一种自旋式三维打印机针头装置及其工作方法与流程

本发明属于三维打印装置领域，具体涉及一种自旋式三维打印机针头装置及其工作方法。

背景技术：

三维印刷即快速成形技术的一种，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。特别是一些高价值应用(比如髋关节或牙齿，或一些飞机零部件)已经有使用这种技术打印而成的零部件。“三维打印”意味着这项技术的普及。

现有技术局限性

三维打印仍然是处于成长过程的技术，还不够成熟，目前主要用于个性化的单件生产。三维打印的主要局限如下：

(1)三维打印与塑料注射机等成熟的大批量成形技术相比，生产成本过高。与传统切削加工技术相比，产品的尺寸精度和表面质量相距较大。成本和质量是新技术普及的第一道关口；

(2)材料的可选择范围可能是最大的障碍，机械设计与制造工程前可以用于三维打印的材料不超过100种，而在工业中应用的材料可能已经超过10000种，且三维打印材料的物理性能尚有待于提高；

(3)三维设计技术的普及关系到三维打印能否进入家庭。市场正在呼唤孩子们能够操作和喜爱的软件，打印物品要成为新一代计算机游戏，引起孩子的兴趣，发挥儿童的创造性，才能有无限光明的未来。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种自旋式三维打印机针头装置，包括机壳1、打印基座2、支撑杆3、自动升降架4、固定滑轨5、移动滑轨6、打印头7、原料箱8、数控装置9；所述机壳1一侧上部设有原料箱8和数控装置9，机壳1内底部设有打印基座2，机壳1内底部四周设有支撑杆3；所述支撑杆3上设置有自动升降架4；所述自动升降架4上设有固定滑轨5；所述固定滑轨5上设有移动滑轨6；所述移动滑轨6上设有打印头7所述支撑杆3材质为锰钛合金钢材质。

进一步的，所述打印头7，包括轨道电机7-1、滑动头7-2、滑动轮7-3、自旋喷头7-4、针头7-5；所述轨道电机7-1竖直向下伸入滑动头7-2内，轨道电机7-1与数控装置9通过导线连接；所述滑动头7-2上端为长方体结构，滑动头7-2下端为圆柱形和圆锥形组合结构，滑动头7-2长方体结构端中间有两个平行布置的矩形通孔，滑动头7-2通过矩形通孔套接在移动滑轨6上；所述滑动轮7-3为圆柱形结构，滑动轮7-3中心轴竖直套接在滑动头7-2中心位置，滑动轮7-3外径与移动滑轨6轨道内径相等；所述自旋喷头7-4位于滑动头7-2下端圆柱形结构内部，滑动头7-2紧密卡放在滑动头7-2圆柱段底部；所述针头7-5为圆柱形中空结构，针头7-5上端与滑动头7-2底端垂直贯通连接。

进一步的，所述自旋喷头7-4，包括竖向叶轮7-4-1、水平叶轮7-4-2；其中所述竖向叶轮7-4-1为矩形薄片，竖向叶轮7-4-1在以自旋喷头7-4中心轴为对称轴均匀分布，竖向叶轮7-4-1的数量为6块；所述水平叶轮7-4-2为圆环形结构，水平叶轮7-4-2外径与竖向叶轮7-4-1水平边长相同，水平叶轮7-4-2内部空心部分直径为水平叶轮7-4-2外径的0.5倍，水平叶轮7-4-2的数量为2块，两块水平叶轮7-4-2在竖直方向上平行均匀布置，两块水平叶轮7-4-2之间的距离为5mm～10mm。

进一步的，所述自旋喷头7-4由高分子材料压模成型，自旋喷头7-4的组成成分和制造过程如下：

第1步、在反应釜中加入电导率为3.5μS/cm～5.0μS/cm的超纯水800～1200份，启动反应釜内搅拌器，转速为60rpm～75rpm，启动加热泵，使反应釜内温度上升至45℃～50℃；依次加入正庚酸乙酯5～10份、油酸乙酯5～10份、丙酸乙酯5～10份，搅拌至完全溶解，调节pH值为4.5～7.5，将搅拌器转速调至80rpm～100rpm，温度为60℃～90℃，酯化反应2～20小时；

第2步、取甘油酸乙酯5～10份、乙醇酸乙酯5～10份粉碎，粉末粒径为100～130目；加入纳米级硼酸铑200～235份混合均匀，平铺于托盘内，平铺厚度为50mm～80mm，采用剂量为1.3kGy～2.0kGy、能量为3.25MeV～3.50MeV的α射线辐照2min～10min；

