實施方式
本發明提出一種高強度聚合物3D列印裝置，其主要組成有：擠出機1、料鬥2、加熱裝置3、三個疊層器4、薄膜定型裝置5、張緊輪6、薄膜固定裝置7、靜電噴膠裝置8、雷射切割器9、壓板10、廢膜收集器11和列印平臺12，各零部件的位置及連接關係如圖1-圖3所示。本發明提出一種高強度聚合物3D列印方法，將聚合物材料添加到料鬥2中，經擠出機1及其加熱裝置3和三個疊層器4，將2層薄膜疊加和雙向拉伸後加工製成128層超薄具有結晶取向的納米疊層薄膜，納米疊層薄膜經過薄膜定型裝置5達到0.5mm的厚度，然後經過靜止的張緊輪6到達薄膜固定裝置7，此時薄膜的製備速度與薄膜定型裝置5和薄膜固定裝置7的速度相同，在納米疊層薄膜經過靜電噴膠裝置8時，噴嘴將相同材質的靜電粘合劑溶液噴淋到薄膜上，然後薄膜到達列印平臺12上方，此時薄膜固定裝置7停止工作，張緊輪6開始上升，雷射切割器9迅速切割列印平臺12上方的薄膜，如圖5-圖7所示，待切割結束後，原本停留在外側的壓板10迅速移到內側，列印平臺12先上升一定高度將製品頂到壓板上進行壓實，然後向下移一定高度，使製品頂端位於整個薄膜下方，此時薄膜固定裝置7開始工作，張緊輪6下降，廢膜收集器11開始收集廢膜，此時三者速度相同並大於疊層擠出速度，如此反覆運行直至3D製品被列印出來，然後將製品進行烘乾和後處理。薄膜運行軌跡示意圖如圖4所示。