本發(fā)明涉及3d打印機，主要應用于石墨烯/聚苯胺凝膠的3d打印成型。

背景技術(shù)：

石墨烯是一種蜂巢連結(jié)狀、單原子厚度的二維超薄材料。由于具有良好的熱穩(wěn)定性、較低的密度、優(yōu)良的導電性、出色的力學性能、較大的比表面積以及優(yōu)異的催化性能([1]geimak,novoselovks.theriseofgraphene.naturematerials6,183-191(2007))，石墨烯在應用材料科學領(lǐng)域已成為熱門研究。在社會生活的各個領(lǐng)域，石墨烯均有廣泛的應用。在醫(yī)學領(lǐng)域，可作為增強劑提高用于制作組織工程骨的、可降解聚合納米材料的力學性能；在電子科學領(lǐng)域，石墨烯可用于制作結(jié)構(gòu)可控的、三維尺度均小于10nm的超小石墨烯量子點；在能源領(lǐng)域，石墨烯可用于制作復合電極材料，用于提升超級電容器的性能。石墨烯也是構(gòu)成零維的富勒烯、一維的碳納米管以及三維石墨等不同維度碳元素組織架構(gòu)的基本單元。

聚苯胺(pani)是導電高分子的一種，具有易制取、價格便宜以及良好的導電性等優(yōu)點([2]bhadras,khastgird,singhank,leejh.progressinpreparation,processingandapplicationsofpolyaniline.progpolymsci34,783-810(2009))，因此常與石墨烯制成復合材料，既充分發(fā)揮石墨烯的高比表面積、高電導率，也利用了聚苯胺的高贗電容量，可廣泛應用于傳感器、可穿戴設(shè)備和超級電容器等領(lǐng)域。

將石墨烯/聚苯胺通過共混，直接制成復合材料，進行三維堆疊造型，包括簡單的三維整塊石墨烯/聚苯胺的組裝，以及利用增材制造技術(shù)得到結(jié)構(gòu)可控的三維石墨烯/聚苯胺晶格，具有提升材料多方面性質(zhì)的潛力，近年來已成為石墨烯應用領(lǐng)域的研究熱點，同時亦是研究難點([3]trungnb,tamtv,kimhr,hursh,kimej,choiwm.three-dimensionalhollowballsofgraphene-polyanilinehybridsforsupercapacitorapplications.chemicalengineeringjournal255,89-96(2014))。因此，開發(fā)出能用于石墨烯/聚苯胺復合材料三維可控成型的簡單高效、成本低廉、質(zhì)量優(yōu)異的3d打印機，對于豐富石墨烯/聚苯胺立體成型手段具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供能應用于石墨烯/聚苯胺復合凝膠材料三維可控成型的簡單高效、成本低廉、質(zhì)量優(yōu)異，為產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)結(jié)構(gòu)可控的此類功能性復合材料進行初步嘗試的一種石墨烯/聚苯胺凝膠的3d打印機。

本發(fā)明設(shè)有打印機機架、y軸運動模塊、xz軸聯(lián)動模塊和出料打印模塊；

所述打印機機架的整體架構(gòu)為三角型，打印機機架的左右兩側(cè)分別固定有打印機主電路板和電源；

所述y軸運動模塊通過y軸步進電機帶動的y軸同步帶傳動，實現(xiàn)y軸方向的運動；

所述xz軸聯(lián)動模塊通過利用z軸左電機座與z軸右電機座將x軸和z軸方向上的運動相連接，x軸步進電機帶動的x軸同步帶傳動，實現(xiàn)x軸方向的運動；z軸步進電機控制的z軸螺桿和z軸光桿的傳動，實現(xiàn)y軸運動模塊的上下移動；

所述出料打印模塊設(shè)有儲料送料針筒、塑料三通、出料螺桿攪拌模塊和魯爾擠出針頭；所述儲料送料針筒用于儲存打印材料且能氣動送料，所述塑料三通充當管道和提供攪拌空間，所述出料螺桿攪拌模塊由步進電機控制，所述魯爾擠出針頭可采用圓錐形魯爾擠出針頭；所述儲料送料針筒、魯爾擠出針頭均通過魯爾接口與t型三通頭相連接，出料螺桿攪拌模塊和t型三通頭配合密封連接；

