一种原位发泡与挤出一体化3D打印装置及打印方法

本发明属于多功能泡沫陶瓷增材制造，具体涉及一种原位发泡与挤出一体化3d打印装置及打印方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、轻质高强泡沫陶瓷材料是一种重要的结构材料和功能材料，具有轻量化特点和独特的孔结构，在生物医疗、过滤分离及隔热吸能等领域具有广泛的应用前景。结合3d打印技术可以定制仿生材料、超材料等具有变革潜力的新材料。传统工艺通常采用直接发泡法制备颗粒稳定泡沫陶瓷墨水，再将制备完成的泡沫墨水转移至打印料筒，通过气压柱塞或螺杆驱动挤出式3d打印，从而构建具有复杂外形和层级多孔结构的陶瓷构件。

3、然而，泡沫墨水由发泡装置向打印料筒转移装填的过程是影响打印稳定性和构件质量的关键环节。由于颗粒稳定泡沫墨水通常具有较高的表观黏度和较差的流动性，在人工装填过程中难以实现致密填充，容易包裹空气并形成局部空穴。这些空穴在后续挤出过程中会导致料筒内部压力波动，使泡沫细丝出现挤出不连续、流量波动甚至断丝等现象，进而降低打印尺寸精度和结构完整性。针对普通高黏度浆料，通常可采用真空脱泡或离心脱泡等方式去除内部气泡，但对于颗粒稳定泡沫陶瓷墨水，在真空或离心作用下易发生泡沫排液、气泡合并以及奥斯特瓦尔德熟化等失稳现象，导致泡沫结构破坏、孔径分布恶化及流变性能改变。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供了一种原位发泡与挤出一体化3d打印装置及打印方法，解决了现有技术中泡沫陶瓷墨水在发泡装置与打印料筒之间转移装填时引入空穴、破坏泡沫结构稳定性，以及挥发性组分损失导致打印连续性差、成形精度低的问题。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、第一方面，本发明提供了一种原位发泡与挤出一体化3d打印装置，包括发泡腔体、齿条柱塞、旋转主轴、蜗杆和指间联轴器总成，所述指间联轴器总成有两个换挡位置，分别与旋转主轴和蜗杆进行传动配合；所述发泡腔体可作为柱塞筒，其下端设有出料口；所述发泡腔体内设置有旋转主轴，所述旋转主轴上安装有折叠叶片，所述折叠叶片能够在展开位置与收回位置之间切换；所述旋转主轴上还设置有齿条柱塞，齿条柱塞与所述旋转主轴同轴配合，所述齿条柱塞由蜗杆传动机构驱动沿轴向往复运动；

4、所述齿条柱塞上安装有排气阀，所述排气阀设置有排气通道，所述排气通道在发泡腔体压力低于设定值时处于开启状态，在发泡腔体压力升高至设定值时切换至关闭状态；

5、所述旋转主轴内设置有推杆总成，所述推杆总成与所述齿条柱塞机械联动，所述齿条柱塞沿轴向运动时带动所述推杆总成驱使所述折叠叶片在展开位置与收回位置之间切换；以及

6、所述指间联轴器总成在与旋转主轴联轴器指齿配合的位置时与所述旋转主轴传动连接，在与蜗杆联轴器指齿配合的位置时与所述蜗杆传动连接。

7、作为进一步的实现方式，所述排气阀包括气阀下壳体、气阀上壳体、排气柱塞、控气弹簧、下磁铁和上磁铁；所述气阀下壳体通过螺纹连接于所述齿条柱塞上，在柱塞上均布四个，所述控气弹簧连接于所述气阀下壳体下端与所述排气柱塞之间，所述排气柱塞上设有阻尼孔，所述排气柱塞上套设有所述下磁铁和橡胶圈，所述气阀上壳体连接于所述气阀下壳体上方并设有排气孔，所述上磁铁安装于所述气阀上壳体内；所述排气柱塞在所述控气弹簧的弹力作用下保持下移状态使所述排气通道处于开启位置，所述上磁铁与所述下磁铁相对设置，在所述排气柱塞上移至两者吸合位置时将所述排气通道保持关闭状态。

8、作为进一步的实现方式，所述推杆总成包括推杆、挡块和挡块弹簧；所述挡块内设有与所述推杆配合的限位槽，所述挡块弹簧提供使所述挡块向外伸出的弹力，所述挡块的弧形端部在伸出状态下与所述齿条柱塞的内壁形成弧形面接触；所述推杆与所述折叠叶片连接，所述挡块在所述齿条柱塞内壁的驱动下沿轴向位移时，通过所述推杆带动所述折叠叶片在展开位置与收回位置之间切换；所述挡块具有死点位置，所述挡块到达死点位置后能够被压入所述旋转主轴内部。