第3步、经第2步处理的混合粉末溶于氰酸乙酯30～55份中，加入反应釜，搅拌器转速为100rpm～110rpm，温度为105℃～120℃，启动真空泵使反应釜的真空度达到-0.01MPa～-0.02MPa，保持此状态反应2h～20h；泄压并通入氨气，使反应釜内压力为0.01MPa～0.02MPa，保温静置2h～20h；之后搅拌器转速提升至200rpm～220rpm，同时反应釜泄压至0MPa；依次加入松香酸乙酯5～10份、磷酸三乙酯5～10份完全溶解后，加入交联剂15～30份搅拌混合，使得反应釜溶液的亲水亲油平衡值为2.2～3.5，保温静置2h～20h；

第4步、在搅拌器转速为50rpm～65rpm时，依次加入碳酸甲酯5～10份、硫酸二甲酯5～10份和葵酸甲酯5～10份，提升反应釜压力，使其达到1.50MPa～2.45MPa，温度为160℃～185℃，聚合反应2h～20h；反应完成后将反应釜内压力降至0MPa，降温至35℃～40℃，出料，入压模机即可制得自旋喷头7-4；

所述交联剂为对苯二甲酸二甲酯；

所述纳米级硼酸铑的粒径为50nm～80nm。

进一步的，本发明还公开了一种自旋式三维打印机针头装置的工作方法，包括以下内容：

第1步、通过数控装置9将待打印物体的参数输入后，数控装置9控制打印机启动，数控装置9根据待打印物体参数，通过控制自动升降架4在支撑杆3上上下滑动，移动滑轨6在固定滑轨5上平行滑动，打印头7在移动滑轨6上滑动找到参数位置，打印头7到达参数位置后，数控装置9控制打印头7开始输出打印材料，打印头7打印完毕后，数控装置9控制打印头7关闭打印材料并继续定位下一个参数点，直到所有参数打印完毕；

第2步、当打印完成之后，打印头7、移动滑轨6、固定滑轨5和自动升降架4回归初始位置，10min～15min后，可从打印基座2上取出打印成品。

本发明专利公开的一种自旋式三维打印机针头装置及其工作方法，其优点在于：

(1)该装置结构简单，操作方便；

(2)该装置打印头采用高分子自旋喷头，打印材料输出均匀稳定；

(3)整体设备功率小，使用成本低。

本发明所述的一种自旋式三维打印机针头装置及其工作方法，打印头采用高分子自旋喷头，打印材料输出均匀稳定，功率小，使用成本低，结构简单，操作方便。

附图说明

图1是本发明中所述的一种自旋式三维打印机针头装置示意图。

图2是本发明中打印头示意图。

图3是本发明中自旋喷头结构示意图。

图4是本发明中所述的自旋喷头打印成品率随使用时间变化图。

以上图1～图3中，机壳1，打印基座2，支撑杆3，自动升降架4，固定滑轨5，移动滑轨6，打印头7，轨道电机7-1，滑动头7-2，滑动轮7-3，自旋喷头7-4，竖向叶轮7-4-1，水平叶轮7-4-2，针头7-5，原料箱8，数控装置9。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明提供的一种自旋式三维打印机针头装置及其工作方法进行进一步说明。

如图1所示，是本发明提供的一种自旋式三维打印机针头装置示意图。从图中看出，包括机壳1、打印基座2、支撑杆3、自动升降架4、固定滑轨5、移动滑轨6、打印头7、原料箱8、数控装置9；通过数控装置9将待打印物体的参数输入后，数控装置9控制打印机启动，数控装置9根据待打印物体参数，通过控制自动升降架4在支撑杆3上上下滑动，移动滑轨6在固定滑轨5上平行滑动，打印头7在移动滑轨6上滑动找到参数位置，打印头7到达参数位置后，数控装置9控制打印头7开始输出打印材料，打印头7打印完毕后，数控装置9控制打印头7关闭打印材料并继续定位下一个参数点，直到所有参数打印完毕，所述支撑杆3材质为锰钛合金钢材质。