所述出料打印模塊通過將擠出步進電機支撐座用螺絲固定于x軸光桿移動連接件上。

所述打印機機架可采用鋁合金框架材料。

所述儲料送料針筒可采用10cc標準點膠機針筒，儲料送料針筒通過送氣管與離心泵相連，離心泵為儲料送料針筒提供送料所需氣動壓力。

所述出料打印模塊可賦予其在x軸運動的能力，通過燒錄于打印機主控制電路板中的固件與半自動點膠機的聯(lián)動控制，可實現(xiàn)在打印過程自動平衡儲料針筒中壓力，保持氣動均勻供料。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1)氣動進料和螺桿傳動擠出料相結(jié)合的方式，既可以通過連續(xù)的氣動進料保證打印物料的輸送連續(xù)性，又可以通過控制與螺桿配合的步進電機的轉(zhuǎn)速，達到精確控制出料量；

2)部分結(jié)構(gòu)零件以及出料打印模塊均可利用3d打印機建模打印，一方面有利于磨損部件的及時更換，另一方面可以降低機器成本；

3)不僅適用于石墨烯/聚苯胺凝膠的3d打印，也可以用于其他滿足3d成型凝膠流變性質(zhì)條件的打印材料；

4)三角型的整機架構(gòu)可使打印過程更為穩(wěn)定，鋁合金的架構(gòu)成本低廉并易于安裝、拆卸。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的正視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例的右視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例的左右等二角軸測結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例打印機機架結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明實施例y軸運動模塊示意圖；

圖7為本發(fā)明實施例xz軸聯(lián)動模塊示意圖；

圖8為本發(fā)明實施例擠出模塊示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖與具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。

如圖1～8所示，本發(fā)明實施例包括：打印機機架，y軸運動模塊、xz聯(lián)動模塊，出料打印模塊。外圍的三角形鋁合金材質(zhì)架構(gòu)提供了整個裝置的骨架部分，打印機的主控制電路板與電源分別安置在打印機的左右兩側(cè)；燒錄進控制電路板的打印機固件通過控制y軸運動模塊、xz聯(lián)動模塊以及出料打印模塊的步進電機轉(zhuǎn)動方向與轉(zhuǎn)速，用以實現(xiàn)特定速度的3d打印過程。同時，在每次打印之前，通過物件對各個軸限位開關(guān)的碰觸，傳遞信號至控制電路板以確定打印坐標零點。

顯示控制板1通過螺絲固定于機架上部，可顯示相關(guān)執(zhí)行程序；操作控制按鍵2以選擇相關(guān)執(zhí)行程序。m6螺絲孔3均勻分布于機架上下左右4個位置，通過螺絲連接z軸電機連接件25，以固定其位置。打印機主控制電路板4固定于打印機左側(cè)肋板，打印機固件燒錄于其中，其可控制整個打印機的機械運動。z軸限位開關(guān)5用于設(shè)置z軸零點，電源插頭6位于打印機右側(cè)，其后部為電源35。

y軸步進電機7與y軸皮帶輪8相連，y軸同步帶輪8與y軸同步帶9配合，y軸同步帶另一頭與y軸軸承座15上的帶邊軸承相連。y軸φ8光桿11與打印基板13下部連接孔相連，打印基板13由調(diào)節(jié)彈簧14支撐，調(diào)節(jié)彈簧14由蝶形螺帽與m3螺絲配合鎖定，可通過旋轉(zhuǎn)蝶形螺帽以調(diào)節(jié)基板13高度。y軸m8螺桿12與打印機架底部u型支撐槽相配合，用以固定整個y軸運動模塊。在圖1、4和6中，標記10為y軸固定板。

x軸步進電機16的轉(zhuǎn)動帶動x軸同步輪17轉(zhuǎn)動，最后帶動x軸同步帶22傳動。x軸步進電機16通過螺絲固連于z軸左電機座18，z軸左電機座18通過兩根φ8光桿與z軸右左電機座24相聯(lián)，光桿與左右電機座均為過盈配合。z軸步進電機21與z軸m8螺桿20通過連軸器相連，z軸m8螺桿20穿過安裝于z軸左電機座18右側(cè)的t型螺母后，其頂部與z軸電機連接件25間隙配合。z軸φ8光桿19穿過安裝于z軸左電機座18左側(cè)孔洞的直線軸承后，其頂部也與z軸電機連接件25間隙配合。通過z軸步進電機21的轉(zhuǎn)動，帶動整個x軸運動部分的上下移動。x軸光桿移動連接件23與打印模塊通過m3自攻螺絲相連接。

