一種基于電磁發(fā)射術(shù)的3d打印裝置及打印方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于電磁發(fā)射術(shù)的3D打印裝置及打印方法，屬于3D打印裝置及方法。XY向工作臺(tái)和支架安裝在底座上方，Z向工作臺(tái)與支架滑動(dòng)連接，連接架與Z向工作臺(tái)連接，噴頭與連接架連接，高精密注射泵固定在底座上，進(jìn)料管兩端分別與噴頭和高精密注射泵固定連接，承片臺(tái)安裝在XY向工作臺(tái)上方、噴頭的下方，基板連接在承片臺(tái)上。通過(guò)對(duì)噴頭里的導(dǎo)電液體施加電流和磁場(chǎng)，導(dǎo)電液體受安培力的推動(dòng)而噴出到達(dá)指定位置，安培力作為推力便于通過(guò)改變電流強(qiáng)度或磁場(chǎng)強(qiáng)度而改變安培力的大小，從而控制打印液滴的出射速度，通過(guò)給定磁場(chǎng)強(qiáng)度、電流持續(xù)時(shí)間，控制電流強(qiáng)度避免噴嘴堵塞，可達(dá)到較高的打印精度，適用于生物導(dǎo)電材料和非生物導(dǎo)電材料的3D打印。
【專利說(shuō)明】
一種基于電磁發(fā)射術(shù)的3D打印裝置及打印方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種3D打印裝置及方法，尤其是涉及一種基于電磁發(fā)射技術(shù)的3D打印 裝置及打印方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 3D打印是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)的材料堆積成形的高新技術(shù)，是一種結(jié)合數(shù)字制 造、分層制造、堆積制造、直接制造、快速制造的新型制造方法。由于3D打印具有很尚的定制 性和快速的制造速度，在模具制造和產(chǎn)品開發(fā)等方面具有廣泛的應(yīng)用前景，但由于當(dāng)前3D 打印技術(shù)存在打印高粘度液體無(wú)法保證較高的打印精度和打印速度問(wèn)題，同時(shí)打印高粘度 液滴時(shí)易發(fā)生噴頭堵塞;于是解決高粘度液體打印過(guò)程中精度低、速度慢、噴頭易堵塞等問(wèn) 題成為推廣3D打印技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。當(dāng)前針對(duì)高粘度液體的3D打印原理是基于噴墨（壓電 式、熱氣泡式)或擠出(氣壓擠出、螺桿擠出、活塞擠出）：
[0003] 1.壓電式噴頭通過(guò)電壓脈沖使壓電陶瓷產(chǎn)生位移或機(jī)械振動(dòng)，導(dǎo)致料管或針管內(nèi) 部壓力發(fā)生變化，產(chǎn)生的壓力使得液滴克服表面張力由噴嘴噴出，液滴的噴射時(shí)間、大小和 體積都很容易通過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓及噴嘴控制。但粘度限制較大且噴頭易發(fā)生堵塞，維護(hù)成本較 尚。
[0004] 2.熱氣泡式噴頭通過(guò)局部加熱產(chǎn)生氣泡，氣泡壓力作用液滴噴出。該方法受材料 限制較大，打印材料在加熱過(guò)程中易發(fā)生物理或化學(xué)性質(zhì)的改變，影響打印精度或打印件 質(zhì)量。
[0005] 3.氣壓擠出式噴頭通過(guò)控制壓縮氣體對(duì)裝有待擠出液體的料管或針管的作用壓 力大小和時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)實(shí)現(xiàn)定量擠出。適用于廣泛的材料，擠出量的大小取決于壓縮氣體的 作用壓力大小和時(shí)間長(zhǎng)短。但由于高粘度材料粘度易變化，且打印過(guò)程中氣體體積增大壓 強(qiáng)減小，氣體的可壓縮性和滯后性會(huì)導(dǎo)致材料在噴嘴的擠出滯后，響應(yīng)速度變慢，同時(shí)一致 性也發(fā)生變化。
