一种挤出成型的3D打印方法和打印装置与流程

本发明涉及3D打印，特别是一种挤出成型的3D打印方法和打印装置。

背景技术：

3D打印是“增材制造”的主要实现形式。“增材制造”的理念区别于传统“去除型”制造。增材制造技术是利用计算机设计数据，采用材料逐层堆积的方法制造实体的技术。

3D打印存在着许多不同的技术，包括熔融沉积、电子束成形、激光烧结、激光熔化、光固化成型等。其中，基于物理或化学固化的挤压成型是一种操作简单、应用广泛的工艺手段。然而，打印的产品多具有交叉网格形式的结构，这种结构在转换网格方向(如横纵交替打印)时受重力作用，容易产生路径变窄、弯月面等形状缺陷，甚至无法成型网格跨度过大，宏观孔径过大和孔隙率过高的打印产品。

专利文献CN201510601277公开了一种使用光敏-低温沉积复合成型，用低温冻结的水作为牺牲材料，对光敏材料实现辅助支撑的3D打印方式，然而对打印环境要求苛刻，打印操作、喷头设计都比较复杂。

共轴喷头，即出口呈同心圆形，可同时喷射两种或多种材料的喷头。专利文献CN201310070087、CN201410194780和CN201610148388公开了使用共轴喷头实现包芯结构的双材料打印，但发明目的为多材料打印，且内芯材料被外包材料隔开，无法单独除去外包材料而避免塌陷。

另有一种并肩喷头，其通常指流道出口相互靠近，且保持同步移动的双流道或多流道单喷头。

3D打印，尤其是挤出成形的3D打印方法存在受打印线形重力影响大，打印的网格容易产生路径变窄、弯月面等形状缺陷，线间跨度较大的网格难以成型等问题。这导致了无法打印宏观孔径大、孔隙率高的网格，限制了打印的功能自由度，尤其限制了稀疏网格和有填充多材料网格的打印。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种简单易行，对打印条件和打印机设计要求较低，且能够改善宏观孔径和线形缺陷的挤出成型的3D打印方法和打印装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种挤出成型的3D打印方法，使用共轴喷头或并肩喷头，打印材料由所述共轴喷头的内流道或所述并肩喷头的主流道挤出，牺牲材料由所述共轴喷头的外流道或所述并肩喷头的副流道流出，其中所述牺牲材料具有低于所述打印材料的粘度且可以充分流动，所述打印材料沿预定打印路径扫描打印时，所述牺牲材料充填所述打印材料的打印路径间的空隙并起到支承作用，所述打印材料和所述牺牲材料共同固化后，通过后处理去除所述牺牲材料，仅留下所述打印材料。优选地，所述内流道/主流道的出口与所述外流道/副流道的出口设置成所述内流道/主流道的出口部分浸润于所述外流道/副流道出口处因表面张力形成的球形液面中，使得所述牺牲材料能够借助重力和表面张力作用随挤出的打印材料流出。

进一步地：

所述打印材料沿预定打印路径打印成网格。

所述内流道/主流道的出口略低于所述外流道/副流道的出口从而既能使挤出的打印材料对出口处的牺牲材料产生带动其流出的表面张力作用又能减少打印材料与牺牲材料混合。

所述打印材料的打印路径与所述牺牲材料的填充范围不交错重叠，所述牺牲材料溢到打印路径上方的部分在所述喷头提高一层继续打印时被所述喷头的移动刮去。

所述外流道/副流道的截面积与所述内流道/主流道的截面积相当或大于所述内流道/主流道的截面积，从而在流速接近的情况下，所述牺牲材料的流量接近或大于所述打印材料的流量。

所述打印材料包括有机溶剂和高分子打印材料溶质，所述牺牲材料包括有机溶剂，所述打印材料与所述牺牲材料的粘度不同；或者，所述打印材料与所述牺牲材料是互不相溶的材料；优选地，所述打印材料和所述牺牲材料挤出前进行保温加热以避免凝固,挤出后置于冷环境的打印平台上，遇低温迅速凝固而形成打印支架；再通过冷冻干燥除去所述牺牲材料和所述打印材料的溶剂部分。

