一种背压式电流体柔性材料3D打印机用喷头的制作方法

本发明涉及3D打印技术、静电纺丝技术、柔性材料成型技术的综合技术，更具体地，涉及一种背压式电流体柔性材料3D打印机用喷头，该喷头特别适用于3D打印的应用领域和柔性材料的成型领域，以及生物3D打印领域。

背景技术：

现有的3D打印技术，材料是制约3D打印技术发展的瓶颈，目前最为流行的材料是PLA和ABS等，这些材料均属于硬材料；在硬材料成型技术上，目前普遍能达到的精度，FDM(熔融堆积技术)X对应的是0.025mm，Y对应的是0.025mm，Z对应的是0.1mm。截止2016年05月23日号称全球精度最高的DLP 3D打印机iNTEGRATOR是由一个初创公司CRAFT3D在Kickstarter众筹平台上推出的一款桌面级数字光刻(DLP)3D打印机，它能达到的精度X、Y上均为25～65μm，层厚精度可达10μm。在激光成型技术领域精度远远优于熔融堆积3D打印技术领域。

熔融堆积3D打印技术原理用于柔性材料成型更有更广阔的发展空间，在柔性材料3D打印成型领域的技术关键是解决成型问题和精度问题，软材料和硬材料由于本身的性质差别，成型方法和提高精度的方法是解决柔性材料3D打印的关键所在。

现有文献中，为实现柔性料3D打印大多使用的是推注挤出的方法，精度得不到保证；而技术人员主要是从柔性材料改性的角度对现有的3D打印技术进行改进。例如，现有文献Sungmin Hong,Dalton Sycks,Hon Fai Chan,Shaoting Lin,Gabriel P.Lopez,Farshid Guilak,Kam W.Leong,and Xuanhe Zhao,Adv.Mater.2015,27,4035–4040，在实现柔性材料3D打印时注重材料的改性；另外一篇文献Junhua Wei,Jilong Wang,Siheng Su,Shiren Wang,Jingjing Qiu,Zhenhuan Zhang,Gordon Christopher,Fuda Ning and Weilong Cong,RSC Adv.,2015,5,81324–81329，在实现3D成型的设备上也是使用推注法，结构很简单。尽管柔性材料改性在一定程度上解决了柔性材料3D打印的问题，但这些针对柔性材料的改性方法往往成本高、针对的柔性材料类型有限，并且会影响打印出来的产品的性质，稳定性有待提高。其他改进手段也普遍存在精度不好、适用材料单一的缺陷。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种背压式电流体柔性材料3D打印机用喷头及采用该喷头的3D打印机，其中通过对喷头关键的组成部件及其参数，如针头的直径、储料室气压值、针头与对应电极(即导电金属薄膜或者同步探针)之间的距离及电压差等进行改进，与现有技术相比能够有效解决柔性材料打印精度不高的问题，并且该喷头可适用于多种柔性材料，适用性高、稳定性好。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种背压式电流体柔性材料3D打印机用喷头，其特征在于，包括储料室(2)、滑动台(3)、进气口和进料口，其中，

所述储料室(2)用于容纳待打印的柔性材料，该储料室(2)设置在所述滑动台(3)上，在所述储料室(2)的下方设置有针头，该滑动台(3)用于带动所述储料室(2)及所述针头移动；

所述进气口和所述进料口均设置在所述储料室(2)的上方，所述进料口用于向该储料室(2)内补充所述待打印的柔性材料；所述进气口则用于向该所述储料室(2)提供气压，使该储料室(2)内容纳的所述待打印的柔性材料沿所述针头射出到所述储料室(2)的外部；

在所述针头的下方还设置有导电金属薄膜或者同步探针，所述同步探针与所述针头同步移动；该导电金属薄膜或者所述同步探针与所述针头之间具有电压差。

作为本发明的进一步优选，所述导电金属薄膜与所述针头两者的距离或者所述同步探针与所述针头两者的距离均为不超过50mm。

作为本发明的进一步优选，所述针头的直径为不超过3mm。

作为本发明的进一步优选，所述待打印的柔性材料为高分子材料，或者为由两种以上原材料复合而成的复合柔性材料；优选的，该待打印的柔性材料为水凝胶。

作为本发明的进一步优选，所述储料室(2)内的气压为不超过10.1MPa。

作为本发明的进一步优选，所述导电金属薄膜与所述针头两者的电压差或者所述同步探针与所述针头两者的电压差均为不超过20kV。

作为本发明的进一步优选，该喷头的移动速率为10mm/s～1000mm/s。

作为本发明的进一步优选，所述喷头还包括气压调节器和气压计，该气压计与所述储料室(2)相连，用于测量该储料室(2)内的气压值；所述气压调节器通过所述进气口与所述储料室(2)相连，用于根据所述气压计测量得到的气压值向所述储料室(2)提供气压。

