一种三维打印方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属3D打印技术领域，特别是涉及一种高精度、高效、高适应性的三维打印方 法。
【背景技术】
[0002] 融熔沉积三维打印机又称为融熔挤压快速成型机，这种打印机首先将成形零件的 三维实体模型进行分层切片，并将成形零件的截面信息储存于STL格式文件中；然后，丝材 由供丝机构送至加热液化管加热、熔融，使得熔融状态的材料在计算机控制下，根据截面信 息由加热喷头挤出、沉积在工作台上，快速凝固形成一层薄层。一层沉积完成后，工作台下 降一个层(设定为切片厚度）的高度，再进行下一层的沉积，新的一层和前一层自然粘结在 一起，如此循环，直到获得最终成形零件。
[0003] 由于上述成型工艺属于增材制造，无需传统的切削加工机床和工模具，制备出任 意复杂形状的三维几何实体，具有高度柔性，材料利用率高，且产品开发周期大大缩短，制 造成本大大降低等优点，因此，非常适合新产品的开发研制，被广泛应用于汽车、航空航天、 医用等领域。
[0004] 目前传统的融熔三维打印机有以下两个特点：（1)成型材料为塑料丝料(直径为 1.75mm)，即采用丝料进料方式；（2)采用滚轮副通过摩擦力将塑料丝料送进挤出装置的加 热料筒而被逐渐加热融熔，在丝材送进过程中，位于加热料筒上段的材料起到类似于活塞 推进的作用，把加热料筒下段处于融熔态的熔体挤出喷嘴。由此导致的缺点是：（1)成型材 料必须首先制备成丝材(直径在1.75mm左右），从而对成型材料的拉伸、延展性、塑性等均有 一定的要求;此外，选用的材料还必须保证制备成丝材后具有足够的抗弯强度，以实现依赖 材料丝本身的活塞推进作用挤出熔体，因此，限制了成型材料选用的自由度，同时提高了成 型材料的成本。（2)现有挤出装置由于摩擦轮输送力和液化管入口到轮间丝材的抗失稳能 力有限，使得成型速度无法提高，喷头的走速为30-300mm/s;在熔体挤出过程中，经常发生 喷嘴堵塞现象，使得喷嘴的直径为0.1-0.5mm左右，同时喷嘴出丝滞后和流涎现象无法克 月艮，从而影响成型件的成型精度和效率，难以实现高密度工件的高效成型。
[0005] 针对上述问题，有研究者对三维打印机装置进行了研究和改进，如中国专利 CN2761402Y(熔体连续挤出装置)中，采用融熔挤出连续设计，省去了送丝系统，通过电机驱 动螺杆直接将融熔的材料从喷嘴挤出。由于采用螺杆设计，挤出力获得一定提高，因此可以 避免喷嘴堵塞现象，同时成型材料通过加料装置直接加入料筒，使得成型材料无需预制成 丝材，不受成型材料形状限制，增大了材料的可选性。不足之处在于对于粘度较低的成型 材料，成型过程中流涎现象无法避免，而且由于螺杆挤出压力提高有限，无法成型粘度高的 高分子材料，如聚碳酸酯、聚苯酚等。又如中国专利CN1586865A(热塑性颗粒体材料的快速 成形螺杆挤压喷头装置）中，同样采用螺杆挤出装置，主要包括推杆送料机构，蜗轮蜗杆一 级减速传动机构，微型挤压螺杆喷头机构和温控加热机构。通过推杆送料机构实现了颗粒 体的间歇送料;采用小模数大传动比的蜗轮蜗杆传动机构，可使喷头的装置结构更紧凑;具 有特殊结构的三段式微型挤压螺杆能够实现送料、压缩，融熔和稳定技术的工艺过程;温控 和加热部分用于对颗粒体的加热并保持融熔温度的稳定。该装置同样不受成型材料形状限 制，增大了材料的可选性，从而降低材料成本，此外，能够提高成型速度，减小流涎。不足之 处在于这种喷头装置仍然靠螺杆提高挤压力，无法成型粘度高的高分子材料，如聚碳酸酯、 聚苯酚等。同时正由于挤压力有限，使得喷嘴的直径为0.3mm，难以实现高精度成型件的制 备。另外，螺杆挤压过程中压力波动较大，使其无法精确控制挤出量，从而导致出丝不稳定， 影响成型件的精度。
[0006] 目前，应用于融熔三维打印机的打印材料主要是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚 乳酸(PLA)、尼龙(PA)等。其中ABS树脂是以接枝共聚物为橡胶相和苯乙烯-丙烯腈为基体相 的两相不均匀系结构，使其兼具有丙烯腈的耐化学性、耐油性和表面硬度，丁二烯的耐寒性 和韧性，苯乙烯的良好介电性、光泽和加工性等综合性能，但是其力学强度不高，且随着分 子量增加，加工性能下降。而PLA力学性能差，易发生脆性断裂，尤其是在熔融成型过程中容 易发生降解，极大的限制了打印制件的使用。而在尼龙材料中，目前使用较多的尼龙12,如 美国Stratasys公司开发的尼龙12,其主要是由于尼龙12的熔融温度在尼龙材料中最低，吸 水率和成型收缩率都较小等原因，最适合作为3D打印材料，但是其价格昂贵，制品力学性能 较差。然而，其他纯尼龙材料由于其分子结构而受到了很大的限制，主要表现在成形温度 高，成形收缩率大，结晶速度慢，当加工温度高于熔点后，熔体粘度小和耐熔垂性能差，采用 融熔三维打印技术打印时从喷嘴挤出的丝在成形平台上容易出现坍塌，同时层间由于收缩 而产生翘边，甚至开裂等缺陷，从而影响3D打印过程的顺利进行及成形件的性能。因此，开 发低成本、高性能的尼龙打印材料具有十分重要的意义。