所述内流道/主流道有驱动力，所述外流道/副流道无驱动力；或所述内流道/主流道与所述外流道/副流道为同种驱动方式，并控制流量成恒定比例。

采用螺杆挤出、活塞挤出、气压或液压驱动，采用定压或流速可控的驱动方式。

所述牺牲材料的去除方式包括提高或降低温度、提高或降低压强、溶解、试剂腐蚀、或上述多种方式的组合。

一种挤出成型的3D打印装置，包括共轴喷头或并肩喷头，所述共轴喷头的内流道或所述并肩喷头的主流道挤出打印材料，所述共轴喷头的外流道或所述并肩喷头的副流道输出牺牲材料，其中所述牺牲材料具有低于所述打印材料的粘度且可以充分流动，所述打印材料沿预定打印路径扫描打印时，所述牺牲材料充填所述打印材料的打印路径间的空隙并起到支承作用。优选地，所述内流道/主流道的出口与所述外流道/副流道的出口设置成所述内流道/主流道的出口部分浸润于所述外流道/副流道出口的液面中，使得所述牺牲材料能够借助重力和表面张力作用随挤出的打印材料流出。

本发明的有益效果：

本发明可以获得比起直接单材料打印跨度更大的交叉网格，提高打印产品的宏观孔径大小和宏观孔隙率，牺牲材料辅助支撑了打印网格产品的线形，一定程度上改善打印线形路径变窄和弯月面的问题。与其他多材料、多喷头打印方式相比，本发明结构简单，动力源少，整体功能更加便捷可靠。

附图说明

图1a为本发明3D打印装置一种实施例的共轴喷头结构示意图；

图1b为本发明3D打印装置一种实施例的并肩喷头结构示意图；

图2为本发明的3D打印方法的打印过程示意图；

图3为本发明的3D打印方法打印的网格支架去除牺牲材料之前与之后与单材料打印的网格支架的对比示意图；

图4为现有方法打印的网格和本发明的3D打印方法打印的网格的对比示意图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1a至图4，在一种实施例中，一种挤出成型的3D打印方法，使用共轴喷头或并肩喷头，打印材料由所述共轴喷头的内流道102a或所述并肩喷头的主流道102b挤出，牺牲材料由所述共轴喷头的外流道101a或所述并肩喷头的副流道101b流出，其中所述牺牲材料具有低于所述打印材料的粘度且可以充分流动，所述打印材料沿预定打印路径扫描打印时，所述牺牲材料充填所述打印材料的打印路径间的空隙并起到支承作用，所述打印材料和所述牺牲材料共同固化后，通过后处理去除所述牺牲材料，仅留下所述打印材料；优选地，所述内流道102a/主流道102b的出口与所述外流道101a/副流道101b的出口设置成所述内流道102a/主流道102b的出口部分浸润于所述外流道101a/副流道101b出口处因表面张力形成的球形液面中，使得所述牺牲材料能够借助重力和表面张力作用随挤出的打印材料流出。

在优选的实施例中，所述打印材料沿预定打印路径打印成网格。

在优选的实施例中，所述内流道102a/主流道102b的出口略低于所述外流道101a/副流道101b的出口从而既能使挤出的打印材料对出口处的牺牲材料产生带动其流出的表面张力作用又能减少打印材料与牺牲材料混合。

在优选的实施例中，所述打印材料的打印路径与所述牺牲材料的填充范围不交错重叠，所述牺牲材料溢到打印路径上方的部分在所述喷头提高一层继续打印时被所述喷头的移动刮去。

在优选的实施例中，所述外流道101a/副流道101b的截面积与所述内流道102a/主流道102b的截面积相当或大于所述内流道102a/主流道102b的截面积，从而在流速接近的情况下，所述牺牲材料的流量接近或大于所述打印材料的流量。

在优选的实施例中，所述打印材料包括有机溶剂和高分子打印材料溶质，所述牺牲材料包括有机溶剂，打印材料与牺牲材料的粘度不同，如所述打印材料粘度高于所述牺牲材料，因而不易与牺牲材料相混；在另一种优选实施例中，所述打印材料与所述牺牲材料可以是互不相溶的材料；更优选地，所述打印材料和所述牺牲材料挤出前通过加热装置保温以避免凝固,挤出后置于冷环境的打印平台上，遇低温迅速凝固而形成打印支架；再通过冷冻干燥除去所述牺牲材料和所述打印材料的溶剂部分。

在优选的实施例中，所述内流道102a/主流道102b有驱动装置103a/103b，所述外流道101a/副流道101b无驱动装置；或所述内流道102a/主流道102b与所述外流道101a/副流道101b有同种驱动装置，并控制流量成恒定比例。