按照本发明的另一方面，本发明提供了一种采用上述背压式电流体柔性材料3D打印机用喷头作为喷头的3D打印机。

作为本发明的进一步优选，该喷头的移动速率为10mm/s～1000mm/s。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，通过对喷头关键的组成部件及其参数，如针头的直径、储料室气压值、针头与对应电极之间的距离及电压差等进行改进，与现有技术相比能够有效解决柔性材料打印精度不高的问题，并且该喷头可适用于多种柔性材料，适用性高、稳定性好。

本发明通过对柔性材料的成型方式进行改进，得到了相应的背压式电流体柔性材料3D打印机用喷头，该喷头尤其适用于3D打印柔性材料；该喷头综合了柔性材料的材料成型特点，并参考静电纺丝技术，对3D打印结构进行优化，提供了可用于实现柔性材料的三维规模微尺度、高精度成型的打印喷头及相应的3D打印机(即，采用本发明中的背压式电流体柔性材料3D打印机用喷头作为喷头的3D打印机)，通过对柔性材料的成型方式进行改进，能够实现高精度的打印精度，有效地协调好了3D打印成型领域中成型问题与精度问题两者的关系。

本发明中的喷头参考静电纺丝技术，在提高3D打印在柔性材料方向的应用方面有着至关重要的作用。静电纺丝技术兴起于上世纪40年代初，到现在该技术已经发展成熟，现有的静电纺丝技术在成膜的取向度方面由于技术的缺陷很难达到很好地取向度，而本发明通过将3D打印技术与静电纺丝技术相结合，尤其是将喷头移动速率控制在10mm/s～1000mm/s，使其与牵引电场强度等参数相互配合，能够实现高取向度薄膜的制备。

就目前打印柔性材料的设备而言，对材料的推动大多是采用推注式或者螺旋式挤出，当持续施加压力时，待打印的柔性材料将被不间断的挤出(如图3B所示)，对后续静电场牵引出丝不利；而本发明则是参考静电纺丝的原理，通过向储料室提供气压，尤其是通过将气压控制在阈值点，使针管内的待打印的柔性材料其自身重力、气压压力合力，与管壁的粘力、摩擦力合力两者之间保持平衡，以便使材料达到挤出阈值状态(如图3A所示)，即使气压保持稳定，待打印的柔性材料将一直维持在挤出阈值状态，从而更利于后续的静电场牵引出丝。本发明通过将针头的直径控制为不超过3mm(尤其是0.4mm)、储料室内的气压控制为不超过10.1MPa(尤其是0.125MPa)，使得针管内的待打印的柔性材料(如PVA溶液等)其自身重力、气压压力合力，与管壁的粘力、摩擦力合力两者之间保持平衡，形成挤出阈值状态，后续施加电场后，待打印的柔性材料能够更容易在静电场的牵引下出丝。

本发明通过对喷头进行改进，再综合设置可调高压静电发生器、气压微调节系统、进料控制器、以及材料初级混合器，通过这几个模块之间的相互配合，能够实现3D打印设备的稳定运行，能够实现优良的结果输出(如，高取向度的薄膜3D打印输出)。

本发明中的背压式电流体柔性材料3D打印机用喷头及采用该喷头的3D打印机通过参考静电纺丝技术，综合快速成型的3D打印技术和柔性材料成型方法，可以X、Y、Z任意方向上精度控制在50μm以下(即，0～50μm，可控性高。

附图说明

图1是本发明背压式电流体柔性材料3D打印机用喷头的结构示意图；

图2是本发明中采用背压式电流体柔性材料3D打印机用喷头作为喷头的3D打印机的功能模块示意图；

图3A是本发明气压控制挤出阈值状态的示意图，图3B是现有推注式挤出的对比示意图。

图中各附图标记的含义如下：1为喷头与3D打印机主体的连接接口，2为储料室(如带针头的10ml标准注射器)，3为滑动台，4为进气口和进料口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

如图1所示，背压式电流体柔性材料3D打印机用喷头主要包括连接接口1、储料室2、滑动台3、以及进气口和进料口4，其中，连接接口1用于将喷头与3D打印机其他部分相连接，该连接接口1是一个友好接口，可依据3D打印机的具体种类形状灵活调整，实现喷头与3D打印机的友好对接；储料室2与针头相连，用于盛放待打印的材料，尤其是软材料，该储料室2可以是带针头的10ml标准注射器；滑动台3为z方向上可动滑台(根据需要，滑动台3也可在x、y方向移动)，其高度可依据实验需求灵活控制；进气口和进料口4可设置有密封圈，例如，进气口和进料口4与滑动台3之间可用螺栓紧固链接，螺栓中间的橡胶密封圈实现很好的气密性。该背压式电流体柔性材料3D打印机用喷头为可移植性的柔性材料打印喷头。