出料打印模塊包括：擠出步進電機26、擠出步進電機支撐座27、t型三通頭28、魯爾鎖緊頭29、10cc標準點膠機針筒30、x軸限位開關(guān)31、進氣管32和魯爾擠出針頭33等組成。

氣動送料部分：壓縮泵與點膠機控制器與進氣管32相連，點膠機控制器與10cc標準點膠機針筒30通過進氣管32相連，壓縮泵為整個氣動送料部分提供所需氣體壓力，點膠機控制器控制輸入到10cc標準點膠機針筒30的氣體壓力大小。輸入空氣推動針筒中活塞向下運動，活塞推動裝在針筒里面的凝膠材料均勻注入中間連接管道。

攪拌出料部分：擠出步進電機座26通過移動件連接通孔34與擠出步進電機26螺紋連接；擠出步進電機26與擠出步進電機座27通過4枚m3螺絲連接。擠出螺桿位于t型三通頭28內(nèi)，擠出螺桿頂部的正方形凹槽與擠出步進電機26轉(zhuǎn)軸過盈配合；擠出螺桿與t型三通頭28上部過盈配合，配合處有圓形橡膠密封圈防止漏液，擠出螺桿的螺紋部分長度恰好使其底部與t型三通頭28平齊；魯爾擠出針頭33與t型三通頭28以魯爾接口規(guī)格連接。t型三通頭28與10cc標準點膠機針筒30通過魯爾鎖緊頭29相連。

啟動時，x軸限位開關(guān)31與z軸左電機座18觸碰以確定x軸坐標零點。

以下給出具體實施例

利用石墨烯/聚苯胺凝膠進行蜂巢狀3d打印。

1、配制石墨烯/聚苯胺凝膠墨水

使用石墨粉，利用hummer法制成氧化石墨烯溶液。經(jīng)過離心濃縮后，配制得到16mg/ml的氧化石墨烯溶液。在ph＝1的鹽酸環(huán)境中，利用過硫酸銨作為氧化劑，使苯胺單體聚合而成聚苯胺(pani)。得到的pani經(jīng)過烘干得到pani粉末，并使之溶于n-甲基吡咯烷酮(nmp)中，伴以過夜攪拌制得30mg/ml的pani-nmp溶液。取2.1ml的30mg/mlpani-nmp溶液逐滴加入6ml的16mg/ml氧化石墨烯(go)溶液中，攪拌大約10min后，制得pani質(zhì)量分數(shù)為40％的pani/go打印墨水。

2、利用配制的pani/go打印墨水，進行蜂巢狀3d打印成型。

將7ml的pani/go打印墨水裝入10ml的針筒中，使用內(nèi)徑為400μm的噴嘴，通入40psi壓力的空氣，調(diào)整出料打印模塊的步進電機轉(zhuǎn)速，使pani/go打印墨水勻速從噴嘴口擠出連續(xù)的線條。將預先設(shè)置好的打印路徑存儲在內(nèi)存卡中，并將內(nèi)存卡插入打印機usb槽口。利用燒錄的固件選擇打印路徑，開始打印。整個打印的基底是在固定于y軸運動模塊平板上的，直徑為50mm，厚1mm的圓形有機玻璃基板上進行的。

3、對pani/go3d蜂巢狀結(jié)構(gòu)進行后處理

將圓形有機玻璃基板連同其承載的pani/go3d蜂巢狀打印物體一同放入盛有濃度為58％氫碘酸的培養(yǎng)皿中，并使之被氫碘酸完全浸沒。蓋上蓋子，放入95℃的烘箱中，熱還原1.5h。熱還原之后，得到固化的pani/rgo3d蜂巢狀結(jié)構(gòu)，將之放入裝滿無水乙醇的1000ml燒杯中進行透析。每天更換一次無水乙醇持續(xù)透析，直至透析液清澈即透析完成。取出并烘干打印的物體。