驱动装置可以采用螺杆挤出、活塞挤出、气压或液压驱动，采用定压或流速可控的驱动方式。

所述牺牲材料的去除方式可以是提高或降低温度、提高或降低压强、溶解、试剂腐蚀、或上述多种方式的组合。

参见图1a至图2，在另一种实施例中，一种挤出成型的3D打印装置，包括共轴喷头或并肩喷头，所述共轴喷头的内流道102a或所述并肩喷头的主流道102b挤出打印材料，所述共轴喷头的外流道101a或所述并肩喷头的副流道101b输出牺牲材料，其中所述牺牲材料具有低于所述打印材料的粘度且可以充分流动，所述打印材料沿预定打印路径扫描打印时，所述牺牲材料充填所述打印材料的打印路径间的空隙并起到支承作用；优选地，所述内流道102a/主流道102b的出口与所述外流道101a/副流道101b的出口设置成所述内流道102a/主流道102b的出口部分浸润于所述外流道101a/副流道101b出口的液面中，使得所述牺牲材料能够借助重力和表面张力作用随挤出的打印材料流出。

以下结合附图进一步描述本发明具体实施例的特征和优点。

如图1a和图1b所示的喷头各包括两个流道，分别为双流道的共轴喷头或并肩喷头。在其他实施例中，也可以增加流道，并增加牺牲材料的种类。

如图1a所示的共轴喷头结构，包括外流道101a、内流道102a、内流道驱动装置103a。如图1a所示，内流道驱动装置103a采用螺杆挤出机构，但实际应用中不限于此。外流道101a内含有材料B，内流道102a内含有材料A。

如图1b所示的并肩喷头结构，包括副流道101b、主流道102b、主流道驱动装置103b。如图1b所示，主流道驱动装置103b采用活塞挤出机构，但实际应用中不限于此。副流道101b内含有材料B，主流道102b内含有材料A。

优选地，内流道102a/主流道102b驱动装置为定压驱动装置或挤出流速可控的驱动装置，包括但不限于图示的两种挤出机构、气压驱动机构、液压驱动机构等。

优选地，外流道101a/副流道101b无驱动装置，为基于表面张力和重力的被动驱动。

在另一种优选方案下，外流道101a/副流道101b采取与内流道102a/主流道102b同型驱动装置，但可分别控制，通过压强或流速换算实现与内流道102a/主流道102b流量比恒定的同步挤出。

材料A为打印材料，或打印材料与牺牲材料的混合物；材料B为纯牺牲材料。

优选地，材料A不易溶于材料B或与材料B相混。可以采取的工艺实现形式包括但不限于：选择粘度低于打印材料的牺牲材料；选择不互溶的打印材料和牺牲材料；通过流速、流体内压等调节，在流道出口实现层流等。

优选地，材料B在固化后有一定柔性，可被打印喷头的移动刮去。

优选地，外流道101a/副流道101b的截面积与内流道102a/主流道102b相当或大于内流道/主流道。

在较佳的实施例中，通过驱动内流道102a/主流道102b内材料A挤出，外流道101a/副流道101b内无驱动的材料B随之流出，充填打印路径的间隙，并起到支承作用。其中，外流道101a/副流道101b无驱动装置，材料B的装料腔保持半开放和液面高度，以通过重力和表面张力的共同作用保证流出通畅。优选地，内流道102a/主流道102b的出口略低或平行于101出口，无驱动的材料B由重力和表面张力作用，部分浸润内流道102a/主流道102b的出口。在内流道102a/主流道102b的出口沿预期打印路径扫描时并挤出材料A时，材料B可随之流出。

优选地，材料A粘度较高且出口较低，因此可较少与材料B混合，较精确地沿所设定的打印路径挤出；材料B则因为较低的粘度可充分流动，充填A不能充满的区域。

与包芯双材料打印不同，材料A所设定的打印路径不为材料B留出厚度上的空隙，所打印的路径严密叠加。B为被动驱动，溢到打印路径上方的部分会在喷头提高一层继续打印时被喷头的移动刮去。

优选地，由于外流道/副流道截面积与内流道/主流道相当或大于内流道/主流道，在流速接近的情况下，材料B的流量也接近或大于材料A，可以起到明显的辅助支撑和拓宽打印路径的作用。

其中，驱动装置为定压驱动，通过控制材料A内部压强以控制挤出。优选为螺杆旋出驱动或气压驱动。

所述的牺牲材料可以为一种材料或多种材料的组合。牺牲材料在打印过程中起到辅助支撑的作用。打印完成后，设法除去牺牲材料，获得线形优化、宏观孔径增大的打印网格产品。

除去牺牲材料的方法根据牺牲材料的特性而定，包括但不限于下述的手段，及这些手段的任意组合：温度的升高或降低，环境压强的升高或降低，溶剂溶解，酸/碱/特殊试剂的化学腐蚀，手动剥离等。

例如，在接下来阐述的实施例1中，除去牺牲材料的方法为低温-低压组合下的真空干燥；在实施例2中，除去牺牲材料的方法为温度控制或打印材料交联固化后的手动剥离；在实施例3中，除去牺牲材料的方法为升温融化。

