一種三維打印方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬3D打印技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種高精度、高效、高適應(yīng)性的三維打印方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 融熔沉積三維打印機(jī)又稱為融熔擠壓快速成型機(jī)，這種打印機(jī)首先將成形零件的 三維實(shí)體模型進(jìn)行分層切片，并將成形零件的截面信息儲(chǔ)存于STL格式文件中；然后，絲材 由供絲機(jī)構(gòu)送至加熱液化管加熱、熔融，使得熔融狀態(tài)的材料在計(jì)算機(jī)控制下，根據(jù)截面信 息由加熱噴頭擠出、沉積在工作臺(tái)上，快速凝固形成一層薄層。一層沉積完成后，工作臺(tái)下 降一個(gè)層(設(shè)定為切片厚度）的高度，再進(jìn)行下一層的沉積，新的一層和前一層自然粘結(jié)在 一起，如此循環(huán)，直到獲得最終成形零件。
[0003] 由于上述成型工藝屬于增材制造，無(wú)需傳統(tǒng)的切削加工機(jī)床和工模具，制備出任 意復(fù)雜形狀的三維幾何實(shí)體，具有高度柔性，材料利用率高，且產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期大大縮短，制 造成本大大降低等優(yōu)點(diǎn)，因此，非常適合新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)研制，被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航空航天、 醫(yī)用等領(lǐng)域。
[0004] 目前傳統(tǒng)的融熔三維打印機(jī)有以下兩個(gè)特點(diǎn)：（1)成型材料為塑料絲料(直徑為 1.75mm)，即采用絲料進(jìn)料方式；（2)采用滾輪副通過(guò)摩擦力將塑料絲料送進(jìn)擠出裝置的加 熱料筒而被逐漸加熱融熔，在絲材送進(jìn)過(guò)程中，位于加熱料筒上段的材料起到類似于活塞 推進(jìn)的作用，把加熱料筒下段處于融熔態(tài)的熔體擠出噴嘴。由此導(dǎo)致的缺點(diǎn)是：（1)成型材 料必須首先制備成絲材(直徑在1.75mm左右），從而對(duì)成型材料的拉伸、延展性、塑性等均有 一定的要求;此外，選用的材料還必須保證制備成絲材后具有足夠的抗彎強(qiáng)度，以實(shí)現(xiàn)依賴 材料絲本身的活塞推進(jìn)作用擠出熔體，因此，限制了成型材料選用的自由度，同時(shí)提高了成 型材料的成本。（2)現(xiàn)有擠出裝置由于摩擦輪輸送力和液化管入口到輪間絲材的抗失穩(wěn)能 力有限，使得成型速度無(wú)法提高，噴頭的走速為30-300mm/s;在熔體擠出過(guò)程中，經(jīng)常發(fā)生 噴嘴堵塞現(xiàn)象，使得噴嘴的直徑為0.1-0.5mm左右，同時(shí)噴嘴出絲滯后和流涎現(xiàn)象無(wú)法克 月艮，從而影響成型件的成型精度和效率，難以實(shí)現(xiàn)高密度工件的高效成型。
[0005] 針對(duì)上述問(wèn)題，有研究者對(duì)三維打印機(jī)裝置進(jìn)行了研究和改進(jìn)，如中國(guó)專利 CN2761402Y(熔體連續(xù)擠出裝置)中，采用融熔擠出連續(xù)設(shè)計(jì)，省去了送絲系統(tǒng)，通過(guò)電機(jī)驅(qū) 動(dòng)螺桿直接將融熔的材料從噴嘴擠出。由于采用螺桿設(shè)計(jì)，擠出力獲得一定提高，因此可以 避免噴嘴堵塞現(xiàn)象，同時(shí)成型材料通過(guò)加料裝置直接加入料筒，使得成型材料無(wú)需預(yù)制成 絲材，不受成型材料形狀限制，增大了材料的可選性。不足之處在于對(duì)于粘度較低的成型 材料，成型過(guò)程中流涎現(xiàn)象無(wú)法避免，而且由于螺桿擠出壓力提高有限，無(wú)法成型粘度高的 高分子材料，如聚碳酸酯、聚苯酚等。又如中國(guó)專利CN1586865A(熱塑性顆粒體材料的快速 成形螺桿擠壓噴頭裝置）中，同樣采用螺桿擠出裝置，主要包括推桿送料機(jī)構(gòu)，蝸輪蝸桿一 級(jí)減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，微型擠壓螺桿噴頭機(jī)構(gòu)和溫控加熱機(jī)構(gòu)。通過(guò)推桿送料機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了顆粒 體的間歇送料;采用小模數(shù)大傳動(dòng)比的蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可使噴頭的裝置結(jié)構(gòu)更緊湊;具 有特殊結(jié)構(gòu)的三段式微型擠壓螺桿能夠?qū)崿F(xiàn)送料、壓縮，融熔和穩(wěn)定技術(shù)的工藝過(guò)程;溫控 和加熱部分用于對(duì)顆粒體的加熱并保持融熔溫度的穩(wěn)定。