本發(fā)明涉及3D打印技術(shù)、靜電紡絲技術(shù)、柔性材料成型技術(shù)的綜合技術(shù)，更具體地，涉及一種背壓式電流體柔性材料3D打印機(jī)用噴頭，該噴頭特別適用于3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域和柔性材料的成型領(lǐng)域，以及生物3D打印領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的3D打印技術(shù)，材料是制約3D打印技術(shù)發(fā)展的瓶頸，目前最為流行的材料是PLA和ABS等，這些材料均屬于硬材料；在硬材料成型技術(shù)上，目前普遍能達(dá)到的精度，F(xiàn)DM(熔融堆積技術(shù))X對應(yīng)的是0.025mm，Y對應(yīng)的是0.025mm，Z對應(yīng)的是0.1mm。截止2016年05月23日號稱全球精度最高的DLP 3D打印機(jī)iNTEGRATOR是由一個(gè)初創(chuàng)公司CRAFT3D在Kickstarter眾籌平臺上推出的一款桌面級數(shù)字光刻(DLP)3D打印機(jī)，它能達(dá)到的精度X、Y上均為25～65μm，層厚精度可達(dá)10μm。在激光成型技術(shù)領(lǐng)域精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于熔融堆積3D打印技術(shù)領(lǐng)域。

熔融堆積3D打印技術(shù)原理用于柔性材料成型更有更廣闊的發(fā)展空間，在柔性材料3D打印成型領(lǐng)域的技術(shù)關(guān)鍵是解決成型問題和精度問題，軟材料和硬材料由于本身的性質(zhì)差別，成型方法和提高精度的方法是解決柔性材料3D打印的關(guān)鍵所在。

現(xiàn)有文獻(xiàn)中，為實(shí)現(xiàn)柔性料3D打印大多使用的是推注擠出的方法，精度得不到保證；而技術(shù)人員主要是從柔性材料改性的角度對現(xiàn)有的3D打印技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。例如，現(xiàn)有文獻(xiàn)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，在實(shí)現(xiàn)柔性材料3D打印時(shí)注重材料的改性；另外一篇文獻(xiàn)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，在實(shí)現(xiàn)3D成型的設(shè)備上也是使用推注法，結(jié)構(gòu)很簡單。盡管柔性材料改性在一定程度上解決了柔性材料3D打印的問題，但這些針對柔性材料的改性方法往往成本高、針對的柔性材料類型有限，并且會影響打印出來的產(chǎn)品的性質(zhì)，穩(wěn)定性有待提高。其他改進(jìn)手段也普遍存在精度不好、適用材料單一的缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明的目的在于提供一種背壓式電流體柔性材料3D打印機(jī)用噴頭及采用該噴頭的3D打印機(jī)，其中通過對噴頭關(guān)鍵的組成部件及其參數(shù)，如針頭的直徑、儲料室氣壓值、針頭與對應(yīng)電極(即導(dǎo)電金屬薄膜或者同步探針)之間的距離及電壓差等進(jìn)行改進(jìn)，與現(xiàn)有技術(shù)相比能夠有效解決柔性材料打印精度不高的問題，并且該噴頭可適用于多種柔性材料，適用性高、穩(wěn)定性好。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種背壓式電流體柔性材料3D打印機(jī)用噴頭，其特征在于，包括儲料室(2)、滑動臺(3)、進(jìn)氣口和進(jìn)料口，其中，

所述儲料室(2)用于容納待打印的柔性材料，該儲料室(2)設(shè)置在所述滑動臺(3)上，在所述儲料室(2)的下方設(shè)置有針頭，該滑動臺(3)用于帶動所述儲料室(2)及所述針頭移動；

所述進(jìn)氣口和所述進(jìn)料口均設(shè)置在所述儲料室(2)的上方，所述進(jìn)料口用于向該儲料室(2)內(nèi)補(bǔ)充所述待打印的柔性材料；所述進(jìn)氣口則用于向該所述儲料室(2)提供氣壓，使該儲料室(2)內(nèi)容納的所述待打印的柔性材料沿所述針頭射出到所述儲料室(2)的外部；