【发明内容】
[0007] 为了克服已有技术的不足和缺陷，本发明提出了一种三维打印方法，本发明在挤 出装置中采用螺杆和计量栗的组合，通过挤出压力的提高和挤出流量的精确控制，满足不 同粘度聚合物的稳定打印成型，减小甚至避免成型低粘度聚合物时的流涎;其次，由于计量 栗的增压作用可以有效地提高材料从喷嘴的挤出速度，更快的堆积成型件，从而提高成型 效率，同时，由于挤出压力的提高，能够实现结合使用直径更小的喷孔，从而提高成型制品 的精度，此外，由于使用直径更小的喷孔，使挤出丝材比表面积大大增加，其冷却速度增加， 进而能够进一步提高成型速度，而成型速度的提高，可以大大增加挤出丝材分子链的取向 度，从而达到提高成型件力学性能的效果。通过本发明的技术能够有效提高成型材料选择 的自由度，降低材料成本，提高成型制作速度、成型件精度及机械性能等。
[0008] 本发明的一种三维打印方法，其通过熔体进入一三维打印装置进行打印成品，其 特征在于:所述三维打印装置包括三维运动机构、工作平台机构和计算机控制与驱动系统， 其特征是:所述三维打印机装置还包括螺杆挤出机构，所述的工作平台机构安装在三维运 动机构上;所述计算机控制与驱动系统是用于整机的自动控制与驱动；
[0009 ]所述螺杆挤出机构包括供料筒、螺杆挤出机、计量栗和喷头；
[0010] 所述计量栗的进口连接所述螺杆挤出机的出口；所述计量栗的出口连接所述喷头 的进口；
[0011] 所述喷头由输送管道、喷嘴、和冷却装置构成;所述输送管道一端为所述喷头的进 口，连接所述计量栗的出口，其另一端安装所述喷嘴;所述冷却装置安装于所述喷嘴的出口 位置；
[0012] 所述喷嘴至少包括一个喷丝孔，所述喷丝孔由导孔、锥形过渡段和喷丝微孔组成， 所述导孔和所述喷丝微孔通过所述锥形过渡段连接；
[0013] 所述冷却装置为吹风装置，为环吹风装置或侧吹风装置；
[0014] 所述熔体为由尼龙树脂基体和增粘成核剂组成的改性尼龙材料;所述增粘成核剂 是由离子液体和纳米碳素填料复配而成；
[0015] 所述的离子液体由阳离子和阴离子组成，其中阳离子为烷基咪唑离子，其结构式 如下：
[0017] 其中，为甲基或丁基，R2为甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、仲丁基或异丁基；阴离 子为氯离子或溴离子：
[0018] 作为优选的技术方案：
[0019] 如上所述的一种三维打印方法，所述三维运动机构由X轴运动机构、Y轴运动机构 和Z轴运动机构组成;所述X轴运动机构包括X轴电机和丝杜导轨组成;所述Y轴运动机构包 括Y轴电机和丝杠导轨组成;所述Z轴运动机构包括Z轴电机和丝杠导轨组成;所述X轴支撑 固定在Y轴丝杠螺母上，Y轴支撑固定在成型工作平台支撑架上，Z轴竖直固定在基座上;所 述X、Y和Z轴上各有一个运动控制电机，该电机均为步进电机或伺服电机。
[0020] 如上所述的一种三维打印方法，所述工作平台机构由成型工作平台、成型工作平 台支撑架和调平螺母组成;所述成型工作平台安装在所述的X轴运动机构上，具有合适的摩 擦系数，能够很好的固定第一层打印材料;所述成型工作平台支撑架与所述的Υ轴运动机构 固连，同时与Ζ轴运动滑块固接，能够随Ζ轴做上下直线运动;所述调平螺母能够调节成型工 作平台的高度，保证成型工作平台平面对喷头出料口的垂直度要求。
[0021] 如上所述的一种三维打印方法，所述输送管道末端分成1~6路支管，每路支管端 部安装一喷嘴，且在每路支管上安装一截止阀用于控制多喷头的工作状态;喷嘴截面形状 可为圆形、矩形、三角形、菱形中的一种或几种；
[0022] 所述喷嘴至少包括一个喷丝孔是指包括1~1000个喷丝孔;所述喷丝微孔的截面 形状为圆形、矩形、三角形、菱形、十字形、一字形或Υ形;所述喷丝微孔的出口外接圆直径为 10~500um;
[0023] 所述喷嘴安装于转盘;所述冷却装置吹风的风温为15~25°C，风速为0.01~0.1m/ s;所述计量栗熔体流量为0.1~3000L/h，精度为± 0.1 %。
[0024]如上所述的一种三维打印方法，所述改性尼龙材料的恪融指数为1~30g/10min， 结晶度〈20%，熔融温度<300°C，成形收缩率〈1%;所述尼龙树脂基体与所述增粘成核剂的 质量比为1.5~9:1;所述增粘成核剂中离子液体与纳米碳素填料的质量比为10~40 :1;所 述尼龙树脂基体为尼龙6、尼龙66、尼龙1010、尼龙46、尼龙6T或尼龙9T中的一种或多种。 [0025]如上所述的一种三维打印方法，所述纳米碳素填料为单壁碳纳米管、多壁碳纳米 管、石墨烯、碳纳米纤维中的一种或多种。<