醋酸纤维素制品的3d打印成形装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种醋酸纤维素制品的3D打印成形装置及方法，其装置由喷射系统、粉末供给系统、三维运动系统、成形环境系统、数据转换及控制系统等部分组成；本发明结合了醋酸纤维素材料及3D打印成形理念，结构合理简单，利用醋酸纤维素材料溶于丙酮等有机溶剂的特点，实现了快速制备醋酸纤维素材料复杂制品；本发明无需如选择性激光烧结工艺需激光烧结粉末，能够节约能源；有机溶剂挥发后，醋酸纤维素能够自行粘结成一体，无其他杂质残留，因此也无需如三维印刷打印采用粘接剂粘结粉末，避免了粘结强度低、杂质存留影响光学效果；本发明可用于制备具有特殊用途的光学制品及工艺品，同时扩展了3D打印耗材的种类，对3D打印技术的普及具有重要意义。
【专利说明】
醋酸纤维素制品的3D打印成形装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于先进制造领域，特别涉及一种基于醋酸纤维素材料的3D打印装置及方法。
【背景技术】
[0002]3D打印制造技术是信息技术、新材料技术与制造技术多学科融合发展的先进制造技术，是大批量制造模式向个性化制造模式发展的引领技术，其基本原理是指在计算机管理和控制下，根据零件的CAD模型，采用材料精确堆积(由点堆积成面，由面堆积成三维实体)的方法制造原型或零件的技术。目前已出现的技术主要有熔融沉积制造(FDM)、选择性激光烧结成形(SLS)、立体光固化成形(SLA)等。3D打印耗材主要有塑料丝材、金属粉末、光敏树脂等。目前能应用于3D打印的耗材种类相对于已广泛应用的各类材料来说依然非常稀少，而且主要以力学性能为指标进行耗材的相关研发，而对于各类具有特殊性能的材料而言，研究较少，比如用于制备光学镜片的高透光材料、导电材料、耐高温材料等。因此，要扩大3D打印的应用范围，必须结合上述特种材料的特殊性能，研究新型3D打印装置及方法。
[0003]醋酸纤维素是由天然纤维素经过乙酰化反应得到的纤维素酯，根据不同的醋酸纤维素品种及选择相应的助剂，可制成机械、汽车、飞机、电气设备的相关部件及家庭日用品等。其中三醋酸纤维素膜在380nm?780nm之间的透光率达到97%，具有极好的透光性质，已成为液晶显示器中的不可或缺的重要功能性光学薄膜。
[0004]目前对于醋酸纤维素结构制品常采用挤出及注射成形的方法进行制备，随着人们对产品个性化需求的日益增加，制品结构日趋复杂，导致模具成本不断升高，3D打印技术成为了制备结构复杂制品的新途径。而醋酸纤维素具有可溶于丙酮、二氯甲烷、乙酸和三氟乙酸等溶剂的特性，可基于此特性制备造型结构复杂、透光度高的醋酸纤维素工艺品。
【发明内容】
[0005]本发明旨在提供一种可加工醋酸纤维素制品的3D打印机，根据醋酸纤维素具有可溶于丙酮、二氯甲烷、乙酸和三氟乙酸等溶剂的特点，将有机溶剂定点喷洒到醋酸纤维素粉末上，粉末溶于溶剂并粘结，通过控制三维移动平台运动，使之层层堆积，待有机溶剂挥发并处理后，醋酸纤维素粉末便粘结成造型复杂、透明度高的立体制品。本发明可用于制备具有特殊用途的光学制品及工艺品，同时扩展了 3D打印耗材的种类，对3D打印技术的普及具有重要意义。
[0006]本发明的技术方案是，醋酸纤维素制品3D打印成形装置，由喷射系统、粉末供给系统、三维运动系统、成形环境系统、数据转换及控制系统等部分组成；其中喷射系统包括喷嘴和溶剂存储盒；其中粉末供给系统包括储粉腔、成形腔、铺粉辊、储粉腔活塞、成型腔活塞和回收腔；其中成形环境系统包括有机溶剂挥发物的收集及浓度检测装置；其中三维运动系统包括X向运动机构、Y向运动机构、Z向储粉腔运动机构、Z向成形腔运动系统；其中数据转换及控制系统包括数据储存器和运动控制卡；制品的三维数字模型通过数据转换及控制系统转换为3D打印指令，最终将制品打印成形。
[0007]本发明醋酸纤维素制品的3D打印成形装置中的喷射系统包括喷嘴和溶剂存储盒；其中喷嘴为压电式喷嘴，通过压电晶体在外加电压下变形这一特性，给压电晶体加一个强脉冲电压，喷嘴中存储液体装置的体积会发生突然变化，从而让流体从固定的小孔中喷出，达到喷出溶剂的目的，喷头在控制系统的指令下，将溶剂准确地喷射到指定位置；其中溶剂存储盒用于储存有机溶剂，应采取一定的密封措施，防止有机溶剂泄露，且此装置分割成多储存室，用于储存多色有机溶剂，用于制备多色醋酸纤维素制品；溶剂存储盒应保持一定的背压，保证溶剂能够顺畅流到喷嘴处。
