一种面向高分子量硅橡胶的3D打印设备及打印方法与流程

本发明涉及高粘度材料3d打印技术领域，具体涉及一种面向高分子量硅橡胶的3d打印设备及打印方法。

背景技术：

现有硅橡胶3d打印系统是基于3dp打印技术(液滴喷射)的增材制造系统，其依靠材料自身重力或活塞挤压力作用，通过打印喷嘴微孔挤出低分子量、低粘度和流动性较好的硅橡胶液滴或流体，液滴或流体相互交融成流线并迅速紫外固化成弹性体，可在打印过程中调控打印液滴和流体的空间分布，从而制备出具有宏观性能和结构可调控性的多孔或实心硅橡胶产品。然而，现有的硅橡胶3d打印方法存在以下问题：

一、现有的硅橡胶3d打印方法大多采用3dp打印技术中的传统喷墨打印喷嘴，由于受到材料自身重力和活塞挤出力较小的限制，只能打印出低分子量、低粘度和流动性较好的硅橡胶，而其本身弹性差、压缩模量低，所打印的硅橡胶材料脆性较大、易卷曲，难以在工业中大规模应用。

二、现有的硅橡胶3d打印方法依靠材料自身重力和活塞挤出压力两种成型方式，因此所打印的材料致密度较低，且出料缓慢，成型效率较低，同时难以准确控制3d打印液滴和流体在喷嘴挤出和涨大后的尺寸精度，无法实现3d打印过程的高质量、高精度和高效率。

三、现有的硅橡胶3d打印方法依靠紫外光进行固化，固化效率和程度较低，难以在短时间内快速固化定型，且在流体中心处的区域易交联固化不彻底，从而影响硅橡胶打印产品的质量稳定性。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术应用缺点，本发明目的在于提供一种面向高分子量硅橡胶的3d打印设备及打印方法，通过新型打印设备制备出高分子量、高强度和高粘度的硅橡胶材料，且实现3d打印材料的宏观性能和结构可调性。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种面向高分子量硅橡胶的3d打印设备，包括3d打印机机架7上连接的三维移动平台系统6，三维移动平台系统6上安装有3d打印机基板5，3d打印机基板5的上方设有3d打印头系统1、光固化控制器3和热固化控制器4，3d打印头系统1、光固化控制器3、热固化控制器4和三维移动平台系统6和3d打印机控制箱2连接；

所述的3d打印头系统1具有100μm-150μm百微米级的喷嘴微孔结构，实现高分子量高粘度高分子硅橡胶的挤出功能。

所述的3d打印机控制箱2采用pid控制技术实现精确的微挤出过程控制、运动控制、温度控制和光-热二阶固化控制、宏观尺寸的精确补偿和控制。

所述的光固化控制器3对打印后的硅橡胶材料进行快速光固化交联作用；所述的热固化控制器4对打印后的硅橡胶材料进行快速热固化交联作用。

所述的3d打印机基板5的材料表面具有润湿性，微挤出物在3d打印机基板5上能够支撑自身重量。

所述的3d打印头系统1包括百微米级微孔喷嘴8，百微米级微孔喷嘴8连接在螺杆挤出腔10的一端，螺杆挤出腔10的内部设有螺杆9，螺杆挤出腔10的另一端和硅橡胶材料进料口11连接，螺杆9的动力输入端和直线电机13连接，螺杆9和直线电机13连接处外部设有冷却箱12。

所述的百微米级微孔喷嘴8微孔直径为100μm-150μm。

所述的螺杆9直径为20mm，长径比为20:1。

所述的直线电机13提供功率为2.2kw，挤出压力为150mpa的动力，

一种面向高分子量硅橡胶的3d打印方法，包括以下步骤：

1)3d打印数据处理：将需打印的数字三维模型处理为分层数据、路径规划数据、光-热固化处理数据，将处理后的数据导入3d打印机控制箱2中，并将数据发送至3d打印头系统1、光固化控制器3、热固化控制器4、三维移动平台系统6；

2)3d打印实验材料准备：选择分子量为10万-100万的高粘弹性聚硅氧烷材料，并加入补强材料、光固化剂，将打印材料通过硅橡胶进料口11装入3d打印头系统1的螺杆挤出腔10中；

3)百微米级微孔挤出工艺：3d打印头系统1中的直线电机13带动螺杆9对3d打印材料进行螺旋剪切，硅橡胶材料受到挤压力而通过百微米级微孔喷嘴8，3d打印机控制箱2进行微孔挤出工艺参数和打印精度的控制，在打印过程中，冷却箱12对3d打印头系统1进行实时冷却；