該裝置同樣不受成型材料形狀限 制，增大了材料的可選性，從而降低材料成本，此外，能夠提高成型速度，減小流涎。不足之 處在于這種噴頭裝置仍然靠螺桿提高擠壓力，無(wú)法成型粘度高的高分子材料，如聚碳酸酯、 聚苯酚等。同時(shí)正由于擠壓力有限，使得噴嘴的直徑為0.3mm，難以實(shí)現(xiàn)高精度成型件的制 備。另外，螺桿擠壓過(guò)程中壓力波動(dòng)較大，使其無(wú)法精確控制擠出量，從而導(dǎo)致出絲不穩(wěn)定， 影響成型件的精度。
[0006] 目前，應(yīng)用于融熔三維打印機(jī)的打印材料主要是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚 乳酸(PLA)、尼龍(PA)等。其中ABS樹(shù)脂是以接枝共聚物為橡膠相和苯乙烯-丙烯腈為基體相 的兩相不均勻系結(jié)構(gòu)，使其兼具有丙烯腈的耐化學(xué)性、耐油性和表面硬度，丁二烯的耐寒性 和韌性，苯乙烯的良好介電性、光澤和加工性等綜合性能，但是其力學(xué)強(qiáng)度不高，且隨著分 子量增加，加工性能下降。而PLA力學(xué)性能差，易發(fā)生脆性斷裂，尤其是在熔融成型過(guò)程中容 易發(fā)生降解，極大的限制了打印制件的使用。而在尼龍材料中，目前使用較多的尼龍12,如 美國(guó)Stratasys公司開(kāi)發(fā)的尼龍12,其主要是由于尼龍12的熔融溫度在尼龍材料中最低，吸 水率和成型收縮率都較小等原因，最適合作為3D打印材料，但是其價(jià)格昂貴，制品力學(xué)性能 較差。然而，其他純尼龍材料由于其分子結(jié)構(gòu)而受到了很大的限制，主要表現(xiàn)在成形溫度 高，成形收縮率大，結(jié)晶速度慢，當(dāng)加工溫度高于熔點(diǎn)后，熔體粘度小和耐熔垂性能差，采用 融熔三維打印技術(shù)打印時(shí)從噴嘴擠出的絲在成形平臺(tái)上容易出現(xiàn)坍塌，同時(shí)層間由于收縮 而產(chǎn)生翹邊，甚至開(kāi)裂等缺陷，從而影響3D打印過(guò)程的順利進(jìn)行及成形件的性能。因此，開(kāi) 發(fā)低成本、高性能的尼龍打印材料具有十分重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了克服已有技術(shù)的不足和缺陷，本發(fā)明提出了一種三維打印方法，本發(fā)明在擠 出裝置中采用螺桿和計(jì)量栗的組合，通過(guò)擠出壓力的提高和擠出流量的精確控制，滿足不 同粘度聚合物的穩(wěn)定打印成型，減小甚至避免成型低粘度聚合物時(shí)的流涎;其次，由于計(jì)量 栗的增壓作用可以有效地提高材料從噴嘴的擠出速度，更快的堆積成型件，從而提高成型 效率，同時(shí)，由于擠出壓力的提高，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)合使用直徑更小的噴孔，從而提高成型制品 的精度，此外，由于使用直徑更小的噴孔，使擠出絲材比表面積大大增加，其冷卻速度增加， 進(jìn)而能夠進(jìn)一步提高成型速度，而成型速度的提高，可以大大增加擠出絲材分子鏈的取向 度，從而達(dá)到提高成型件力學(xué)性能的效果。通過(guò)本發(fā)明的技術(shù)能夠有效提高成型材料選擇 的自由度，降低材料成本，提高成型制作速度、成型件精度及機(jī)械性能等。
[0008] 本發(fā)明的一種三維打印方法，其通過(guò)熔體進(jìn)入一三維打印裝置進(jìn)行打印成品，其 特征在于:所述三維打印裝置包括三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、工作平臺(tái)機(jī)構(gòu)和計(jì)算機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)， 其特征是:所述三維打印機(jī)裝置還包括螺桿擠出機(jī)構(gòu)，所述的工作平臺(tái)機(jī)構(gòu)安裝在三維運(yùn) 動(dòng)機(jī)構(gòu)上;所述計(jì)算機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是用于整機(jī)的自動(dòng)控制與驅(qū)動(dòng)；
[0009 ]所述螺桿擠出機(jī)構(gòu)包括供料筒、螺桿擠出機(jī)、計(jì)量栗和噴頭；
[0010] 所述計(jì)量栗的進(jìn)口連接所述螺桿擠出機(jī)的出口；所述計(jì)量栗的出口連接所述噴頭 的進(jìn)口；