9、作为进一步的实现方式，所述齿条柱塞的内壁设有上密封圈和下密封圈；所述上密封圈的安装高度高于所述折叠叶片处于收回位置时末端的最高高度；所述下密封圈的安装高度在所述齿条柱塞位于最高端时高于所述旋转主轴的轴肩位置，使所述下密封圈与所述旋转主轴轴体相互脱离。

10、作为进一步的实现方式，所述旋转主轴通过角接触球轴承安装在固定主轴上，所述旋转主轴上端设有联轴器指齿，所述指间联轴器总成与所述旋转主轴上端的联轴器指齿相配合位置时，驱动所述旋转主轴转动；所述固定主轴上端通过角接触球轴承连接所述蜗杆，所述蜗杆下端设有联轴器指齿，所述指间联轴器总成与所述蜗杆下端的联轴器指齿相配合时，驱动所述蜗杆转动。

11、作为进一步的实现方式，所述固定主轴分为上下两段，上下两段之间通过固定联轴器和紧定螺钉可拆卸连接，所述固定主轴下段与所述旋转主轴及与物料接触的部件构成可整体拆卸的清洗单元。

12、作为进一步的实现方式，所述出料口上可拆卸地连接有封闭件，所述封闭件包括堵头和打印针头，所述堵头与所述打印针头能够互换安装于所述出料口上。

13、第二方面，本发明还提供了一种原位发泡与挤出一体化3d打印装置的打印方法，包括以下步骤：

14、发泡步骤：将所述齿条柱塞提升至最高位置，提升过程使所述折叠叶片展开，封闭所述出料口，向所述发泡腔体内加入陶瓷颗粒、表面活性剂和溶液，将所述指间联轴器总成切换至第一位置与所述旋转主轴连接，驱动所述旋转主轴旋转，对腔体内物料进行搅拌发泡，直至形成颗粒稳定的泡沫墨水；

15、排气步骤：将所述指间联轴器总成切换至第二位置与所述蜗杆连接，驱动所述齿条柱塞向下运动，通过所述排气阀排出腔体内多余气体，待腔体压力升高后所述排气阀自动关闭；

16、打印步骤：将所述出料口的堵头更换为打印针头，驱动所述齿条柱塞继续向下运动，所述挡块随齿条柱塞下移，推动推杆使折叠叶片收回，随着齿条柱塞继续下移，挡块推入主轴；齿条柱塞下移过程中，使泡沫墨水经所述打印针头稳定挤出，通过协调所述齿条柱塞运动速度与打印针头移动速度实现连续打印；

17、复位步骤：打印完成后将所述打印针头更换为堵头，驱动所述齿条柱塞向上运动，使腔体内形成负压，所述排气阀在负压作用下复位开启，所述折叠叶片随所述齿条柱塞上移重新展开，直至所述齿条柱塞返回最高位置，装置恢复至发泡初始状态。

18、作为进一步的实现方式，在所述发泡步骤中，驱动所述旋转主轴旋转的转速分阶段提升：首先以第一转速形成陶瓷颗粒悬浮液，加入表面活性剂后依次提升至第二转速和第三转速并分别保持预定时间，根据发泡状态调节体系ph值后提升至第四转速进行充分发泡，直至泡沫墨水体积不再增大。

19、作为进一步的实现方式，在所述排气步骤中，所述齿条柱塞下移接触泡沫墨水后，通过所述排气阀的阻尼孔缓慢排出多余气体；当泡沫墨水将所述排气柱塞的阻尼孔封堵后，腔体压力持续升高，所述排气柱塞上移直至上磁铁与下磁铁吸合，将排气通道保持关闭；在所述复位步骤中，所述齿条柱塞上移使腔体产生负压，所述上磁铁与下磁铁在负压作用下断开吸合，所述排气柱塞在所述控气弹簧作用下复位，排气通道重新开启。

20、与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

21、本发明通过将发泡、储料和挤出过程集成于同一密闭腔体，避免了泡沫墨水在转移装填过程中受到空气引入和机械扰动，有效减少泡沫排液、气泡合并及奥斯特瓦尔德熟化等老化现象，保持了泡孔尺寸、孔隙率及颗粒网络结构的均匀性；通过齿条柱塞与推杆总成的机械联动，实现了折叠叶片随柱塞下移自动收回、随柱塞上移自动展开，无需独立驱动机构；利用指间联轴器总成实现了发泡搅拌与柱塞挤出两种功能的共用驱动，简化了装置机械结构，为泡沫陶瓷增材制造向连续化、自动化方向发展提供了装备基础。

22、本发明由于密闭原位发泡缩短了发泡至打印的时间间隔，减少了乙醇、氨水及酸碱调节剂等挥发性组分的损失，有利于维持浆料的组成、ph值及流变性能稳定，提高了挤出压力稳定性和打印连续性。

23、本发明通过磁力自闭式排气阀结构，能够在挤出前主动排出腔内多余气体，并在腔体压力升高后自动吸合密闭，无需外部控制信号，结构简单可靠。