4)光-热二阶固化工艺：通过光固化控制器3和热固化控制器4对3d打印头系统1挤出的硅橡胶流体进行光-热二阶固化，3d打印机控制箱2进行光-热二阶固化工艺参数和固化精度的控制；

5)3d打印机基板5协调运动：3d打印机控制箱2通过协调3d打印头系统1、3d打印机基板5和三维移动平台系统6三者的相对位置，逐渐分层累积出所需打印模型；

6)重复步骤3)-步骤5)，直至零件分层制造完成。

本发明的优点：

本发明通过采用具有高剪切速率和高挤压强度的螺杆挤压力的百微米级微孔喷嘴8，可极大降低高分子量硅橡胶的流动粘度，实现高分子量、高压缩模量和高服役寿命硅橡胶材料的3d打印成型；可极大提高材料在百微米级微孔喷嘴8处的挤出和涨大稳定性，准确控制3d打印流体线的尺寸精度，实现3d打印过程的高质量、高精度和高效率；采用光-热二阶固化3d打印材料的方式，可极大提高3d打印材料的固化速率和尺寸精度，提高3d打印高分子量硅橡胶材料的高质量稳定性。

附图说明

图1为本发明高分子量硅橡胶的3d打印设备示意图。

图2为本发明高分子量硅橡胶的3d打印头系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

参照图1，一种面向高分子量硅橡胶的3d打印设备，包括3d打印机机架7上连接的三维移动平台系统6，三维移动平台系统6上安装有3d打印机基板5，3d打印机基板5的上方设有3d打印头系统1、光固化控制器3和热固化控制器4，3d打印头系统1、光固化控制器3、热固化控制器4和三维移动平台系统6和3d打印机控制箱2连接。

所述的3d打印头系统1具有百微米级(100μm-150μm)的喷嘴微孔结构，实现高分子量高粘度高分子硅橡胶的挤出功能。

所述的3d打印机控制箱2采用pid控制技术实现精确的微挤出过程控制、运动控制、温度控制和光-热二阶固化控制、宏观尺寸的精确补偿和控制。

所述的光固化控制器3对打印后的硅橡胶材料进行快速光固化交联作用，提高材料强韧性，实现打印流体的尺寸精度可控性。

所述的热固化控制器4对打印后的硅橡胶材料进行快速热固化交联作用，提高材料强韧性，实现打印流体的尺寸精度可控性。

所述的3d打印机基板5的材料表面具有润湿性，微挤出物在3d打印机基板5上能够支撑自身重量。

所述的三维移动平台系统6实现微挤出喷嘴和三维移动平台相对运动过程的准确定位，精确控制3d打印件尺寸。

参照图2，所述的3d打印头系统1包括百微米级微孔喷嘴8，百微米级微孔喷嘴8微孔直径为100μm-150μm，百微米级微孔喷嘴8连接在螺杆挤出腔10的一端，螺杆挤出腔10的内部设有螺杆9，螺杆9直径为20mm，长径比为20:1，螺杆挤出腔10的另一端和硅橡胶材料进料口11连接，螺杆挤出腔10有效容积为1l，螺杆9的动力输入端和直线电机13连接，直线电机13提供功率为2.2kw，挤出压力为150mpa的动力，螺杆9和直线电机13连接处外部设有冷却箱12。

参照图1和图2，一种面向高分子量硅橡胶的3d打印方法，包括以下步骤：

1)3d打印数据处理：将需打印的数字三维模型处理为分层数据、路径规划数据、光-热固化处理数据，将处理后的数据导入3d打印机控制箱2中，并将数据发送至3d打印头系统1、光固化控制器3、热固化控制器4、三维移动平台系统6；

2)3d打印实验材料准备：选择分子量为10万-100万的高粘弹性聚硅氧烷材料，并加入补强材料、光固化剂，将打印材料通过硅橡胶进料口11装入3d打印头系统1的螺杆挤出腔10中；

3)百微米级微孔挤出工艺：3d打印头系统1中的直线电机13带动螺杆9对3d打印材料进行螺旋剪切，硅橡胶材料受到挤压力而通过百微米级微孔喷嘴8，3d打印机控制箱2进行微孔挤出工艺参数和打印精度的控制，在打印过程中，冷却箱12对3d打印头系统1进行实时冷却；

4)光-热二阶固化工艺：通过光固化控制器3和热固化控制器4对3d打印头系统1挤出的硅橡胶流体进行光-热二阶固化，3d打印机控制箱2进行光-热二阶固化工艺参数和固化精度的控制；

5)3d打印机基板5协调运动：3d打印机控制箱2通过协调3d打印头系统1、3d打印机基板5和三维移动平台系统6三者的相对位置，逐渐分层累积出所需打印模型；

6)重复步骤3)-步骤5)，直至零件分层制造完成。