如图2所示，是本发明中所述的打印头示意图。从图1或图2中看出，所述打印头7，包括轨道电机7-1、滑动头7-2、滑动轮7-3、自旋喷头7-4、针头7-5；所述轨道电机7-1竖直向下伸入滑动头7-2内，轨道电机7-1与数控装置9通过导线连接；所述滑动头7-2上端为长方体结构，滑动头7-2下端为圆柱形和圆锥形组合结构，滑动头7-2长方体结构端中间有两个平行布置的矩形通孔，滑动头7-2通过矩形通孔套接在移动滑轨6上；所述滑动轮7-3为圆柱形结构，滑动轮7-3中心轴竖直套接在滑动头7-2中心位置，滑动轮7-3外径与移动滑轨6轨道内径相等；所述自旋喷头7-4位于滑动头7-2下端圆柱形结构内部，滑动头7-2紧密卡放在滑动头7-2圆柱段底部；所述针头7-5为圆柱形中空结构，针头7-5上端与滑动头7-2底端垂直贯通连接。

如图3所示，是本发明中所述的自旋喷头结构示意图，从图3中看出，所述自旋喷头7-4，包括竖向叶轮7-4-1、水平叶轮7-4-2；其中所述竖向叶轮7-4-1为矩形薄片，竖向叶轮7-4-1在以自旋喷头7-4中心轴为对称轴均匀分布，竖向叶轮7-4-1的数量为6块；所述水平叶轮7-4-2为圆环形结构，水平叶轮7-4-2外径与竖向叶轮7-4-1水平边长相同，水平叶轮7-4-2内部空心部分直径为水平叶轮7-4-2外径的0.5倍，水平叶轮7-4-2的数量为2块，两块水平叶轮7-4-2在竖直方向上平行均匀布置，两块水平叶轮7-4-2之间的距离为5mm～10mm。

本发明所述的一种自旋式三维打印机针头装置及其工作方法的工作过程是。

第1步、通过数控装置9将待打印物体的参数输入后，数控装置9控制打印机启动，数控装置9根据待打印物体参数，通过控制自动升降架4在支撑杆3上上下滑动，移动滑轨6在固定滑轨5上平行滑动，打印头7在移动滑轨6上滑动找到参数位置，打印头7到达参数位置后，数控装置9控制打印头7开始输出打印材料，打印头7打印完毕后，数控装置9控制打印头7关闭打印材料并继续定位下一个参数点，直到所有参数打印完毕；

第2步、当打印完成之后，打印头7、移动滑轨6、固定滑轨5和自动升降架4回归初始位置，10min～15min后，可从打印基座2上取出打印成品。

本发明所述的一种自旋式三维打印机针头装置及其工作方法，打印头采用高分子自旋喷头，打印材料输出均匀稳定，功率小，使用成本低，结构简单，操作方便。

以下是本发明所述自旋喷头7-4的制造过程的实施例，实施例是为了进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。

若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

实施例1

按照以下步骤制造本发明所述自旋喷头7-4，并按重量份数计：

第1步、在反应釜中加入电导率为3.5μS/cm的超纯水800份，启动反应釜内搅拌器，转速为60rpm，启动加热泵，使反应釜内温度上升至45℃；依次加入正庚酸乙酯5份、油酸乙酯5份、丙酸乙酯5份，搅拌至完全溶解，调节pH值为4.5，将搅拌器转速调至80rpm，温度为60℃，酯化反应2小时；

第2步、取甘油酸乙酯5份、乙醇酸乙酯5份粉碎，粉末粒径为100目；加入纳米级硼酸铑200份混合均匀，平铺于托盘内，平铺厚度为50mm，采用剂量为1.3kGy、能量为3.25MeV的α射线辐照2min；

第3步、经第2步处理的混合粉末溶于氰酸乙酯30份中，加入反应釜，搅拌器转速为100rpm，温度为105℃，启动真空泵使反应釜的真空度达到-0.01MPa，保持此状态反应2h；泄压并通入氨气，使反应釜内压力为0.01MPa，保温静置2h；之后搅拌器转速提升至200rpm，同时反应釜泄压至0MPa；依次加入松香酸乙酯5份、磷酸三乙酯5份完全溶解后，加入交联剂15份搅拌混合，使得反应釜溶液的亲水亲油平衡值为2.2，保温静置2h；

第4步、在搅拌器转速为50rpm时，依次加入碳酸甲酯5份、硫酸二甲酯5份和葵酸甲酯5份，提升反应釜压力，使其达到1.50MPa，温度为160℃，聚合反应2h；反应完成后将反应釜内压力降至0MPa，降温至35℃，出料，入压模机即可制得自旋喷头7-4；

