《3D列印方法》是中國科學院深圳先進技術研究院於2015年9月21日申請的專利，該專利的申請號為2015106049942，公布號為CN105711090A，公布日為2016年6月29日，發明人是賴毓霄、李龍、秦嶺、王新巒、張鵬。該發明涉及3D列印領域。
《3D列印方法》包括：步驟A：將用於3D列印的各種物料按一定配比做成流體；步驟B：將所述流體輸送到物料罐中；步驟C：然後，在物料罐的出料口出料的同時，攪拌物料罐中的流體。該發明解決了在低溫沉積3D列印領域，噴頭容易阻塞的問題。
2020年7月，《3D列印方法》獲得第二十一屆中國專利銀獎。
（概述圖為《3D列印方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：3D列印方法
- 類別：發明專利
- 公布號：CN105711090A
- 公布日：2016年6月29日
- 申請號：2015106049942
- 申請日：2015年9月21日
- 申請人：中國科學院深圳先進技術研究院
- 地址：廣東省深圳市南山區西麗大學城學苑大道1068號
- 發明人：賴毓霄、李龍、秦嶺、王新巒、張鵬
- 分類號：B29C67/00（2006.01）I、B33Y10/00（2015.01）I、B33Y40/00（2015.01）I
- 專利代理機構：北京三友智慧財產權代理有限公司
- 代理人：李景輝
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,技術領域,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
截至2015年9月，在低溫沉積3D列印領域，在噴頭擠出過程中，噴頭容易阻塞，降低了列印成型精度和效率。因此發明了該專利。
發明內容
專利目的
《3D列印方法》的目的是提供一種3D列印方法，以解決在低溫沉積3D列印領域，噴頭容易阻塞的問題。
技術方案
《3D列印方法》包括：
步驟A：將用於3D列印的各種物料按一定的配比做成流體；
步驟B：將所述流體輸送到物料罐中；
步驟C：然後，在物料罐的出料口出料的同時，攪拌物料罐中的流體；
其中，通過預先的測試或實驗，建立物料罐中的物料粘度與電機轉速之間的對應關係；根據所述物料粘度與電機轉速之間的對應關係，在實際3D列印中，結合電機轉速調整列印成型參數，實現成型列印；成型後的列印產品中，產品的支架孔徑間距穩定，連通率達到70％以上,孔隙率達50％以上，以實現最佳的成型效果。
進一步地，所述3D列印方法採用攪拌系統，所述攪拌系統包括：轉軸，伸入到所述物料罐中；攪拌臂，設定在轉軸上；驅動裝置，連線所述轉軸。
進一步地，所述驅動裝置為電機，所述攪拌系統還包括：連線在所述電機軸和所述轉軸之間的柔性連線軸。
進一步地，所述攪拌系統還包括：控制模組，所述控制模組包括：單片機、連線所述單片機的顯示屏和轉速測量感測器。
進一步地，所述攪拌系統還包括：能移動的支架，所述物料罐以及驅動裝置均設定在所述支架上，並且，所述物料罐通過彈性減震裝置設定在所述支架上。
進一步地，將所述物料罐中的物料粘度對應為電機轉速，電機轉速由轉速測量感測器測量並反饋到單片機中，單片機計算輸出粘度數據至顯示屏，且當電機轉速高於或者低於設定的閾值時，轉速測量感測器輸出負反饋電壓信號，經過電路板上的驅動電路啟動報警指示燈。
