一种基于微流体混合的梯度材料3D打印喷头的制作方法

本发明涉及3d打印以及微流体领域，具体涉及一种基于微流体混合的梯度材料3d打印喷头。

背景技术：

3d打印技术是一种增材制造技术，被称为一种具有工业革命意义的制造技术，由于3d打印技术具有可定制、高效、低成本等优势在各行各业拥有广泛的应用前景。但是随着需求的不断扩大，对于所打印的产品结构和功能的要求也越来越高，其中梯度材料的打印显得尤为重要。但是目前常见单个3d打印喷头无法满足梯度材料打印的要求，而集成多个3d打印喷头的打印设备同样难以满足高效、便捷、高性价比的梯度材料的打印。因此对于如何实现梯度材料3d打印的打印喷头设计与制造具有重要的研究和应用价值。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于微流体混合的梯度材料3d打印喷头，可以使不同材料在喷头内部发生混合，通过打印过程中对不同材料注射流量的动态控制，实现梯度材料的3d打印。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于微流体混合的梯度材料3d打印喷头，包括夹在硅胶上膜片1和硅胶下膜片2之间的毛细钢针3；所述的硅胶上膜片1具有混合流道凹槽和定位孔4，混合流道凹槽和多个材料入口圆孔连通，材料入口圆孔直径为0.2mm-2mm之间；所述的硅胶下膜片2设有方便毛细钢针3安装的凹槽和定位点5，将硅胶上膜片1具有混合流道凹槽的表面与硅胶下膜片2设有方便毛细钢针3安装的凹槽的表面通过定位孔4和定位点5对齐、贴紧并键合，形成封闭的混合流道6。

所述的每个材料入口圆孔通过一个软管11和一个注射泵10连接。

所述的硅胶上膜片1所具有混合流道凹槽深度在10μm-1mm之间，所述的硅胶下膜片2设有方便毛细钢针3安装的凹槽深度在10μm-1mm，所述的毛细钢针3内径在100μm-2mm之间。

所述的定位孔4深度在0.1mm-1mm的范围，所述的定位点5高度大小等于定位孔4的深度。

所述的毛细钢针3通过硅胶下膜片2的安装凹槽插入键合后的硅胶上膜片1和硅胶下膜片2之间形成3d打印喷头出口。

所述的混合流道6，根据功能依次分为材料流入段7、混合段8、扩展段9，流入段7有多条分支，每个分支和一个材料入口圆孔连接，分支个数根据所需材料数量决定，不同的材料从流入段7分别流入；当不同的材料进入混合段8时发生混合；混合段8流出的打印材料进入扩展段9，最终从毛细钢针3出口处流出；所述的混合流道6总长在5mm-50mm之间。

所述的混合段8具有混合流道结构，基于被动混合的原理该段流道结构由1-20个基本混合单元组成，流道宽度a在200μm-1mm之间；基本混合单元组成为左右交错排布的一对45°矩形齿，相邻两个齿之间的间距b为0.01mm-2mm之间；每个齿宽度c均相等为0.01mm-1mm之间，左侧单个齿的长度e在0.04mm-0.4mm之间，右侧单个齿的长度f在0.04mm-0.4mm之间；相邻两个混合单元之间的间距d为0.01mm-2mm之间。

所述的一种基于微流体混合的梯度材料3d打印喷头的打印方法，包括以下步骤：

1)将硅胶上膜片1和硅胶下膜片2通过定位孔4和定位点5对齐、贴紧并键合，并将毛细钢针3插入键合后的硅胶上膜片1和硅胶下膜片2之间；

2)将步骤1)连接好的整体安装在3d打印机的z轴上，毛细钢针3的出口最下端与接收基底之间存在打印接收距离；

3)配置多种打印材料溶液，分别装入多个注射泵10内，每个注射泵10通过软管11与硅胶上膜片1的多个不同材料入口圆孔相连接，连接后推进注射泵10，使不同的打印材料沿着混合流道6的流入段7、混合段8、扩展段9最终从毛细钢针3出口流出至接收基板上；

