CN103407292A - 一种复合微纳三维打印系统 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种复合微纳三维打印系统。包括有工作平台、X轴向导轨、Y轴向导轨、Z轴向导轨、第一导轨承载台及第二导轨承载台、圆盘夹具，圆盘夹具上装设有用于进行传统二维打印的压电式打印喷头、用于进行低精度三维打印的压电式三维打印喷头、用于进行高精度三维打印的电纺三维打印喷头，第一导轨承载台装设在X轴向导轨上做X方向滑动，Y轴向导轨固接在第一导轨承载台上、且与该承载台一起做X方向滑动，第二导轨承载台装设在Y轴向导轨上做Y方向的滑动，Z轴向导轨连接在第二导轨承载台上能做Z方向调整。本发明是一种设置三种不同打印方式的喷头进行切换工作从而实现二维打印，低精度三维打印以及高精度三维打印三种打印方式的复合打印系统。
Description
技术领域
本发明是一种复合微纳三维打印系统，属于复合微纳三维打印系统的创新技术。
背景技术
三维打印机和传统打印机除了打印所用材料有所不同，以及多了Z方向的自由度之外，其余结构基本相同。因此，我们可以将三维打印以及传统二维打印复合起来，形成一种既可以完成三维打印，又可以进行二维打印的多功能打印机，这样更能推进三维打印机的家庭化使用。
传统打印机是一种计算机的输出设备，用来将计算机处理结果打印在相关介质上。三维打印机是快速成型的一种工艺，采用层层堆积的方式分层制作出三维模型，其运动过程类似于传统打印机，只不过传统打印机是把墨水喷涂到纸质介质上形成二维的图形，而三维打印机是把液态光敏树脂材料、熔融的塑料丝、石膏粉等材料通过喷头喷射实现层层堆积叠加形成三维实体。目前，国内外三维打印机的喷头都是沿用的二维结构的设计，其喷嘴直径都是单一尺寸的[1]。
在20世纪80年代中期，SLS被在美国德州大学奥斯汀分校的卡尔Deckard博士开发出来并获得专利，项目由DARPA赞助的。1979年，类似过程由RF Housholder得到专利，但没有被商业化[2]。1995年，麻省理工的E Sachs,M Cima和J Cornie创造了“三维打印”一词[3] [4]。近年来，三维打印技术有了巨大的进步，很多设备都付诸了工业应用，开创了直接数字制造的时代。随着三维打印精度与打印速度的进一步提高，未来三维打印将得到进一步的普及运用[5]。
喷头作为三维打印技术的核心部件，也是核心技术的地方，其技术参数和特性直接影响到三维打印机的工作性能和效率。近年来，国外围绕喷头方面做了很多方面的研究，如提高喷头分辨率，改善工艺提高喷头质量，改善喷墨效果和增强喷射能力[6]。目前，商品化的三维打印机设计中均选择喷绘行业中已应用广泛的喷头。打印喷头中，压电式喷头不依靠加热，对喷射材料有广泛的适应性，且其对液体控制能力强，可达到精度高，更适合基于粉末和粘接剂原理的三维打印机。
高压静电纺丝技术，是国内外最近十几年发展起来的用于制备超细纤维的重要方法。电纺丝技术最早由Formhzls在1934年提出[7]，随后Taylor等人于1964年对静电纺丝过程中带电聚合物的变形提出了泰勒锥这一概念[8]，直到上个世纪90年代人们开始广泛关注电纺丝技术。用静电纺丝技术原理进行工作的喷头进行三维打印，较传统压电式打印喷头，打印精度更高。
发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种有效的利用及节约资源,提高效率的复合微纳三维打印系统。本发明利用静电纺丝原理进行打印，可以实现微纳级别三维快速成型，大幅度提高三维快速成型的成型精度。
本发明的技术方案是：本发明的复合微纳三维打印系统，包括有工作平台、实现工作喷头与工作平面X向相对位置的调整的X轴向导轨、实现工作喷头与工作平面Y向相对位置的调整的Y轴向导轨、实现工作喷头与工作平面Z向相对位置的调整的Z轴向导轨、用于承载喷头并在导轨上做相应滑动的第一导轨承载台及第二导轨承载台、用于转动调整工作喷头的位置的圆盘夹具，圆盘夹具上装设有用于进行传统二维打印的压电式打印喷头、用于进行低精度三维打印的压电式三维打印喷头、用于进行高精度三维打印的电纺三维打印喷头，第一导轨承载台装设在X轴向导轨上做X方向滑动，Y轴向导轨固接在第一导轨承载台上、且与该承载台一起做X方向滑动，第二导轨承载台装设在Y轴向导轨上做Y方向的滑动，Z轴向导轨连接在第二导轨承载台上能做Z方向调整。
上述圆盘夹具上装设的三种喷头按三角形排列。
上述圆盘夹具上装设的三种喷头按等边三角形排列，两两长边之间的夹角为60°。