進一步地，所述3D列印方法的列印溫度為-30攝氏度以下，所述物料的材質為：聚乳酸-羥基乙酸共聚物、和磷酸三鈣（TCP）、和/或鎂粉，上述物料通過有機溶劑形成流體，其中，流體配置比例：聚乳酸-羥基乙酸共聚物與有機溶劑的比例為10％～50；磷酸三鈣與有機溶劑的比例為10％～50；鎂粉與有機溶劑的比例為0～20％，出料口流量：Q＝10～120毫升/分鐘。
改善效果
《3D列印方法》通過基於攪拌系統對所述物料罐中的物料進行攪拌，增加了出料口的流動性，能防止物料沉澱，保證物料的均勻化輸送，因而，解決了在低溫沉積3D列印領域，噴頭容易阻塞的問題。進而，該發明可以在3D列印過程中保證噴頭（出料口）出料的同時，進行攪拌，相對於2015年9月以前的技術，該發明實現了列印和攪拌的同時進行，因而，徹底的克服了噴頭容易阻塞的問題。進而，由於噴頭均勻出料，3D列印出來的產品內部材質的分布更均勻，強度提高，各方面質量都得以提高。
進而，可以在3D列印過程中保證噴頭均勻出料的同時，實時監測物料罐內部物料粘度的變化。
另外，該發明中，通過柔性連線軸進行連線，在不影響設備精度的條件下，各部分拆卸安裝簡便，不影響裝料。
附圖說明
圖1為《3D列印方法》實施例的3D列印設備的結構示意圖。
1.控制模組 | 2.轉軸 | 3.軸承 | 4.機械密封蓋 | 5.橡皮環 | 6.物料罐 | 7.攪拌臂 | 8.橡皮墊 |
9.電機 | 10.電機軸 | 11.萬向聯軸器 | 12.連線頭 | 13.柔性連線軸 | 14.支架 | 15.支撐架 | 16.滑塊 |
權利要求
1.《3D列印方法》包括：
步驟A：將用於3D列印的各種物料按一定的配比做成流體；
步驟B：將所述流體輸送到物料罐中；
步驟C：然後，在物料罐的出料口出料的同時，攪拌物料罐中的流體；
其中，通過預先的測試或實驗，建立物料罐中的物料粘度與電機轉速之間的對應關係；根據所述物料粘度與電機轉速之間的對應關係，在實際3D列印中，結合電機轉速調整列印成型參數，實現成型列印；成型後的列印產品中，產品的支架孔徑間距穩定，連通率達到70％以上,孔隙率達50％以上，以實現最佳的成型效果。
2.如權利要求1所述的3D列印方法，其特徵在於，所述3D列印方法採用攪拌系統，所述攪拌系統包括：轉軸，伸入到所述物料罐中；攪拌臂，設定在轉軸上；驅動裝置，連線所述轉軸。
3.如權利要求2所述的3D列印方法，其特徵在於，所述驅動裝置為電機，所述攪拌系統還包括：連線在所述電機軸和所述轉軸之間的柔性連線軸。
4.如權利要求1所述的3D列印方法，其特徵在於，所述攪拌系統還包括：控制模組，所述控制模組包括：單片機、連線所述單片機的顯示屏和轉速測量感測器。
5.如權利要求2所述的3D列印方法，其特徵在於，所述攪拌系統還包括：能移動的支架，所述物料罐以及驅動裝置均設定在所述支架上，並且，所述物料罐通過彈性減震裝置設定在所述支架上。
6.如權利要求1所述的3D列印方法，其特徵在於，將所述物料罐中的物料粘度對應為電機轉速，電機轉速由轉速測量感測器測量並反饋到單片機中，單片機計算輸出粘度數據至顯示屏，且當電機轉速高於或者低於設定的閾值時，轉速測量感測器輸出負反饋電壓信號，經過電路板上的驅動電路啟動報警指示燈。
7.如權利要求1所述的3D列印方法，其特徵在於，所述3D列印方法的列印溫度為-30攝氏度以下，所述物料的材質為：聚乳酸-羥基乙酸共聚物、和磷酸三鈣（TCP）、和/或鎂粉，上述物料通過有機溶劑形成流體，其中，流體配置比例：聚乳酸-羥基乙酸共聚物與有機溶劑的比例為10％～50％；磷酸三鈣與有機溶劑的比例為10％～50％；，出料口流量：Q＝10～120毫升/分鐘。