4)通过控制不同注射泵10的推进，动态调整不同注射泵10的流量，形成流量比例关系，通过改变挤出时不同材料含量所占的比例，实现梯度材料的打印；

5)打印完成后，停止注射泵10推进，取出软管11，将3d打印喷头取下，清洗后放置到干燥箱内备下次使用。

所述的流量比例关系和材料含量比例是一一对应的。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

(1)本发明具有多个材料入口，且混合流道6可以使不同的材料在其内部发生混合；通过调控不同材料的注射流量可以实现对打印结构中不同材料所占比例的控制，从而实现梯度材料的打印，并且由于混合流道6的混合作用，使得不同比例的材料在打印结构中分布更加均匀；

(2)本发明采用被动混合的原理，无需增加外部能量场就可以完成不同打印材料之间的混合，并且由于混合流道6内部流道尺寸较小，因此喷头本身体积较小，该喷头具有结构简单、制造周期短、成本低等优点，有利于实现3d打印设备的轻量化和小型化设计。

附图说明

图1为本发明一种基于微流体混合的梯度材料3d打印喷头的结构示意图。

图2为本发明硅胶上膜片1的结构示意图。

图3为本发明硅胶上膜片2的结构示意图。

图4为本发明混合流道6的结构示意图。

图5为本发明混合流道6的混合段8一种结构示意图。

图6为本发明混合流道6的混合段8另一种结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

参照图1、图2和图3，一种基于微流体混合的梯度材料3d打印喷头，包括夹在硅胶上膜片1和硅胶下膜片2之间的毛细钢针3；所述的硅胶上膜片1具有混合流道凹槽和定位孔4，混合流道凹槽和多个材料入口圆孔连通，材料入口圆孔直径为0.2mm-2mm之间；所述的硅胶下膜片2设有方便毛细钢针3安装的凹槽和定位点5，将硅胶上膜片1具有混合流道凹槽的表面与硅胶下膜片2设有方便毛细钢针3安装的凹槽的表面通过定位孔4和定位点5对齐、贴紧并键合，形成封闭的混合流道6；每个材料入口圆孔通过一个软管11和一个注射泵10连接。

所述的硅胶上膜片1所具有混合流道凹槽深度在10μm-1mm之间，所述的硅胶下膜片2设有方便毛细钢针3安装的凹槽深度在10μm-1mm，所述的毛细钢针3内径在100μm-2mm之间。

所述的定位孔4深度在0.1mm-1mm的范围，所述的定位点5高度大小等于定位孔4的深度，从而保证硅胶上膜片1和硅胶下膜片2之间的定位精度。

所述的毛细钢针3通过硅胶下膜片2的安装凹槽插入键合后的硅胶上膜片1和硅胶下膜片2之间形成3d打印喷头出口。

参照图4，所述的混合流道6，根据功能依次分为材料流入段7、混合段8、扩展段9，流入段7有多条分支，每个分支和一个材料入口圆孔连接，分支个数根据所需材料数量决定，不同的材料从流入段7分别流入；当不同的材料进入混合段8时发生混合；混合段8流出的打印材料进入扩展段9，最终从毛细钢针3出口处流出；所述的混合流道6总长在5mm-50mm之间。

参照图5，所述的混合段8具有混合流道结构，基于被动混合的原理该段流道结构由1-20个基本混合单元组成，流道宽度a为200μm-1mm；基本混合单元组成为左右交错排布的一对45°矩形齿，相邻两个齿之间的间距b与相邻两个混合单元之间的间距d相等，为0.01mm-2mm之间；每个齿宽度c均相等为0.01-1mm之间，左侧单个齿的长度e等于右侧单个齿的长度f，为0.04mm-0.4mm之间；不同材料进入混合段8之后，由于混合流道的折叠与挤压作用，使不同材料之间发生混合。

参照图5，所述的混合段8具有混合流道结构，基于被动混合的原理该段流道结构由1-20个基本混合单元组成，流道宽度a为200μm-1mm；基本混合单元组成为左右交错排布的一对45°矩形齿，相邻两个齿之间的间距b为0.01mm-2mm之间，小于相邻两个混合单元之间的间距d；每个齿宽度c均相等为0.01-1mm之间，左侧单个齿的长度e等于右侧单个齿的长度f，为0.04mm-0.4mm之间；不同材料进入混合段8之后，由于混合流道的折叠与挤压作用，使不同材料之间发生混合。

