本發(fā)明屬于快速成型與數(shù)字制造領(lǐng)域，具體涉及一種層級(jí)多孔材料的3d打印方法及裝置。

背景技術(shù)：

多孔結(jié)構(gòu)材料作為一種典型生物結(jié)構(gòu)材料，普遍存在于自然中，如樹木、巖石、蝶翅、骨骼及蜂巢等。多孔的構(gòu)造減輕了結(jié)構(gòu)的重量，同時(shí)又發(fā)揮著不可替代的承載和多功能特性。如蝶翅的多孔結(jié)構(gòu)可以有效增加材料的光捕獲效率，骨骼的多孔結(jié)構(gòu)可以提高骨骼的強(qiáng)度和抗沖擊性能，蜂巢的多孔結(jié)構(gòu)使蜂巢具備天然的吸聲能力。因此，多孔結(jié)構(gòu)在航空航天、人造支架、吸聲材料、減震材料、分離提純、選擇性吸附、催化劑裝載、光電器件及傳感器研制等多個(gè)領(lǐng)域具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。

然而，目前制造的多孔結(jié)構(gòu)，孔的尺寸多為隨機(jī)或均一分布，難以滿足特定條件下我們對(duì)相關(guān)性能的要求。例如骨的結(jié)構(gòu)，其由內(nèi)而外呈層級(jí)孔結(jié)構(gòu),最外層的骨密質(zhì)孔徑較小空隙率低，具有很高的力學(xué)性能；內(nèi)部的骨松質(zhì)孔徑較大孔隙率較高，力學(xué)性能相對(duì)較低。當(dāng)人體骨骼由于疾病和外傷等因素缺損時(shí),就要求修復(fù)材料由內(nèi)而外具備與人體骨骼相似的層級(jí)多孔結(jié)構(gòu)。

巴西果效應(yīng)是一種古老的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。通過施加外部震蕩，體積大的上浮，體積小的下沉，使顆粒按照體積大小分層。巴西果效應(yīng)是一種簡單高效的分層手段，根據(jù)此原理，我們?cè)诜勰┐补に嚨幕A(chǔ)上，增加了顆粒震蕩裝置，使顆粒按照體積大小有序分層。

本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)在于：1.可打印沿高度方向有序分布的層級(jí)多孔結(jié)構(gòu)2.孔隙的大小及分布可通過調(diào)整造孔顆粒粒徑及分布調(diào)節(jié)3.分層方法僅靠物理震蕩，方法簡單，通用型強(qiáng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種打印層級(jí)多孔材料的3d打印方法及裝置。該方法基于粉末床工藝，在供料缸側(cè)面設(shè)置2個(gè)震蕩器，供料缸與機(jī)架之間的間隙通過u型密封圈密封。使用刮刀鋪料之前，以一定的頻率和振幅震蕩供料缸特定時(shí)間，大體積顆粒材料上浮，小體積顆粒材料下沉，形成層級(jí)分布；另設(shè)有攜帶液態(tài)光敏基質(zhì)的料箱，每鋪完一層顆粒，成型臺(tái)高度保持不變，料箱帶動(dòng)液態(tài)基質(zhì)，經(jīng)成型臺(tái)，使液態(tài)基質(zhì)滲透于顆粒中；層層堆疊，固化成型；通過加熱、溶解等后處理工藝去除造孔顆粒，形成層級(jí)多孔材料。

如圖1、圖2、圖3和圖4所示，本發(fā)明的主要部件包含主機(jī)架1、料箱2、成型平臺(tái)3、控制系統(tǒng)4、供料平臺(tái)5、供料缸6、振蕩器7、u型墊圈8、刮刀9、數(shù)字掩膜光固化系統(tǒng)10。本裝置共有兩個(gè)振蕩器7，分別位于供料缸6的兩側(cè)；u型墊圈8用于供料缸6和機(jī)架1之間的密封；由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滑塊沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)料箱、刮刀x向運(yùn)動(dòng)；數(shù)字掩膜光固化系10固定于主機(jī)架1的頂部，位于成型平臺(tái)3正上方。