[0006] 4.螺桿擠出式噴頭是通過(guò)螺桿的旋轉(zhuǎn)作用擠出材料。這種方式的擠出量的大小取 決于螺桿的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)時(shí)間。這種擠出方式適用的材料范圍化較廣，可擠出超高粘度的流 體，但長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)導(dǎo)致筒內(nèi)溫度升高液體粘度下降，影響打印效果；更換材料和清洗不 便，維護(hù)成本高。
[0007] 5.活塞擠出式噴頭是采用電機(jī)帶動(dòng)活塞-料筒的擠出機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)定量擠出，材料 的擠出速度只與活塞的運(yùn)動(dòng)速度和料筒截面積有關(guān)，避免了材料變化和速度變化對(duì)擠出量 造成影響，實(shí)現(xiàn)精確定量擠出。但這種方式不便于持續(xù)打印，在料筒內(nèi)的材料用完之后需要 重復(fù)裝填或者更換料筒，造成打印不連續(xù)降低打印效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明提出一種基于電磁發(fā)射術(shù)的3D打印裝置及打印方法，以解決高粘度液體打 印過(guò)程中存在的精度低、速度慢、噴頭易堵塞的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高粘度液體的精準(zhǔn)快速3D打印。
[0009] 電磁發(fā)射技術(shù)是繼化學(xué)能發(fā)射之后出現(xiàn)的一種新概念動(dòng)能發(fā)射技術(shù)，電磁發(fā)射技 術(shù)借助電磁能做功，將電磁能轉(zhuǎn)化為噴射材料的有效載荷的動(dòng)能。與常規(guī)的發(fā)射方式相比， 電磁發(fā)射能提供較大的非接觸式動(dòng)能，可將噴射材料有效載荷加速到常規(guī)發(fā)射方式難以達(dá) 到的超高初速和射速，且速度可任意調(diào)控、精度高、射程遠(yuǎn)、威力大，發(fā)射過(guò)程不易受到干 擾、無(wú)噪聲，具有重要的應(yīng)用前景。
[0010] 本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:XY向工作臺(tái)和支架安裝在底座上方，Z向工作臺(tái)與支架 滑動(dòng)連接，連接架與Z向工作臺(tái)連接，噴頭與連接架連接，高精密注射栗固定在底座上，進(jìn)料 管兩端分別與噴頭和高精密注射栗固定連接，承片臺(tái)安裝在XY向工作臺(tái)上方、噴頭的下方， 基板連接在承片臺(tái)上。
[0011] 本發(fā)明所述噴頭的結(jié)構(gòu)是：絕緣材料將電磁導(dǎo)管分為兩部分，分別在電磁導(dǎo)管兩 部分接上連接電源的正負(fù)極，散熱片包裹在電磁導(dǎo)管上，電磁導(dǎo)管與進(jìn)料口相連，電磁鐵安 裝在散熱片周圍，電磁鐵和散熱片通過(guò)連接架固定，并安裝在噴頭外殼內(nèi)。
[0012] 本發(fā)明所述電磁鐵采用能夠產(chǎn)生均勻磁場(chǎng)且磁場(chǎng)強(qiáng)度可調(diào)的電磁鐵。
[0013] 一種基于電磁發(fā)射術(shù)的3D打印方法，包括下列步驟：
[0014] (1).建立所需3D打印的三維模型；
[0015] (2).根據(jù)步驟1中的模型配制所需導(dǎo)電液體；
[0016] (3).通過(guò)粘度計(jì)和密度計(jì)測(cè)得步驟⑵中配制導(dǎo)電液體的液體粘度v、液體密度p;
[0017] ⑷.控制XY工作臺(tái)2、Z向工作臺(tái)8,分別帶動(dòng)基板4和噴頭5移動(dòng)至指定位置，使指 定打印位置位于噴頭5正下方，噴頭位于打印位置上方l-2cm處；
[0018] (5).分析步驟（1)中的三維模型和步驟（3)測(cè)得的導(dǎo)電液滴物理性質(zhì)，根據(jù)
-給定打印參數(shù)，其中液滴體積V、磁場(chǎng)強(qiáng)度B、電流 持續(xù)時(shí)間t、液體密度P、液體粘度v、電磁導(dǎo)管直徑d、電流強(qiáng)度I，使導(dǎo)電液體以噴射速度v射 出；