所述交联剂为对苯二甲酸二甲酯；

所述纳米级硼酸铑的粒径为50nm。

实施例2

按照以下步骤制造本发明所述自旋喷头7-4，并按重量份数计：

第1步、在反应釜中加入电导率为5.0μS/cm的超纯水1200份，启动反应釜内搅拌器，转速为75rpm，启动加热泵，使反应釜内温度上升至50℃；依次加入正庚酸乙酯10份、油酸乙酯10份、丙酸乙酯10份，搅拌至完全溶解，调节pH值为7.5，将搅拌器转速调至100rpm，温度为90℃，酯化反应20小时；

第2步、取甘油酸乙酯10份、乙醇酸乙酯10份粉碎，粉末粒径为130目；加入纳米级硼酸铑235份混合均匀，平铺于托盘内，平铺厚度为80mm，采用剂量为2.0kGy、能量为3.50MeV的α射线辐照10min；

第3步、经第2步处理的混合粉末溶于氰酸乙酯55份中，加入反应釜，搅拌器转速为110rpm，温度为120℃，启动真空泵使反应釜的真空度达到-0.02MPa，保持此状态反应20h；泄压并通入氨气，使反应釜内压力为0.02MPa，保温静置20h；之后搅拌器转速提升至220rpm，同时反应釜泄压至0MPa；依次加入松香酸乙酯10份、磷酸三乙酯10份完全溶解后，加入交联剂30份搅拌混合，使得反应釜溶液的亲水亲油平衡值为3.5，保温静置20h；

第4步、在搅拌器转速为65rpm时，依次加入碳酸甲酯10份、硫酸二甲酯10份和葵酸甲酯10份，提升反应釜压力，使其达到2.45MPa，温度为185℃，聚合反应20h；反应完成后将反应釜内压力降至0MPa，降温至40℃，出料，入压模机即可制得自旋喷头7-4；

所述交联剂为对苯二甲酸二甲酯；

所述纳米级硼酸铑的粒径为80nm。

实施例3

按照以下步骤制造本发明所述自旋喷头7-4，并按重量份数计：

第1步、在反应釜中加入电导率为4.0μS/cm的超纯水1000份，启动反应釜内搅拌器，转速为65rpm，启动加热泵，使反应釜内温度上升至46℃；依次加入正庚酸乙酯7份、油酸乙酯7份、丙酸乙酯7份，搅拌至完全溶解，调节pH值为5.5，将搅拌器转速调至90rpm，温度为70℃，酯化反应10小时；

第2步、取甘油酸乙酯7份、乙醇酸乙酯7份粉碎，粉末粒径为110目；加入纳米级硼酸铑215份混合均匀，平铺于托盘内，平铺厚度为60mm，采用剂量为1.6kGy、能量为3.40MeV的α射线辐照6min；

第3步、经第2步处理的混合粉末溶于氰酸乙酯45份中，加入反应釜，搅拌器转速为105rpm，温度为110℃，启动真空泵使反应釜的真空度达到-0.013MPa，保持此状态反应10h；泄压并通入氨气，使反应釜内压力为0.013MPa，保温静置10h；之后搅拌器转速提升至210rpm，同时反应釜泄压至0MPa；依次加入松香酸乙酯7份、磷酸三乙酯7份完全溶解后，加入交联剂20份搅拌混合，使得反应釜溶液的亲水亲油平衡值为2.8，保温静置10h；

第4步、在搅拌器转速为55rpm时，依次加入碳酸甲酯7份、硫酸二甲酯7份和葵酸甲酯7份，提升反应釜压力，使其达到1.90MPa，温度为175℃，聚合反应10h；反应完成后将反应釜内压力降至0MPa，降温至38℃，出料，入压模机即可制得自旋喷头7-4；

所述交联剂为对苯二甲酸二甲酯；

所述纳米级硼酸铑的粒径为60nm。

对照例

对照例为市售某品牌的打印头喷头。

实施例4

将实施例1～3制备获得的自旋喷头7-4和对照例所述的打印头喷头用于材料打印使用效果对比。对二者单位重量、材料打印速度、打印精准度、打印残品率进行统计，结果如表1所示。

从表1可见，本发明所述的自旋喷头7-4，其单位重量、材料打印速度、打印精准度、打印残品率进行统计均优于现有技术生产的产品。

此外，如图4所示，是本发明所述的自旋喷头7-4随时间增加打印成品率的统计。图中看出，实施例1～3所用自旋喷头7-4，其使用时间和打印成品率均大幅优于现有产品。