在所述針頭的下方還設(shè)置有導(dǎo)電金屬薄膜或者同步探針，所述同步探針與所述針頭同步移動；該導(dǎo)電金屬薄膜或者所述同步探針與所述針頭之間具有電壓差。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述導(dǎo)電金屬薄膜與所述針頭兩者的距離或者所述同步探針與所述針頭兩者的距離均為不超過50mm。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述針頭的直徑為不超過3mm。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述待打印的柔性材料為高分子材料，或者為由兩種以上原材料復(fù)合而成的復(fù)合柔性材料；優(yōu)選的，該待打印的柔性材料為水凝膠。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述儲料室(2)內(nèi)的氣壓為不超過10.1MPa。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述導(dǎo)電金屬薄膜與所述針頭兩者的電壓差或者所述同步探針與所述針頭兩者的電壓差均為不超過20kV。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，該噴頭的移動速率為10mm/s～1000mm/s。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述噴頭還包括氣壓調(diào)節(jié)器和氣壓計(jì)，該氣壓計(jì)與所述儲料室(2)相連，用于測量該儲料室(2)內(nèi)的氣壓值；所述氣壓調(diào)節(jié)器通過所述進(jìn)氣口與所述儲料室(2)相連，用于根據(jù)所述氣壓計(jì)測量得到的氣壓值向所述儲料室(2)提供氣壓。

按照本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供了一種采用上述背壓式電流體柔性材料3D打印機(jī)用噴頭作為噴頭的3D打印機(jī)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，該噴頭的移動速率為10mm/s～1000mm/s。

通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過對噴頭關(guān)鍵的組成部件及其參數(shù)，如針頭的直徑、儲料室氣壓值、針頭與對應(yīng)電極之間的距離及電壓差等進(jìn)行改進(jìn)，與現(xiàn)有技術(shù)相比能夠有效解決柔性材料打印精度不高的問題，并且該噴頭可適用于多種柔性材料，適用性高、穩(wěn)定性好。

本發(fā)明通過對柔性材料的成型方式進(jìn)行改進(jìn)，得到了相應(yīng)的背壓式電流體柔性材料3D打印機(jī)用噴頭，該噴頭尤其適用于3D打印柔性材料；該噴頭綜合了柔性材料的材料成型特點(diǎn)，并參考靜電紡絲技術(shù)，對3D打印結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提供了可用于實(shí)現(xiàn)柔性材料的三維規(guī)模微尺度、高精度成型的打印噴頭及相應(yīng)的3D打印機(jī)(即，采用本發(fā)明中的背壓式電流體柔性材料3D打印機(jī)用噴頭作為噴頭的3D打印機(jī))，通過對柔性材料的成型方式進(jìn)行改進(jìn)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的打印精度，有效地協(xié)調(diào)好了3D打印成型領(lǐng)域中成型問題與精度問題兩者的關(guān)系。

本發(fā)明中的噴頭參考靜電紡絲技術(shù)，在提高3D打印在柔性材料方向的應(yīng)用方面有著至關(guān)重要的作用。靜電紡絲技術(shù)興起于上世紀(jì)40年代初，到現(xiàn)在該技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，現(xiàn)有的靜電紡絲技術(shù)在成膜的取向度方面由于技術(shù)的缺陷很難達(dá)到很好地取向度，而本發(fā)明通過將3D打印技術(shù)與靜電紡絲技術(shù)相結(jié)合，尤其是將噴頭移動速率控制在10mm/s～1000mm/s，使其與牽引電場強(qiáng)度等參數(shù)相互配合，能夠?qū)崿F(xiàn)高取向度薄膜的制備。