[0008]本发明醋酸纤维素制品的3D打印成形装置中的粉末供给系统，包括储粉腔、成形腔、铺粉辊、储粉腔活塞、成型腔活塞和回收腔，用于醋酸纤维素粉末的储存、铺粉、回收、刮粉和压实等功能；储粉腔与成型腔是两个没有上下表面长方体腔体，分别与储粉腔活塞和成型腔活塞配合，形成可以盛放粉末材料的容积空间。回收腔由一个上表面开口的箱体构成，紧贴着成型腔以回收成型腔多余的粉末材料，回收腔底部有可开合的抽板，方便将收集的多余粉末取出；储粉腔活塞和成型腔活塞分别由Z向储粉腔运动机构、Z向成形腔运动机构带动，实现精密的上升和下降运动。
[0009]本发明醋酸纤维素制品的3D打印成形装置中的三维运动系统，其运动精度是决定成型精度的因素之一。其水平方向的运动包括X向和Y向运动。喷头在X向和Y向运动机构的带动下，在粉末平面上方做扫描运动，水平方向运动机构的运动精度直接影响每层截面的形状和位置精度；Z方向运动机构的主要功能是带动储粉腔活塞和成型腔活塞沿竖直方向精确地运动，每层加工的厚度由储粉腔下降的高度决定，故Z方向运动机构的运动精度直接影响每层成型的厚度精度；储粉腔活塞和成型腔活塞需要承载一定重量的粉末材料，并且与粉末存放腔体内壁保持较严实的接触以防止粉末材料泄露，活塞在腔体中运动需要克服一定的阻力，故所述的Z方向运动机构需要有较大的驱动力，并有自锁功能。
[0010]本发明醋酸纤维素制品的3D打印成形装置中的成形环境系统包括成形室内有机溶剂挥发物的收集及浓度检测装置；因醋酸纤维素的有机溶剂挥发性较强，且挥发物对人体有害，因此需用鼓风装置对成形室进行排气，并通过浓度检测装置检测挥发物浓度。
[0011]本发明醋酸纤维素制品的3D打印成形装置中的数据转换及控制系统分为数据储存器和运动控制卡；其中数据储存器将三维数字模型的切片文件储存于设备中；运动控制卡用于控制Z向储粉腔运动机构、Z向成形腔运动机构、X向运动机构、Y向运动机构、铺粉辊的转动以及溶剂的喷射。
[0012]本发明醋酸纤维素制品的3D打印成形方法为:铺粉辊从储粉腔中将醋酸纤维素粉末平铺在成形腔上表面，同时有机溶剂从溶剂储存盒输送到喷嘴处，喷嘴由X向运动和Y向运动机构带动下按照三维数字模型的截面轮廓在粉末层上定点喷射，使粉末溶于有机溶齐U，实现截面轮廓内的粉末及与下面已成形的部分实现粘结；当一层截面粘结完成后，Z向运动机构带动储粉腔活塞上移一层的厚度，带动成形腔活塞下移一层的厚度，铺粉辊又在上面铺上一层醋酸纤维素粉末，进行新一层截面的粘结，直至完成整个模型。
[0013]本发明结合了醋酸纤维素材料及3D打印成形理念，结构合理简单，利用醋酸纤维素材料溶于丙酮等有机溶剂的特点，实现了快速制备醋酸纤维素材料复杂制品；本发明无需如选择性激光烧结工艺需激光烧结粉末，能够节约能源；有机溶剂挥发后，醋酸纤维素能够自行粘结成一体，无其他杂质残留，因此也无需如三维印刷打印采用粘接剂粘结粉末，避免了粘结强度低、杂质存留影响光学效果；本发明可用于制备具有特殊用途的光学制品及工艺品，同时扩展了 3D打印耗材的种类，对3D打印技术的普及具有重要意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明醋酸纤维素制品3D打印成形装置的原理图。
[0015]1-溶剂存储盒，2-喷头，3-铺粉辊，4-储粉腔，5-成形腔，6_储粉腔活塞，7_成形腔活塞，8-X向运动机构，9-Y向运动机构，1-Z向储粉腔运动机构，Il-Z向成形腔运动系统，12-回收腔，13-挥发物收集器，14-挥发物检测器，15-运动控制卡，16-数据储存器，
17-有机溶剂，18-成形制品。
【具体实施方式】
[0016]本发明提供的醋酸纤维素制品的3D打印成形装置，如图1所示，由喷射系统、粉末供给系统、三维运动系统、成形环境系统、数据转换及控制系统等部分组成；其中喷射系统包括溶剂存储盒I和喷嘴2 ;其中粉末供给系统包括铺粉辊3、储粉腔4、成形腔5、储粉腔活塞6、成形腔活塞7和回收腔12、;其中成形环境系统包括挥发物收集器13和挥发物检测器14 ;其中三维运动系统包括X向运动机构8、Y向运动机构9、Z向储粉腔运动机构10、Z向成形腔运动系统11 ;制品18的三维数字模型通过数据储存器16传输到运动控制卡15转换为3D打印指令,最终将制品18打印成形。