当需要3D打印时，以XYZ型3D打印机为例(如市售桌面级3D打印机)，该背压式电流体柔性材料3D打印机用喷头通过连接接口1安装在XYZ型3D打印机上，进气口和进料口4分别与气压调节系统(如气压微调节系统，该气压微调节系统的出气口)和进料系统用相应的导管连接；然后，在3D打印机的载物台上铺上导电金属薄膜，或者在该喷头下方设置一个随喷头同步运动的探针(记此探针为同步探针)，再将与喷头中的储料室2相连的针头连接高压电的正极，下方的导电金属薄膜或同步探针则连接高压电发生器的负极。通过控制合适的高压电电压、以及针头与极板之间的距离，并同时控制由气压微调节器来控制材料的挤出推动力，可以基于3D打印机的工作原理来实现柔性材料的3D打印。以浓度为质量分数8％的PVA溶液作为待打印的柔性材料为例，该喷头优选的高压电电压为5kV，针头(即正极)与负极之间的距离优选为15mm(即，正极与负极之间的电场强度优选为0.33kV/mm)，针头的直径优选为0.4mm，待打印材料挤出该针头的推动力优选为0.025MPa正压对应的推动力(即，储料室2内的气压为0.025MPa正压；考虑到外界环境的自身气压，以一个标准大气压1atm为例，则储料室2内的绝对气压值为0.125MPa)；以上参数可根据待打印的柔性材料的种类和浓度灵活调整，一般而言，该喷头的高压电电压控制为0～20kV，针头(即正极)与负极之间的距离为不超过50mm(此时，正极与负极之间的电场强度为0～5kV/mm)，针头的直径优选为不超过3mm，待打印材料挤出该针头的推动力则为0～10MPa正压对应的推动力(即，储料室2内的气压为0～10MPa正压；考虑到外界环境的自身气压，以一个标准大气压1atm为例，则储料室2内的绝对气压值为0.1～10.1MPa)。通过以上设置的相互配合，该喷头的出丝直径达到纳米级别，大大提高了3D打印的精度，尤其适用于成膜，如取向性大的膜。

相应的，采用有上述喷头的3D打印机可相应的设置多个功能模块，如图2所示，3D打印机可综合设置可调高压静电发生器、气压微调节系统、进料控制器、以及材料初级混合器。其中，可调高压电发生器是一个可以产生高压电的装置，用以满足电场强度的要求，该可调高压电发生器，可采用市场现有成品件，可通过市场购得；气压微调节系统是用来控制整个设备(尤其是喷头挤出推动力)工作气压的装置，该装置可以实现随时无级可微调；该气压微调节系统还可与压力表相连，该压力表可用于显示气压大小。进料控制器，可根据使用要求向储料室2内随时添加原材料；在气压控制系统的辅助下可以保证注射器内部保持恒定的压力，以使材料保持在设定的挤出阈值点附近(如图3A所示)，再由电场力牵引出丝。

本发明中的背压式电流体柔性材料3D打印机用喷头、以及采用该喷头的3D打印机，能够实现高精度打印柔性材料。本发明中的喷头没有采用最为流行的推注式打印喷头，现有的推注式打印喷头其精度在0.1mm，不能满足本发明设计的初衷；相应的，本发明是采用气压微调节系统与储料室2相连接，是在恒定的气压作为动力的前提下，再由带电的电流体在电场力的牵引下实现材料的喷出。本发明采用气压作为动力的优点在于，对柔性材料的推动力更平稳，并且能时刻保持恒定的推动力，可通过控制电场的有无、电场强度的大小等来控制黏流体材料从微型喷嘴中流出的速度、以及直径大小。本发明中的背压式电流体柔性材料3D打印机用喷头、以及采用该喷头的3D打印机，尤其适用于成型高分子材料(如水凝胶等)；该喷头及采用该喷头的3D打印机，在实际应用时，可以有效配合待打印高分子材料的化学性质及成型特点，只需简单的更换待打印的柔性材料就可以满足多种不同高分子柔性材料(如pva，alginate，acrymilade，ecofelx，pdms等等)的成型机制，然后再配合3D打印机已有的3D打印成型技术即可完成对产品的3D打印加工。

此外，本发明中的气压微调节器既可向储料室2内提供正压，也可向该储料室2内提供负压(即，储料室2内的绝对压力值小于外界大气压，如1atm)，尤其是当待打印柔性材料自身重力值较大时，为避免待打印柔性材料由于自身重力向下挤出，可通过气压微调节器提供负压，实现针管内的待打印的柔性材料其自身重力，与管壁的粘力、摩擦力、外界大气压压力三者的合力之间的平衡。另外，当为负压时，即使误启动高压静电发生器，也能防止待打印柔性材料的挤出。该气压微调节器调节精度为无级可调，压力值可读(例如通过气压计)，调节精度高，调节范围是-0.1Mpa～10Mpa(尤其-0.1Mpa～1Mpa)，可读精度为0.01MPa。

本发明中采用的进料装置，可根据具体的待打印的柔性材料，基于材料合成机制灵活调整，例如对于需要两种或两种以上原始成份的复合软材料，或水凝胶，可额外增设混合组件，以控制复合软材料中两种或两种以上原材料的配比；此外，该进料装置的进料速度可以根据需要调整。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。