[0019] (6).高精密微量注射栗10接受計(jì)算機(jī)信號(hào)，將液滴體積V的液滴送入電磁導(dǎo)管502 中，處于均勻磁場(chǎng)強(qiáng)度B范圍內(nèi)的導(dǎo)電液滴在一定電流持續(xù)時(shí)間t內(nèi)通以電流強(qiáng)度為I的電 流，受安培力F和阻力f作用運(yùn)動(dòng)，到達(dá)噴嘴時(shí)噴射速度為V、并以噴射速度v噴射至打印位 置，完成單個(gè)點(diǎn)的打??；
[0020] (7).反復(fù)重復(fù)步驟(3)~步驟(7)，打印點(diǎn)、由點(diǎn)及線、由線及面、由面及體，構(gòu)建出 所需的三維實(shí)體組織。
[0021] 所述導(dǎo)電液滴噴射速度v在10m/s~20m/s。
[0022]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)新穎，根據(jù)不同材料性質(zhì)給定磁場(chǎng)強(qiáng)度B、電流持續(xù)時(shí)間t和 電流強(qiáng)度I，降低對(duì)噴射液滴理化性質(zhì)的影響，適用理化性質(zhì)易改變的導(dǎo)電液體，同時(shí)可以 控制導(dǎo)電液體液滴體積V和10m/s-20m/s的噴射速度v，保證打印效果和精度。通過(guò)給定強(qiáng)度 磁場(chǎng)強(qiáng)度B、電流持續(xù)時(shí)間t，控制電流強(qiáng)度I保證液滴噴出，防止噴頭堵塞，對(duì)噴頭的使用起 到保護(hù)作用，降低維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)也擴(kuò)大了使用噴射材料粘度的范圍，適用于更多高粘度材 料。精準(zhǔn)控制進(jìn)入電磁導(dǎo)管中導(dǎo)電液滴的液滴體積V，實(shí)現(xiàn)部分位置大液滴體積快速打印提 高打印效率，部分位置小液滴體積精準(zhǔn)打印提高打印精度，解決打印精度和打印效率不能 兼顧的問(wèn)題。使用散熱片對(duì)電磁導(dǎo)管進(jìn)行散熱，避免因電流引起電磁導(dǎo)管過(guò)熱導(dǎo)致噴射的 導(dǎo)電液體理化性質(zhì)的改變，同時(shí)在打印生物材料時(shí)保證打印材料的生物活性。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2是本發(fā)明噴頭結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖3是本發(fā)明噴頭內(nèi)部的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖4是本發(fā)明噴頭零部件爆炸圖；
[0027]圖5是發(fā)明噴頭的剖視圖；
[0028] 圖6是圖5的A-A剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029] XY向工作臺(tái)2和支架9安裝在底座1上方，Z向工作臺(tái)8與支架9滑動(dòng)連接，連接架6與 Z向工作臺(tái)8連接，噴頭5與連接架6連接，高精密注射栗10固定在底座1上，進(jìn)料管7兩端分別 與噴頭5和高精密注射栗10固定連接，承片臺(tái)3安裝在XY向工作臺(tái)2上方、噴頭5的下方，基板 4連接在承片臺(tái)3上；
[0030]所述噴頭5的結(jié)構(gòu)是：絕緣材料505將電磁導(dǎo)管502分為兩部分，分別在電磁導(dǎo)管 502兩部分接上連接電源的正負(fù)極503,散熱片508包裹在電磁導(dǎo)管502上，電磁導(dǎo)管502與進(jìn) 料口 504相連，電磁鐵501安裝在散熱片508周圍，電磁鐵501和散熱片508通過(guò)連接架507固 定，并安裝在噴頭外殼506內(nèi)；
[0031]電磁鐵501采用能夠產(chǎn)生均勻磁場(chǎng)且磁場(chǎng)強(qiáng)度可調(diào)的電磁鐵；