本發(fā)明之料箱2的前后壁(長邊)底部截面形狀為v型，便于鋪粉定向。其兩邊與基面夾角為α和β，α＝30-60°，β＝30-60°。

本發(fā)明之造孔顆粒材料形狀為類球形，體積大小不一，粒徑范圍在50μm-5000μm；粒徑分布與粒徑大小呈線性關(guān)系，即粒徑越小，顆粒數(shù)目越多；粒徑越大，顆粒數(shù)目越少。且為易升華、易溶解和/或易熔化材料，如碘顆粒、糖、石蠟等，可通過加熱、溶解等后處理工藝去除。

本發(fā)明之液態(tài)基質(zhì)為光敏樹脂，需具有良好的流動(dòng)性使其均勻滲入顆粒材料中，粘度范圍為50-3000cps(20℃)。

本發(fā)明之單層層厚應(yīng)大于最大造孔顆粒直徑的1.2倍。

具體實(shí)施工藝步驟如下：

步驟1：運(yùn)用3d建模軟件(如solidworks)建立實(shí)體模型，導(dǎo)出stl文件至切片軟件，經(jīng)過該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，生成刮刀9、料箱2沿x軸的移動(dòng)數(shù)據(jù)，供料平臺(tái)5、成型平臺(tái)3沿z軸移動(dòng)數(shù)據(jù)、數(shù)字掩膜光固化系統(tǒng)10的圖片信息以及曝光時(shí)間t。

步驟2：選擇粒徑分布梯度較為均勻的造孔顆粒，加入到供料平臺(tái)5中，并以一定的振幅和頻率施加外部震蕩，使顆粒按照體積大小在高度方向有序分層；將液態(tài)基質(zhì)注入到料箱中；對(duì)供料缸6、刮刀9、料箱2、成型平臺(tái)3進(jìn)行機(jī)械調(diào)零，如圖5所示。

步驟3：根據(jù)步驟2得到的數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)4控制供料缸6內(nèi)供料平臺(tái)5上升1.2倍層厚的厚度，成型平臺(tái)3下降1倍層厚的厚度，刮刀9從左至右鋪粉一定的距離。如圖6所示。

步驟4：刮刀9回復(fù)原位，如圖7所示。

步驟5：保持成型平臺(tái)3高度不變，根據(jù)步驟2得到的數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)4控制料箱2向左移動(dòng)一定距離，移動(dòng)過程中帶動(dòng)液態(tài)光敏樹脂，經(jīng)成型平臺(tái)時(shí)，液態(tài)光敏樹脂滲入造孔顆粒，如圖8所示。

步驟6：料箱2回復(fù)原位，如圖9所示。

步驟7：根據(jù)步驟2得到的數(shù)據(jù)，數(shù)字掩膜光固化系統(tǒng)10開啟，選擇性照射15-20s，如圖10所示。

步驟7：重復(fù)步驟3-7，層層堆疊成型。

步驟8:將立體模型從成型平臺(tái)3上取出，進(jìn)行加熱或浸漬等處理2h，去除造孔顆粒；利用異丙酮溶液清洗多余的光敏樹脂；將制品放入uv燈室，固化處理10min。

本發(fā)明的益處在于：1.可打印沿高度方向分布的層級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，同一層顆粒較為均一，層間顆粒體積由下至上依次增大2.測量造孔顆粒粒徑分布，更換某一粒徑范圍的顆粒，可調(diào)節(jié)孔洞大小3.分層方式僅靠物理震蕩，方法簡單，通用型強(qiáng)。