上述圆盘夹具上装设的三种喷头按等边三角形排列，其中长边和X轴向导轨平行的喷头为当前工作喷头，圆盘夹具在控制器作用下进行相应旋转，每旋转120°，就会切换到另一喷头工作。
上述圆盘夹具上分三个部分分别通过储料盒储存相应的打印材料，其中压电式打印喷头所用的储料盒储存墨水，压电式三维打印喷头所用的储料盒储存聚合物溶液，电纺三维打印喷头所用的储料盒储存聚合物溶液。
本发明是一种设置三种不同打印方式的喷头进行切换工作从而实现二维打印，低精度三维打印以及高精度三维打印三种打印方式的复合打印系统。本复合打印系统采用传统压电式打印喷头作为喷墨喷头是吸纳二维打印，将传统压电式喷头改装作为三维打印喷头实现低精度三维打印，利用高压静电纺丝技术原理用近场纺丝的方法实现三维直接成型实现高精度三维打印。本复合打印系统采用圆盘式可转动夹具完成不同打印方式所用喷头的切换，打印系统总共具有X,Y,Z三个方向的自由度。本发明所提供复合打印系统将不同的打印方式进行合理整合，可以完成一机多用的功能，可以更为有效的利用及节约了资源,提高了效率。此外，本发明利用静电纺丝原理进行打印，可以实现微纳级别三维快速成型，大幅度提高三维快速成型的成型精度。本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的复合微纳三维打印系统。
附图说明
图1为本发明复合打印系统的结构示意图；
图2为本发明喷头组成示意图；
图3为本发明压电式传统打印头工作原理示意图；
图4为本发明压电式三维打印头工作原理示意图；
图5为本发明电纺三维打印头工作原理示意图。
具体实施方式
实施例：
本发明的结构示意图如图1、2、3、4所示，包括有工作平台10、实现工作喷头与工作平面X向相对位置的调整的X轴向导轨1、实现工作喷头与工作平面Y向相对位置的调整的Y轴向导轨3、实现工作喷头与工作平面Z向相对位置的调整的Z轴向导轨5、用于承载喷头并在导轨上做相应滑动的第一导轨承载台2及第二导轨承载台4、用于转动调整工作喷头的位置的圆盘夹具6，圆盘夹具6上装设有用于进行传统二维打印的压电式打印喷头7、用于进行低精度三维打印的压电式三维打印喷头8、用于进行高精度三维打印的电纺三维打印喷头9，第一导轨承载台2装设在X轴向导轨1上做X方向滑动，Y轴向导轨3固接在第一导轨承载台2上、且与该承载台一起做X方向滑动，第二导轨承载台4装设在Y轴向导轨3上做Y方向的滑动，Z轴向导轨5连接在第二导轨承载台4上能做Z方向调整。
在图1中，X轴向导轨1用来完成执行X向运动命令，实现工作喷头与工作平面X向相对位置的调整；Y轴向导轨3用来完成执行Y向运动命令，实现工作喷头与工作平面Y向相对位置的调整；Z轴向导轨5用来完成Z向运动命令，实现工作喷头与工作平面Z向相对位置的调整；第一导轨承载台2及第二导轨承载台4用于承载喷头并在导轨上做相应滑动；圆盘夹具6可以转动调整工作喷头的位置，并在内部分别存储三种不同的打印材料并传输给相应的打印喷头；压电式打印喷头7用于进行传统二维打印；压电式三维打印喷头8用于进行低精度三维打印；电纺三维打印喷头9用于进行高精度三维打印；工作平台10作为打印成型的工作平面。
在图2中，圆盘夹具6下表面将压电式打印喷头7、压电式三维打印喷头8和电纺三维打印喷头9按等边三角形排列，两两长边之间的夹角为60°。其中长边和X轴向导轨1平行的喷头为当前工作喷头，圆盘夹具每旋转120°就会切换到另一喷头工作。
上述圆盘夹具6上分三个部分分别通过储料盒11储存相应的打印材料，其中压电式打印喷头7所用的储料盒11储存墨水，压电式三维打印喷头8所用的储料盒11储存聚合物溶液，电纺三维打印喷头9所用的储料盒11储存聚合物溶液。
上述压电式打印喷头7及压电式三维打印喷头8采用压电式的方法进行打印，喷嘴口处固定有压电片12，根据打印指令将电脉冲信号加在压电片12上。
上述电纺三维打印喷头9采用静电纺丝技术进行打印, 电纺三维打印喷头9的喷针接高压电源13的正极，工作平台10作为接收板接负极。
上述储料盒11与各喷头的喷嘴之间是否处于连通状态通过控制器来控制。
在图3中，储料盒11中储存的墨水接通到打印喷头，根据打印指令随机的将电脉冲信号加在压电片上，压电片12会根据信号的大小频率发生震动，从而将墨水挤压出喷嘴，滴落在记录介质上，完成打印。
在图4中，储料盒11中储存的聚合物溶液接通到打印喷头，根据打印指令随机的将电脉冲信号加在压电片12上，压电片12会根据信号的大小频率发生震动，从而将聚合物溶液挤压出喷嘴，滴落在记录介质上，完成打印。