[0032]通過(guò)高精密注射栗10將液滴體積V的導(dǎo)電液體送入電磁導(dǎo)管502;
[0033] XY工作臺(tái)2是二維精密位移臺(tái)，實(shí)現(xiàn)基板4的X、Y向移動(dòng)，Z向工作臺(tái)8配合噴頭5的Z 向移動(dòng)完成打印件每一層的制造；
[0034]電源503采用一個(gè)能夠產(chǎn)生電流強(qiáng)度可調(diào)、電流持續(xù)時(shí)間可調(diào)的的電源；
[0035]打印材料通過(guò)高精密注射栗11向噴頭5的電磁導(dǎo)管502供料，注射栗通過(guò)進(jìn)料管7 和進(jìn)料口 504相連；
[0036]通過(guò)密度計(jì)和粘度計(jì)測(cè)量配置完成的待打印導(dǎo)電液體的液體密度P、液體粘度v， 根據(jù)打印精度確定打印液滴的液滴體積V并由高精密微量注射栗11將其送入電磁導(dǎo)管502， 通過(guò)控制XY向工作臺(tái)2移動(dòng)基板4使打印位置位于噴頭5正下方，控制Z向工作臺(tái)8移動(dòng)噴頭5 至打印位置上方l-2cm處，根據(jù)公式
，根據(jù)打印液體理化性 質(zhì)給定液滴體積V、磁場(chǎng)強(qiáng)度B、電流持續(xù)時(shí)間t、液體密度P、電流強(qiáng)度I、液體粘度v、電磁導(dǎo) 管直徑d，保證導(dǎo)電液滴噴射速度v在10m/s-20m/s之間，到達(dá)基板4的指定打印位置完成單 個(gè)點(diǎn)的打印，重復(fù)打印過(guò)程實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到線、線到面、面到體的打印過(guò)程，最終實(shí)現(xiàn)采用高粘度 液體進(jìn)行所需件(工業(yè)樣件、生物組織器官）的3D打印。
[0037] 一種基于電磁發(fā)射術(shù)的3D打印方法，包括下列步驟：
[0038] (1).建立所需3D打印的三維模型；
[0039] (2).根據(jù)步驟1中的模型配制所需導(dǎo)電液體；
[0040] (3).通過(guò)粘度計(jì)和密度計(jì)測(cè)得步驟⑵中配制導(dǎo)電液體的液體粘度v、液體密度p;
[0041] (4).控制XY工作臺(tái)2、Z向工作臺(tái)8,分別帶動(dòng)基板4和噴頭5移動(dòng)至指定位置，使指 定打印位置位于噴頭5正下方，噴頭位于打印位置上方l-2cm處；
[0042] (5).分析步驟（1)中的三維模型和步驟（3)測(cè)得的導(dǎo)電液滴物理性質(zhì)，根據(jù)
給定打印參數(shù)，其中液滴體積V、磁場(chǎng)強(qiáng)度B、電流持 續(xù)時(shí)間t、液體密度P、液體粘度v、電磁導(dǎo)管直徑d、電流強(qiáng)度I，使導(dǎo)電液體以噴射速度v射 出；
[0043] (6).高精密微量注射栗10接受計(jì)算機(jī)信號(hào)，將液滴體積V的液滴送入電磁導(dǎo)管502 中，處于均勻磁場(chǎng)強(qiáng)度B范圍內(nèi)的導(dǎo)電液滴在一定電流持續(xù)時(shí)間t內(nèi)通以電流強(qiáng)度為I的電 流，受安培力F和阻力f作用運(yùn)動(dòng)，到達(dá)噴嘴時(shí)噴射速度為V、并以噴射速度v噴射至打印位 置，完成單個(gè)點(diǎn)的打?。?br>[0044] (7).反復(fù)重復(fù)步驟(3)~步驟(7)，打印點(diǎn)、由點(diǎn)及線、由線及面、由面及體，構(gòu)建出 所需的三維實(shí)體組織。
[0045] 所述導(dǎo)電液滴噴射速度v在10m/s~20m/s。
[0046] 液滴噴射時(shí)電流強(qiáng)度I與磁場(chǎng)強(qiáng)度B、噴射速度v、電流持續(xù)時(shí)間t、液滴體積V、液體 粘度v、液體密度P、電磁導(dǎo)管直徑d、電磁導(dǎo)管長(zhǎng)度L關(guān)系式推導(dǎo)如下：
[0047] 液滴所受安培力:F = BXIXL……（1)
[0048]噴射過(guò)程中認(rèn)為阻力不變且按噴射速度v計(jì)算：
[0049] 雷諾數(shù)