附圖說明

圖1是本專利一種層級(jí)多孔材料的3d打印裝置的主視圖。包含主機(jī)架1、料箱2、成型平臺(tái)3、控制系統(tǒng)4、供料平臺(tái)5、供料缸6、振蕩器7、u型墊圈8、刮刀9及數(shù)字掩膜光固化系統(tǒng)10。其中，供料缸6內(nèi)圓形區(qū)域?yàn)樵炜最w粒，料箱2內(nèi)填充區(qū)域?yàn)橐簯B(tài)光敏樹脂，箭頭方向?yàn)闄C(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向。

圖2是圖1對(duì)應(yīng)俯視圖。

圖3是圖1中ⅰ局部放大圖。

圖4是圖1中ⅱ局部放大圖，其中α為刮刀前角，β為刮刀后角，箭頭方向?yàn)殇伔鄯较颉?/p>

圖5、6、7、8、9、10是本專利一種層級(jí)多孔材料的3d打印方法步驟圖。詳細(xì)步驟見發(fā)明內(nèi)容。其中，供料缸內(nèi)圓形區(qū)域?yàn)樵炜最w粒，料箱內(nèi)填充區(qū)域?yàn)橐簯B(tài)光敏樹脂，箭頭方向表示機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向。

圖11是本專利一種層級(jí)多孔材料的3d打印方法及裝置的打印成型的層級(jí)多孔材料。共包含20層，灰色填充區(qū)域?yàn)楣饷魳渲咨障秴^(qū)域?yàn)轭w粒去除后的孔洞。

具體實(shí)施方式

本實(shí)施例中利用升華溫度為77℃的碘顆粒為造孔顆粒，粘度為2000cps(20℃)的光敏樹脂作為基質(zhì)材料，打印孔的直徑為50μm-400μm，打印制件高度為10mm。

步驟1：運(yùn)用3d建模軟件(如solidworks)建立實(shí)體模型，導(dǎo)出stl文件至切片軟件，經(jīng)過該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，生成刮刀9、料箱2沿x軸的移動(dòng)數(shù)據(jù)，供料平臺(tái)5、成型平臺(tái)3沿z軸移動(dòng)數(shù)據(jù)、數(shù)字掩膜光固化系統(tǒng)10的圖片信息以及曝光時(shí)間t。

步驟2：將粒徑分布梯度較為均勻的碘顆粒加入到供料平臺(tái)5中，以一定的振幅和頻率施加外部震蕩30分鐘，使顆粒按照體積大小在高度方向有序分層，最底層顆粒直徑平均為為50μm，最頂層為400μm，依次過度；將液態(tài)光敏樹脂注入到料箱中；對(duì)供料缸6、刮刀9、料箱2、成型平臺(tái)3進(jìn)行機(jī)械調(diào)零。如圖5所示。

步驟3：根據(jù)步驟2得到的數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)4控制供料平臺(tái)5上升0.6mm，成型平臺(tái)3下降0.5mm，刮刀9從左至右鋪粉一定距離。如圖6所示

步驟4：刮刀9回復(fù)原位，如圖7所示。

步驟5：保持成型平臺(tái)3高度不變，根據(jù)步驟2得到的數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)4控制料箱2向左移動(dòng)一定距離，移動(dòng)過程中帶動(dòng)液態(tài)光敏樹脂，經(jīng)成型平臺(tái)3，液態(tài)光敏樹脂滲入造孔顆粒，如圖8所示。

步驟6：料箱2回復(fù)原位，如圖9所示。

步驟7：根據(jù)步驟2得到的數(shù)據(jù)，數(shù)字掩膜光固化系統(tǒng)10開啟，選擇性照射20s，如圖10所示。

步驟7：重復(fù)步驟3-7，層層堆疊成型，打印20層的制件，如圖11所示。

步驟8:將立體模型從成型平臺(tái)3上取出，在80℃水浴中加熱2h，去除易升華顆粒；利用異丙酮溶液清洗多余的光敏樹脂；將制品放入uv燈室，固化處理10min。