图5中，由高压注射泵将储料盒中的聚合物溶液注射进喷孔，然后通过高压电源给针头施加高电压，使得在针头附近形成泰勒锥，继续提高电压，就会形成一股极细的喷流，这股喷流在5mm内运动轨迹是线性的，因此我们通过近场成型可以完成高精度的三维成型。
本发明的工作原理如下：压电式传统打印头和压电式三维打印头采用压电式的方法进行打印。喷嘴口处固定有压电片，根据打印指令将电脉冲信号加在压电片上，使其产生电致收缩，从而对喷嘴的压力腔内打印原料产生一个瞬时的压力将打印原料挤压出喷嘴，进行打印。
电纺三维打印头采用静电纺丝技术进行打印。将喷头喷针接高压正极，平台作为接收板接负极。在没加电压时，喷嘴处聚合物溶液在针头由于表面张力和重力的作用呈球状液滴，在电场力作用下，溶液中不同的离子或分子中具有极性的部分将向不同的方向聚集，喷嘴处的液滴表面就会聚集阳离子或分子中的缺电子部分。接通高压电源，在喷嘴处的液滴就会从球状液滴被拉长为锥状，也就是所谓的“泰勒锥”。在此，带电液滴在稳定落下5mm之后产生一个震荡、不稳定的喷射流阶段，因此保持喷头与加工面的距离在5mm之内的位置，在液滴滴落过程中溶剂会迅速挥发，在指定位置最终得到成形的纤维成型。
压电式传统打印头，压电式三维打印头，电纺三维打印头以构成等边三角形的位置固定在圆盘夹具上，两两打印头长边的夹角为60°，通过电路选择长边与X向导轨平行的打印头为工作打印头，三种打印所需原料分开储存在圆盘夹具内。圆盘夹具每旋转120°就可切换到另一种打印喷头进行工作，从而切换打印模式，实现在二维打印，低精度三维打印和高精度三维打印之中选择一种打印模式进行打印。
打印系统由运动控制器来控制其三个自由度的运动。驱动X轴向导轨运动可以调整喷头与工作平台的X向偏移。驱动Y轴向导轨运动可以调整喷头与工作平面的Y向偏移。驱动Z轴向导轨运动可以调整工作喷头与工作平面的间距。
Claims (8)
1.一种复合微纳三维打印系统，其特征在于包括有工作平台（10）、实现工作喷头与工作平面X向相对位置的调整的X轴向导轨（1）、实现工作喷头与工作平面Y向相对位置的调整的Y轴向导轨（3）、实现工作喷头与工作平面Z向相对位置的调整的Z轴向导轨（5）、用于承载喷头并在导轨上做相应滑动的第一导轨承载台（2）及第二导轨承载台（4）、用于转动调整工作喷头的位置的圆盘夹具（6），圆盘夹具（6）上装设有用于进行传统二维打印的压电式打印喷头（7）、用于进行低精度三维打印的压电式三维打印喷头（8）、用于进行高精度三维打印的电纺三维打印喷头（9），第一导轨承载台（2）装设在X轴向导轨（1）上做X方向滑动，Y轴向导轨（3）固接在第一导轨承载台（2）上、且与该承载台一起做X方向滑动，第二导轨承载台（4）装设在Y轴向导轨（3）上做Y方向的滑动，Z轴向导轨（5）连接在第二导轨承载台（4）上能做Z方向调整。
2.根据权利要求1所述的复合微纳三维打印系统，其特征在于上述圆盘夹具（6）上装设的三种喷头按三角形排列。
3.根据权利要求2所述的复合微纳三维打印系统，其特征在于上述圆盘夹具（6）上装设的三种喷头按等边三角形排列，两两长边之间的夹角为60°。
4.根据权利要求3所述的复合微纳三维打印系统，其特征在于上述圆盘夹具（6）上装设的三种喷头按等边三角形排列，其中长边和X轴向导轨平行的喷头为当前工作喷头，圆盘夹具在控制器作用下进行相应旋转，每旋转120°，就会切换到另一喷头工作。
5.根据权利要求1至4任一项所述的复合微纳三维打印系统，其特征在于上述圆盘夹具（6）上分三个部分分别通过储料盒（11）储存相应的打印材料，其中压电式打印喷头（7）所用的储料盒（11）储存墨水，压电式三维打印喷头（8）所用的储料盒（11）储存聚合物溶液，电纺三维打印喷头（9）所用的储料盒（11）储存聚合物溶液。
6.根据权利要求5所述的复合微纳三维打印系统，其特征在于上述压电式打印喷头（7）及压电式三维打印喷头（8）采用压电式的方法进行打印，喷嘴口处固定有压电片（12），根据打印指令将电脉冲信号加在压电片(12)上。
7.根据权利要求6所述的复合微纳三维打印系统，其特征在于上述电纺三维打印喷头（9）采用静电纺丝技术进行打印, 电纺三维打印喷头（9）的喷针接高压电源（13）的正极，工作平台（10）作为接收板接负极。
8.根据权利要求7所述的复合微纳三维打印系统，其特征在于上述储料盒（11）与各喷头的喷嘴之间是否处于连通状态通过控制器来控制。
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