一种基于直写式多材料复合3D打印系统及方法与流程

技术特征：
1.一种基于直写式多材料复合3d打印系统及方法，其特征在于，包括：3d打印模块(1)，其通过控制多材料复合打印喷头在三维空间内运动，生成3d打印构件，实现多材料的复合打印功能；材料供应系统(2)，其作用是存储不同的打印材料，并用以3d打印模块(1)的多材料实时供应；气泵系统(3)，用于材料供应系统(2)和3d打印模块(1)的气压供应，控制3d打印过程中各种材料的挤出量和挤出速度；计算机控制系统(4)，用以控制整个多材料直写式3d打印系统的运行，其首先通过控制气泵系统(3)给材料供应系统(2)以及3d打印模块(1)输送稳定气压，使得材料供应系统(2)可以按既定比例进行材料的输送到3d打印模块(1)，然后再通过控制三维运动系统(15)的运动轨迹及3d打印喷头(11)的多材料挤出速度，实现系统多种材料的复合打印。2.根据权利要求1所述的一种基于直写式多材料复合3d打印系统及方法，其特征在于，所述3d打印模块还包括：3d打印喷头(11)，3d打印喷头(11)可以随着三维运动系统(15)在三维空间内任意移动，其3d打印喷头(11)可在打印过程中实现实时变速运动，速度范围为0.1mm/s～5000mm/s；其中，3d打印喷头(11)所输出材料温度，由温度控制模块(16)进行控制；其中，3d打印喷头(11)结构内置一种薄壁内芯结构(112)；其中，所述薄壁内芯结构(112)为三角形、圆形、正方形、菱形等任意几何结构的排列组合；其中，所述薄壁内芯结构(112)可将a材料(111)与b材料(113)隔开，使各材料体系在3d打印喷头(11)内独立存在；打印固定装置(12)，其用于固定支撑3d打印模块(1)中的所有结构，保证其系统的稳定性；3d打印平台(14)，其用于支撑打印构件(13)，并保证其相对位置的精准度；其中，所述3d打印平台(14)可以为二维成型基板，也可以为可控变径旋转成型轴；其中，所述可控变径旋转成型轴是由外层整体伸缩橡胶膜(141)、若干个分段伸缩变径圆筒结构(142)、独立液压推动装置(143)及成型固定装置(144)组成；其中，所述可控变径旋转成型轴是由若干分段伸缩变径圆筒结构(142)组合而成，可根据成型需求，预先改变各分段伸缩变径圆筒结构(142)的轴向直径，实现变直径对称结构的成型；其中，所述可控变径旋转成型轴也可根据成型需求，改变每段分段伸缩变径圆筒结构(142)的径向长度，从而实现对成型样件成型外貌的优化调整；其中，所述可控变径旋转成型轴可沿轴向整体顺时针或逆时针变速旋转，其旋转速度范围为6r/min～600r/min；其中，所述伸缩变径圆筒结构的半径由独立液压推动装置(143)的压力确定；其中，所述独立液压推动装置(143)也可变换为机械推动或者气压推动；其中，所述外层整体伸缩橡胶膜(141)是由大伸缩比的橡胶材料制备而成，整体包覆可控变径旋转成型轴，当其中所述伸缩变径圆筒结构的直径发生变化时，外层整体伸缩橡胶
膜外形也可随形发生转变；三维运动系统(15)，控制3d打印喷头(11)可以在三维空间内任意运动；加热模块(16)，控制3d打印喷头(11)中各个材料的加热温度，使材料可以在喷头内流动顺畅；物料组合传输管道(17)，其用于连接3d打印喷头(11)与组合材料接收模块(19)；其中，物料组合传输管道(17)由机械设计而成，不同材料在其中由物理结构分开，且物料组合传输管道(17)可以随着3d打印喷头(11)在空间内任意移动；组合材料接收模块(19)，固定于组合材料接收模块固定装置(18)之上，并与材料供应系统(2)、气泵系统(3)相连；其中，组合材料接收模块(19)与材料供应系统(2)直接相连，可接收来自材料供应系统(2)不同材料体系，然后通过物料组合传输管道(17)的不同通道输送到3d打印喷头(11)；其中，组合材料接收模块(19)内的各材料体系可通过气泵系统(3)独立控制物料组合传输管道(17)内相关材料体系的输送速率，每种材料体系在组合材料接收模块(19)内相互之间独立存在，通过机械结构分开。3.如权利要求1所述的一种基于直写式多材料复合3d打印系统及方法，其特征在于，所述材料供应系(2)统包括：材料a存储罐(21)、材料b存储罐(22)及材料c存储罐(23)；其中，所述材料供应系统(2)与气泵系统(3)及计算机控制系统(4)直接相连，且材料供应系统(2)的各材料体系均可通过气泵系统(3)及计算机控制系统(4)独立控制输送；其中，材料a存储罐(21)通过a材料输装置(24)把a材料体系输送到组合材料接收模块(19)的a材料入孔中；，其中，材料b存储罐(22)通过b材料输装置(25)把b材料体系输送到组合材料接收模块(19)的b材料入孔中；其中，材料c存储罐(23)通过c材料输装置(26)把c材料体系输送到组合材料接收模块(19)的c材料入孔中；其中，材料供应系统(2)由两个及两个以上材料存储罐组成，且每个材料存储罐所存储的材料存储各的材料体系可各不相同。