除去牺牲材料的工序可以为一步或多步的组合。在多步除去牺牲材料时，通常要求不同的牺牲材料具有不同的去除条件，通过依次给予这些去除条件，完成牺牲材料的分步去除，并发挥所需的特定作用。

如对于植入人体内的医用打印产品而言，先通过温度控制除去一种牺牲材料，另一种混合了缓释药物的牺牲材料在人体内缓慢降解而除去，实现长效医疗作用；或通过分步去除牺牲材料，在不同的工序上发挥支撑产品的作用，如分步烧结。

实施例1

基于低温沉积3D打印(FT-FDM)，喷头的实际打印过程如下：

如图2所示，打印装置包括共轴喷头201、喷头温控装置202、冷环境中的打印平台203。其中，共轴喷头内流道装载材料A，可以为PLGA、PCL等高分子打印材料在1,4-二氧六环、丙酮等有机溶剂中的溶液；外流道装载材料B，为与内流道相同但不含高分子材料的有机溶剂。

通过共轴喷头201挤出的复合材料，在挤出前由喷头温控装置202提供保温加热，以避免过早凝固。当材料挤出在打印平台203上时，由于打印平台203置于冷环境中，可通过低温令复合材料迅速凝固，形成打印的网格支架204。

此后，通过冷冻干燥除去有机溶剂，即除去材料B以及材料A的溶剂部分，留下在低温和常温下均可稳定存在的溶质，形成所需产品205。这里，材料A中的溶剂起到了溶解固态溶质完成打印的作用，这是实施例的一种工艺方法；材料B则起到了辅助支承的作用。

实施例2

本发明应用于生物3D打印领域的细胞3D打印机。该打印机可实现带细胞的水凝胶打印，常采取物理-化学两步交联的方式实现固化，即打印中通过温度控制实现打印产品的初步定型，打印后滴加化学交联剂，提高产品力学强度。在一个优选的实施例中，初步定形使用的是明胶，化学交联使用的是海藻酸纳-氯化钙体系。

应用本发明，使用共轴喷头打印，内流道打印明胶-海藻酸钠复合凝胶，外流道打印明胶。之后进行化学交联，提高复合凝胶的力学强度，并通过温控等手段剥离外层明胶。同样可以起到扩大宏观孔径，增强打印能力的作用。

实施例3

本发明应用于塑料打印等常见的熔融沉积打印，内流道打印原材料，外流道打印蜡等熔点较低、融化后流动性较好的牺牲材料。可以对打印线形起到一定支撑作用，并在打印结束后通过微加热方便地除去。

需要注意，上述的实施例仅为阐述本发明的几种应用形式，以及在不同打印工艺下的具体实现方法。在不改变所述工艺方法和权利要求下，对本发明进行的各种改动、变换和推广，同样应视为本发明的保护范围。

不仅限于上述的实施例，所述打印方法的优点在于：

图3示出本发明3D打印方法打印的网格支架204(去除牺牲材料之前)、去除牺牲材料之后的网格支架205、与单材料打印的网格支架301。

在工艺极限内，网格支架204与网格支架301具有近似的网格跨度D1。D1同时表示了所打印网格的最大宏观孔径。这是由材料本身黏度有一定极限，在重力影响下易断裂的特点限制的。

图4中显示了传统方法打印的网格的正常横切面401、断裂横切面402以及网格的俯视面403，以及本发明方法打印的网格的横切面404及网格的俯视面405。图中E、F、G、H分别表示可被牺牲材料充填的空隙、弯月面、断裂位置、变窄的线型。

如断裂横切面402所示，在网格间距过大时打印路径断裂，无法实现网格成形。

然而，在打印的网格支架204中，宏观孔径是包括了辅助支撑部分(图中材料B)的结果。除去牺牲材料后，得到网格支架205的网格跨度和宏观孔径D2大大超过D1，可以实现尺寸大小上更自由的网格设计。

可以看出，传统方法打印的网格，打印路径存在交叉点材料多，悬空部材料少，形状不均匀平滑的特点，这些形状缺陷通常被称为路径变窄和弯月面。这是材料在固化过程中部分悬空，支撑条件不均匀导致的，也是打印线形断裂的主要原因。

采用本发明的打印方法，通过辅助支承材料的使用，可以一定程度上充填401中所示的悬空部分，提高悬空部分的支撑强度，抵消重力，令线形更加均匀，改良上述的缺陷。打印的网格的横切面404与俯视面405显示出线形均匀，缺陷明显改善。

最后，本发明与其他多材料、多喷头打印方式相比，结构简单，动力源少，整体功能更加便捷可靠。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。