技術領域
《3D列印方法》涉及3D列印領域，具體一種3D列印方法，尤其涉及針對低溫沉積3D列印領域的液固成型懸濁物料輸送的一種列印方法。
實施方式
《3D列印方法》包括：
步驟A：將用於列印的物料做成流體，做成液體；
步驟B：將所述流體輸送到物料罐中；
步驟C：然後，在物料罐的出料口出料的同時，攪拌物料罐中的流體。
通過對所述物料罐中的物料進行攪拌，能防止物料沉澱，保證物料的均勻化輸送，因而，解決了在低溫沉積3D列印領域，噴頭容易阻塞的問題。
圖1所示為該發明採用一種3D列印設備，以實現上述3D列印方法，所述3D列印設備包括：物料罐6，用於容納3D列印所需的物料，例如為低溫沉積3D列印用的物料；出料口（出料口為噴嘴或連線噴嘴），設定在所述物料罐上，例如設定在物料罐6的底部，豎直向下，以便出料方便；
基於3D列印的物料供給攪拌系統，對所述物料罐中的物料進行攪拌。通過基於3D列印的物料供給攪拌系統對所述物料罐中的物料進行攪拌，能防止物料沉澱，保證物料的均勻化輸送，因而，解決了在低溫沉積3D列印領域，噴頭容易阻塞的問題。基於3D列印的物料供給攪拌系統可以為能夠對所述物料罐中的物料進行攪拌的合適結構。
所述基於3D列印的物料供給攪拌系統（簡稱攪拌系統）包括：轉軸2，伸入到所述物料罐6中；攪拌臂7，設定在轉軸2上；驅動裝置，連線所述轉軸2，設定在物料罐6之外，驅動轉軸2轉動。這種結構的攪拌系統，結構簡單，對物料罐的封閉影響較小，便於保溫。
進一步地，所述驅動裝置為電機9，所述攪拌系統還包括：連線在所述電機軸10和所述轉軸2之間的柔性連線軸13。柔性連線軸13的兩端通過連線頭12和萬向聯軸器11固定。柔性連線軸，例如為鋼絲繩或鐵鏈，起到無損傳遞動能和靈活定位的作用，並且可在不拆卸連線軸的情況下可以方便靈活的拆卸、安裝帶有轉軸2的機械密封蓋，方便物料加注。
進一步地，如圖1所示，所述攪拌系統還包括：控制模組1，所述控制模組1包括：單片機、連線所述單片機的顯示屏和轉速測量感測器。顯示屏為液晶或者LED顯示屏，占用空間小。測量轉速的感測器為光電感測器或者霍爾感測器，測量準確，便於安裝。
進一步地，所述攪拌系統還包括：能移動的支架14，所述物料罐6以及驅動裝置均設定在所述支架上，物料罐6為可拆卸結構，便於安裝拆卸。
所述物料罐6通過彈性減震裝置設定在所述支架上，起到緩衝減震的作用，保護電機和連線固定件的作用。通過支架的移動，便於出料口移動到合適位置。
所述出料口設定在所述物料罐6的底部，所述轉軸2豎直方向設定，所述彈性減震裝置例如為橡皮環5，所述支架14例如為倒L型，設定在滑塊16上，所述滑塊16通過螺紋連線絲槓，滑塊16通過螺紋孔配合在3D印表機笛卡爾運動模組的Y軸絲槓導軌中，實現滑塊16在水平面內移動。支撐架15固定在滑塊16上部，支架14設定在支撐架15上，因而，物料罐6隨需要能夠進行移動。
進一步地，電機9和控制模組連線；橡皮墊8將電機固定在倒L型支架14頂端。所述電機9的電機軸10頂部開凹形槽，對凹槽徑向開螺紋孔。