4.如权利要求1所述的一种基于直写式多材料复合3d打印系统及方法，其特征在于，所述气泵系统(3)还包括：信号控制系统(31)，其用于接收计算机控制系统控制指令，然后通过气压输出口(32)对每种材料进行压力控制；其中，气压输出口(32)与每种材料输送管道单独相连，分别控制。5.如权利要求1所述的一种基于直写式多材料复合3d打印系统及方法，其特征在于，所述计算机控制系统(4)还包括：计算机控制系统(4)通过控制气泵系统(3)来控制材料存储系统每种材料的输出速率及输出顺序，通过传输管道输送到组合材料接收模块(19)；计算机控制系统(4)通过软件控制3d打印模块(1)中的三维运动系统(15)按照一定轨迹进行空间三维运动；计算机控制系统(4)可以控制温度控制模块(16)进行材料的温度控制。
6.一种基于直写式多材料复合3d打印方法，其特征在于，包括：s101、打印材料选择打印材料可选a、b、c三种不同的材料体系用于直写式多材料复合打印；其中，所述a、b、c材料体系可以为单一均质材料，也可为由多种材料混合而成共混材料或复合材料；其中，所述单一均质材料、共混材料及复合材料内基质材料的组分可以为高分子聚合物如丙烯腈
‑
丁二烯
‑
苯乙烯塑料类、聚碳酸酯类、尼龙类、聚碳酸酯和丙烯腈
‑
丁二烯
‑
苯乙烯共聚物和混合物、热塑性塑料材料、聚砜材料等、光敏树脂如somos next材料、树脂somos 11122材料、somos 19120材料和环氧树脂等及橡胶类材料等；所述复合材料的增强材料可以为金属颗粒、陶瓷颗粒、碳纤维、玻璃纤维、尼龙纤维等；其中，所述a材料(111)为喷头多材料的最外层材料，主要作用为使得b材料及c材料完全包覆在a材料内侧，可以为具有一定流变学特性及保形能力的熔/溶体、胶体或者悬浮液等，或在一定的温度、紫外光、湿度等固化条件下，迅速固化保形；其中，所述b材料(113)与c材料(114)为打印喷头的内层材料，可为具有导电、导热、增强等特性的功能性材料；其中，所述b材料(113)与c材料(114)中的一种可为永久液体状材料，其它材料包覆在其外侧；其中，a材料内侧可以有一种以上的不同材料复合而成，每种材料最终形状由喷头的机械物理结构决定，喷头内各个通道的材料各不相同；s102，多材料复合构件制作，具体包括：步骤1，三维模型构建，根据需求建立三维立体模型，然后对模型进行离散化处理；步骤2，材料选择，根据构件性能需求及打印工艺条件，选择最优的打印材料及打印喷头结构形状；步骤3，多材料复合打印的运动编程，结合多材料复合构件的实际情况，确定3d打印模块(1)的运动代码及气泵系统(3)的控制信号；步骤4，将材料放入供料供应系统(2)，将a材料(111)、b材料(113)与c材料(114)分别放入材料a存储罐(21)、材料b存储罐(22)、材料c存储罐(23)内，并将压缩气源通过气压输出口(32)接入a材料输出装置(24)、b材料输出装置(25)、c材料输出装置(26)，用以控制各自存储罐内打印材料的挤出；步骤5，多材料复合构件的生成，按照步骤2中获得3d打印模块(1)的运动代码及气泵系统(3)的气源控制信号，将内含多种材料的材料系统沉积在二维成型基板或可控变径旋转成型轴上，通过层层累积成型三维实体；s103，后处理根据打印制件的需求，可进行进一步的固化、脱脂、烧结、表面喷砂等后处理；其中，气泵系统气压控制在2000～30000pa，a材料的粘度控制在1500～10000mpa
·
s，b材料及c材料中至少一种材料体系的粘度控制在1500mpa
·
s以上。

技术总结
本发明公开了一种基于直写式多材料复合3D打印系统及方法，包括：3D打印模块，用于制造多材料复合产品；材料供应系统，用于不同材料不同比例实时供应；气泵系统，用于材料供应过程中的动力提供；计算机控制系统，通过控制软件控制各个系统有序配合工作，实现多材料复合打印产品按既定工艺完成。本发明可实现直写式打印中单一通道内任意几何截面多材料复合式打印成型。此外，本发明提出的可控变径旋转成型轴，可根据预先设计动态调控各段成型轴的直径，从而实现无支撑对称结构的高效立体成型，在生物医疗及工程领域具有重大应用潜力。在生物医疗及工程领域具有重大应用潜力。在生物医疗及工程领域具有重大应用潜力。


技术研发人员：张计锋 殷志富 杨雪 周雪莉 贾炳强 胡伟 李露
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2021.08.16
技术公布日：2021/10/29