[0011] 所述噴頭由輸送管道、噴嘴、和冷卻裝置構(gòu)成;所述輸送管道一端為所述噴頭的進(jìn) 口，連接所述計(jì)量栗的出口，其另一端安裝所述噴嘴;所述冷卻裝置安裝于所述噴嘴的出口 位置；
[0012] 所述噴嘴至少包括一個(gè)噴絲孔，所述噴絲孔由導(dǎo)孔、錐形過(guò)渡段和噴絲微孔組成， 所述導(dǎo)孔和所述噴絲微孔通過(guò)所述錐形過(guò)渡段連接；
[0013] 所述冷卻裝置為吹風(fēng)裝置，為環(huán)吹風(fēng)裝置或側(cè)吹風(fēng)裝置；
[0014] 所述熔體為由尼龍樹(shù)脂基體和增粘成核劑組成的改性尼龍材料;所述增粘成核劑 是由離子液體和納米碳素填料復(fù)配而成；
[0015] 所述的離子液體由陽(yáng)離子和陰離子組成，其中陽(yáng)離子為烷基咪唑離子，其結(jié)構(gòu)式 如下：
[0017] 其中，為甲基或丁基，R2為甲基、乙基、丙基、異丙基、丁基、仲丁基或異丁基；陰離 子為氯離子或溴離子：
[0018] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案：
[0019] 如上所述的一種三維打印方法，所述三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由X軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、Y軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 和Z軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成;所述X軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括X軸電機(jī)和絲杜導(dǎo)軌組成;所述Y軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包 括Y軸電機(jī)和絲杠導(dǎo)軌組成;所述Z軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括Z軸電機(jī)和絲杠導(dǎo)軌組成;所述X軸支撐 固定在Y軸絲杠螺母上，Y軸支撐固定在成型工作平臺(tái)支撐架上，Z軸豎直固定在基座上;所 述X、Y和Z軸上各有一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)，該電機(jī)均為步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)。
[0020] 如上所述的一種三維打印方法，所述工作平臺(tái)機(jī)構(gòu)由成型工作平臺(tái)、成型工作平 臺(tái)支撐架和調(diào)平螺母組成;所述成型工作平臺(tái)安裝在所述的X軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，具有合適的摩 擦系數(shù)，能夠很好的固定第一層打印材料;所述成型工作平臺(tái)支撐架與所述的Υ軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 固連，同時(shí)與Ζ軸運(yùn)動(dòng)滑塊固接，能夠隨Ζ軸做上下直線運(yùn)動(dòng);所述調(diào)平螺母能夠調(diào)節(jié)成型工 作平臺(tái)的高度，保證成型工作平臺(tái)平面對(duì)噴頭出料口的垂直度要求。
[0021] 如上所述的一種三維打印方法，所述輸送管道末端分成1~6路支管，每路支管端 部安裝一噴嘴，且在每路支管上安裝一截止閥用于控制多噴頭的工作狀態(tài);噴嘴截面形狀 可為圓形、矩形、三角形、菱形中的一種或幾種；
[0022] 所述噴嘴至少包括一個(gè)噴絲孔是指包括1~1000個(gè)噴絲孔;所述噴絲微孔的截面 形狀為圓形、矩形、三角形、菱形、十字形、一字形或Υ形;所述噴絲微孔的出口外接圓直徑為 10~500um;
[0023] 所述噴嘴安裝于轉(zhuǎn)盤(pán);所述冷卻裝置吹風(fēng)的風(fēng)溫為15~25°C，風(fēng)速為0.01~0.1m/ s;所述計(jì)量栗熔體流量為0.1~3000L/h，精度為± 0.1 %。
[0024]如上所述的一種三維打印方法，所述改性尼龍材料的恪融指數(shù)為1~30g/10min， 結(jié)晶度〈20%，熔融溫度<300°C，成形收縮率〈1%;所述尼龍樹(shù)脂基體與所述增粘成核劑的 質(zhì)量比為1.5~9:1;所述增粘成核劑中離子液體與納米碳素填料的質(zhì)量比為10~40 :1;所 述尼龍樹(shù)脂基體為尼龍6、尼龍66、尼龍1010、尼龍46、尼龍6T或尼龍9T中的一種或多種。 [0025]如上所述的一種三維打印方法，所述納米碳素填料為單壁碳納米管、多壁碳納米 管、石墨烯、碳納米纖維中的一種或多種。<