[0017]本发明醋酸纤维素制品的3D打印成形方法，铺粉辊3从储粉腔4中将醋酸纤维素粉末平铺在成形腔5上表面，同时有机溶剂17从溶剂储存盒I输送到喷嘴2处，喷嘴由X向运动机构8和Y向运动机构9带动下按照三维数字模型的截面轮廓在粉末层上定点喷射，使粉末溶于有机溶剂17，实现截面轮廓内的粉末及与下面已成形的部分实现粘结。当一层截面粘结完成后，Z向储粉腔运动机构10带动储粉腔活塞6上移一层的厚度，Z向成形腔运动系统11带动成形腔活塞7下移一层的厚度，铺粉辊3又在上面铺上一层醋酸纤维素粉末，进行新一层截面的粘结，直至完成整个模型18。
【权利要求】
1.醋酸纤维素制品的3D打印成形装置，其特征在于:由喷射系统、粉末供给系统、三维运动系统、成形环境系统、数据转换及控制系统等部分组成；其中喷射系统包括喷嘴和溶剂存储盒；其中粉末供给系统包括储粉腔、成形腔、铺粉辊、储粉腔活塞、成型腔活塞和回收腔；其中成形环境系统包括有机溶剂挥发物的收集及浓度检测装置；其中三维运动系统包括X向运动机构、Y向运动机构、Z向储粉腔运动机构、Z向成形腔运动系统；其中数据转换及控制系统包括数据储存器和运动控制卡；制品的三维数字模型通过数据转换及控制系统转换为3D打印指令，最终将制品打印成形。
2.根据权利要求1所述的醋酸纤维素制品的3D打印成形装置，其特征在于:喷嘴为压电式喷嘴，通过压电晶体在外加电压下变形这一特性，给压电晶体加一个强脉冲电压，喷嘴中存储液体装置的体积会发生突然变化，从而让流体从固定的小孔中喷出，喷头在控制系统的指令下，将溶剂准确地喷射到指定位置。
3.根据权利要求1所述的醋酸纤维素制品的3D打印成形装置，其特征在于:溶剂存储盒采取密封措施，分割成多储存室，溶剂存储盒内保持一定的背压。
4.根据权利要求1所述的醋酸纤维素制品的3D打印成形装置，其特征在于:储粉腔与成型腔是两个没有上下表面长方体腔体，分别与储粉腔活塞和成型腔活塞配合，形成可以盛放粉末材料的容积空间，回收腔由一个上表面开口的箱体构成，紧贴着成型腔以回收成型腔多余的粉末材料，回收腔底部有可开合的抽板，方便将收集的多余粉末取出；储粉腔活塞和成型腔活塞分别由Z向储粉腔运动机构、Z向成形腔运动机构带动。
5.根据权利要求1所述的醋酸纤维素制品的3D打印成形装置，其特征在于:喷头在X向和Y向运动机构的带动下，在粉末平面上方做扫描运动，水平方向运动机构的运动精度直接影响每层截面的形状和位置精度；Z方向运动机构的主要功能是带动储粉腔活塞和成型腔活塞沿竖直方向精确地运动，每层加工的厚度由储粉腔下降的高度决定；储粉腔活塞和成型腔活塞需要承载一定重量的粉末材料，并且与粉末存放腔体内壁保持较严实的接触以防止粉末材料泄露，活塞在腔体中运动需要克服一定的阻力，故所述的Z方向运动机构需要有较大的驱动力，并有自锁功能。
6.根据权利要求1所述的醋酸纤维素制品的3D打印成形装置，其特征在于:用鼓风装置对成形室进行排气，并通过浓度检测装置检测挥发物浓度。
7.根据权利要求1所述的醋酸纤维素制品的3D打印成形装置，其特征在于:数据储存器将三维数字模型的切片文件储存于设备中；运动控制卡用于控制Z向储粉腔运动机构、Z向成形腔运动机构、X向运动机构、Y向运动机构、铺粉辊的转动以及溶剂的喷射。
8.醋酸纤维素制品的3D打印成形方法，其特征在于:铺粉辊从储粉腔中将醋酸纤维素粉末平铺在成形腔上表面，同时有机溶剂从溶剂储存盒输送到喷嘴处，喷嘴由X向运动和Y向运动机构带动下按照三维数字模型的截面轮廓在粉末层上定点喷射，使粉末溶于有机溶齐U，实现截面轮廓内的粉末及与下面已成形的部分实现粘结；当一层截面粘结完成后，Z向运动机构带动储粉腔活塞上移一层的厚度，带动成形腔活塞下移一层的厚度，铺粉辊又在上面铺上一层醋酸纤维素粉末，进行新一层截面的粘结，直至完成整个模型。
【文档编号】B29C67/00GK104260357SQ201410554407
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月17日 优先权日:2014年10月17日
【发明者】杨卫民, 迟百宏, 解利杨, 焦志伟, 谭晶, 丁玉梅 申请人:北京化工大学