進一步地，攪拌罐的底面設定出料口，且側壁夾具固定處設定可放置橡皮環5的凹槽；橡皮環5，環繞在盛放物料的物料罐6外耳環下部，起到緩衝減震作用；機械密封蓋4，通過螺紋連線於物料罐6；所述轉軸2頂部開凹形槽，對凹槽徑向開螺紋孔；（滾動）軸承3使轉軸可旋轉地連線機械密封蓋4；攪拌臂7的一端固接於所述轉軸，另一端朝所述轉軸徑向方向延伸，且攪拌臂7能夠隨轉軸2旋轉，採用兩攪拌臂，180°對稱安裝，徑向傾斜角度為5°，攪拌臂7和轉軸2採用無縫焊接。上述結構可以在3D列印過程中保證噴頭均勻出料的同時，實時監測物料罐內部物料粘度的變化，且該裝置在不影響設備精度的條件下，各部分拆卸安裝簡便。
進一步地，通過預先的測試或實驗，建立物料罐中的物料粘度與電機轉速之間的對應關係，例如通過實驗定性記錄電機的轉速與出料口或噴頭出口處的流體流出的暢通程度或流量，這樣，對攪拌的動態的物料給出了一個定性的表征或指導；
然後根據所述物料粘度與電機轉速之間的對應關係，在實際3D列印中，結合電機轉速調整列印成型參數（例如，根據電機轉速調整噴頭移動速度和/或噴頭出口處流體的流量），實現成型列印；成型後的列印產品中，支架孔徑間距穩定，連通率可達到70％以上，孔隙率可達50％以上，支架各部分成分均勻，力學性能提高2％以上。其中連通率是指支架成型孔的連線情況，有的時候物料局部沉積過多，可能成型後就沒有孔的結構。孔隙率：指支架的材料體積和支架體積的比值。
將所述物料罐中的物料粘度對應為電機轉速，即物料粘度體現為電機轉速，例如，通過實驗記錄電機的轉速與出料口或噴頭出口處的流體流出的暢通程度或流量，這樣，對攪拌的動態的物料給出了一個定性的表征或指導，避免了物料在攪拌中難以用靜態的方式表征出料口或噴頭的流動狀況，給該發明的控制方式提出了一個立足點。可以通過預先的測試或實驗，建立物料粘度與電機轉速之間的對應關係，從而將物料粘度體現為電機轉速，在後續的3D列印過程中，就可以通過電機轉速定性的得知物料粘度，通過調整噴頭移動速度和/或噴頭出口處流體的流量就可以控制列印狀況，實現最佳成型效果。
電機轉速由轉速測量感測器測量並反饋到單片機中，單片機計算輸出粘度數據至顯示屏，且當電機轉速高於或者低於設定的閾值時，轉速測量感測器輸出負反饋電壓信號，經過電路板上的驅動電路啟動報警指示燈。電機轉速高於設定的最高閾值時，說明流體粘度過小，電機轉速再高也難以進行列印。電機轉速低於設定的最低閾值時，說明流體粘度過大，電機轉速再低也難以進行列印。
進一步地，在所述基於3D列印的物料供給攪拌系統對所述物料罐中的物料進行攪拌的同時，所述出料口出料。申請人發現：在進行3D列印製備的過程中，物料在攪拌罐中長時間靜置，不溶物顆粒逐漸沉澱。導致兩種不良後果：列印結構中粉末態不溶元素分布不均勻，降低了產品整體力學性能及影響材料結構特性；在噴頭擠出過程中，由於物料靜置不溶顆粒沉澱易在噴頭處團聚，導致噴頭阻塞，降低了列印成型精度和效率。此外，3D列印製備中的部分控制參數受物料粘度的影響，2015年9月以前的設備配置無法實時跟蹤物料粘度變化，製備過程中與物料粘度相關的設備控制參數的調整主要依賴於工程技術人員的現象觀察和製備經驗，不容易調節製造參數，給穩定的製造3D列印產品造成困難。
該發明攪拌和出料同時進行的這種方式，不同於先攪拌物料，然後物料進入物料罐中靜止，靜止後的物料再出料的方式。該發明避免了上述或者出現的進入物料罐中靜止，不溶物顆粒逐漸沉澱的問題。
《3D列印方法》中3D列印設備或印表機通過電機帶動攪拌軸旋轉，同時，物料粘度參數是通過電機的轉速計算而來，該參數實時顯示到控制模組1的顯示屏上面，達到自動攪拌和智慧型數位化顯示物料粘度變化的目的。
榮譽表彰
2020年7月，《3D列印方法》獲得第二十一屆中國專利銀獎。