[0050] 沿程損失
[0051 ]沿程能量損失 Wf = fXL=mXgXhf......(4)
[0052] 導(dǎo)電液滴質(zhì)量m = pXV......(5)
[0053]電流持續(xù)時(shí)間均為t，阻力為f;
[0054] (F-f) Xt=mXv……(6)
[0055] 根據(jù)公式(1)、公式(2)、公式(3)、公式(4)、公式(5)、公式(6)推導(dǎo)可得：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于電磁發(fā)射術(shù)的3D打印裝置，其特征在于:XY向工作臺(tái)和支架安裝在底座上 方，Z向工作臺(tái)與支架滑動(dòng)連接，連接架與Z向工作臺(tái)連接，噴頭與連接架連接，高精密注射 栗固定在底座上，進(jìn)料管兩端分別與噴頭和高精密注射栗固定連接，承片臺(tái)安裝在XY向工 作臺(tái)上方、噴頭的下方，基板連接在承片臺(tái)上。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電磁發(fā)射術(shù)的3D打印裝置，其特征在于:所述噴頭的 結(jié)構(gòu)是:絕緣材料將電磁導(dǎo)管分為兩部分，分別在電磁導(dǎo)管兩部分接上連接電源的正負(fù)極， 散熱片包裹在電磁導(dǎo)管上，電磁導(dǎo)管與進(jìn)料口相連，電磁鐵安裝在散熱片周圍，電磁鐵和散 熱片通過(guò)連接架固定，并安裝在噴頭外殼內(nèi)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于電磁發(fā)射術(shù)的3D打印裝置，其特征在于:所述電磁鐵 采用能夠產(chǎn)生均勻磁場(chǎng)且磁場(chǎng)強(qiáng)度可調(diào)的電磁鐵。4. 如權(quán)利要求1所述的一種基于電磁發(fā)射術(shù)的3D打印方法，其特征在于包括下列步驟： (1) .建立所需3D打印的三維模型； (2) .根據(jù)步驟1中的模型配制所需導(dǎo)電液體； (3) .通過(guò)粘度計(jì)和密度計(jì)測(cè)得步驟(2)中配制導(dǎo)電液體的液體粘度V、液體密度ρ; (4) .控制XY工作臺(tái)2、Ζ向工作臺(tái)8,分別帶動(dòng)基板4和噴頭5移動(dòng)至指定位置，使指定打 印位置位于噴頭5正下方，噴頭位于打印位置上方l-2cm處； (5) .分析步驟（1)中的三維模型和步驟（3)測(cè)得的導(dǎo)電液滴物理性質(zhì)，根據(jù)f定打印參數(shù)，其中液滴體積V、磁場(chǎng)強(qiáng)度B、電流持 續(xù)時(shí)丨日」t、淞體嵆度P、淞體粘度V、電磁導(dǎo)管直徑d、電流強(qiáng)度I，使導(dǎo)電液體以噴射速度V射 出； (6) .高精密微量注射栗10接受計(jì)算機(jī)信號(hào)，將液滴體積V的液滴送入電磁導(dǎo)管502中， 處于均勻磁場(chǎng)強(qiáng)度B范圍內(nèi)的導(dǎo)電液滴在一定電流持續(xù)時(shí)間t內(nèi)通以電流強(qiáng)度為I的電流， 受安培力F和阻力f作用運(yùn)動(dòng)，到達(dá)噴嘴時(shí)噴射速度為V、并以噴射速度V噴射至打印位置，完 成單個(gè)點(diǎn)的打??； (7) .反復(fù)重復(fù)步驟(3)~步驟(7)，打印點(diǎn)、由點(diǎn)及線、由線及面、由面及體，構(gòu)建出所需 的三維實(shí)體組織。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于電磁發(fā)射術(shù)的3D打印方法，其特征在于所述導(dǎo)電液 滴噴射速度V在I 〇m/s~20m/s。
【文檔編號(hào)】B29C67/00GK106003733SQ201610556007
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月15日
【發(fā)明人】吳文征, 劉巍, 耿鵬, 王博凡, 李桂偉, 武子超, 趙繼
【申請(qǐng)人】吉林大學(xué)