参照图5，所述的混合段8具有混合流道结构，基于被动混合的原理该段流道结构由1-20个基本混合单元组成，流道宽度a为200μm至1mm；基本混合单元组成为左右交错排布的一对45°矩形齿，相邻两个齿之间的间距b大于相邻两个混合单元之间的间距d，为0.01mm-2mm之间；每个齿宽度c均相等为0.01-1mm之间，左侧单个齿的长度e等于右侧单个齿的长度f，为0.04mm-0.4mm之间；不同材料进入混合段8之后，由于混合流道的折叠与挤压作用，使不同材料之间发生混合。

参照图6，所述的混合段8具有混合流道结构，基于被动混合的原理该段流道结构由1-20个基本混合单元组成，流道宽度a为200μm-1mm；基本混合单元组成为左右交错排布的一对45°矩形齿，左右两个齿长度e和f不相等；相邻两个齿之间的间距b与相邻两个混合单元之间的间距d，相等为0.01mm-2mm之间；每个齿宽度c均相等为0.01-1mm之间，左侧单个齿的长度e为长短交错排列，右侧单个齿的长度f也为长短交错排列，所有短齿长度均相等为0.01mm-0.3mm之间，所有长齿长度均相等为0.02mm-0.4mm之间；不同材料进入混合段8之后，由于混合流道的折叠与挤压作用，使不同材料之间发生混合。

参照图6，所述的混合段8具有混合流道结构，基于被动混合的原理该段流道结构由1-20个基本混合单元组成，流道宽度a为200μm-1mm；每个基本混合单元组成为左右交错排布的一对45°矩形齿，左右两个齿长度e和f不相等；相邻两个齿之间的间距b为0.01mm-2mm之间，小于相邻两个混合单元之间的间距d；每个齿宽度c均相等为0.01-1mm之间，左侧单个齿的长度e为长短交错排列，右侧单个齿的长度f也为长短交错排列，所有短齿长度均相等为0.01mm-0.3mm之间，所有长齿长度均相等为0.02mm-0.4mm之间；不同材料进入混合段8之后，由于混合流道的折叠与挤压作用，使不同材料之间发生混合。

参照图6，所述的混合段8具有混合流道结构，基于被动混合的原理该段流道结构由1-20个基本混合单元组成，流道宽度a为200μm-1mm；基本混合单元组成为左右交错排布的一对45°矩形齿，左右两个齿长度e和f不相等；相邻两个齿之间的间距b大于相邻两个混合单元之间的间距d，为0.01mm-2mm之间；每个齿宽度c均相等为0.01-1mm之间，左侧单个齿的长度e为长短交错排列，右侧单个齿的长度f也为长短交错排列，所有短齿长度均相等为0.01mm-0.3mm之间，所有长齿长度均相等为0.02mm-0.4mm之间；不同材料进入混合段8之后，由于混合流道的折叠与挤压作用，使不同材料之间发生混合。

所述的一种基于微流体混合的梯度材料3d打印喷头的打印方法，包括以下步骤：

1)将硅胶上膜片1和硅胶下膜片2通过定位孔4和定位点5对齐、贴紧并键合，并将毛细钢针3插入键合后的硅胶上膜片1和硅胶下膜片2之间；

2)将步骤1)连接好的整体安装在3d打印机的z轴上，毛细钢针3的出口最下端与接收基底之间存在打印接收距离；

3)配置多种打印材料溶液，分别装入多个注射泵10内，每个注射泵10通过软管11与硅胶上膜片1的多个不同材料入口圆孔相连接，连接后推进注射泵10，使不同的打印材料沿着混合流道6的流入段7、混合段8、扩展段9最终从毛细钢针3出口流出至接收基板上；

4)通过控制不同注射泵10的推进，动态调整不同注射泵10的流量，形成流量比例关系，通过改变挤出时不同材料含量所占的比例，实现梯度材料的打印；所述的流量比例关系和材料含量比例是一一对应的；

5)打印完成后，停止注射泵10推进，取出软管11，将3d打印喷头取下，清洗后放置到干燥箱内备下次使用。