就目前打印柔性材料的設(shè)備而言，對材料的推動大多是采用推注式或者螺旋式擠出，當(dāng)持續(xù)施加壓力時(shí)，待打印的柔性材料將被不間斷的擠出(如圖3B所示)，對后續(xù)靜電場牽引出絲不利；而本發(fā)明則是參考靜電紡絲的原理，通過向儲料室提供氣壓，尤其是通過將氣壓控制在閾值點(diǎn)，使針管內(nèi)的待打印的柔性材料其自身重力、氣壓壓力合力，與管壁的粘力、摩擦力合力兩者之間保持平衡，以便使材料達(dá)到擠出閾值狀態(tài)(如圖3A所示)，即使氣壓保持穩(wěn)定，待打印的柔性材料將一直維持在擠出閾值狀態(tài)，從而更利于后續(xù)的靜電場牽引出絲。本發(fā)明通過將針頭的直徑控制為不超過3mm(尤其是0.4mm)、儲料室內(nèi)的氣壓控制為不超過10.1MPa(尤其是0.125MPa)，使得針管內(nèi)的待打印的柔性材料(如PVA溶液等)其自身重力、氣壓壓力合力，與管壁的粘力、摩擦力合力兩者之間保持平衡，形成擠出閾值狀態(tài)，后續(xù)施加電場后，待打印的柔性材料能夠更容易在靜電場的牽引下出絲。

本發(fā)明通過對噴頭進(jìn)行改進(jìn)，再綜合設(shè)置可調(diào)高壓靜電發(fā)生器、氣壓微調(diào)節(jié)系統(tǒng)、進(jìn)料控制器、以及材料初級混合器，通過這幾個(gè)模塊之間的相互配合，能夠?qū)崿F(xiàn)3D打印設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)良的結(jié)果輸出(如，高取向度的薄膜3D打印輸出)。

本發(fā)明中的背壓式電流體柔性材料3D打印機(jī)用噴頭及采用該噴頭的3D打印機(jī)通過參考靜電紡絲技術(shù)，綜合快速成型的3D打印技術(shù)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。

附圖說明

圖1是本發(fā)明背壓式電流體柔性材料3D打印機(jī)用噴頭的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明中采用背壓式電流體柔性材料3D打印機(jī)用噴頭作為噴頭的3D打印機(jī)的功能模塊示意圖；

圖3A是本發(fā)明氣壓控制擠出閾值狀態(tài)的示意圖，圖3B是現(xiàn)有推注式擠出的對比示意圖。

圖中各附圖標(biāo)記的含義如下：1為噴頭與3D打印機(jī)主體的連接接口，2為儲料室(如帶針頭的10ml標(biāo)準(zhǔn)注射器)，3為滑動臺，4為進(jìn)氣口和進(jìn)料口。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

實(shí)施例1

如圖1所示，背壓式電流體柔性材料3D打印機(jī)用噴頭主要包括連接接口1、儲料室2、滑動臺3、以及進(jìn)氣口和進(jìn)料口4，其中，連接接口1用于將噴頭與3D打印機(jī)其他部分相連接，該連接接口1是一個(gè)友好接口，可依據(jù)3D打印機(jī)的具體種類形狀靈活調(diào)整，實(shí)現(xiàn)噴頭與3D打印機(jī)的友好對接；儲料室2與針頭相連，用于盛放待打印的材料，尤其是軟材料，該儲料室2可以是帶針頭的10ml標(biāo)準(zhǔn)注射器；滑動臺3為z方向上可動滑臺(根據(jù)需要，滑動臺3也可在x、y方向移動)，其高度可依據(jù)實(shí)驗(yàn)需求靈活控制；進(jìn)氣口和進(jìn)料口4可設(shè)置有密封圈，例如，進(jìn)氣口和進(jìn)料口4與滑動臺3之間可用螺栓緊固鏈接，螺栓中間的橡膠密封圈實(shí)現(xiàn)很好的氣密性。該背壓式電流體柔性材料3D打印機(jī)用噴頭為可移植性的柔性材料打印噴頭。

當(dāng)需要3D打印時(shí)，以XYZ型3D打印機(jī)為例(如市售桌面級3D打印機(jī))，該背壓式電流體柔性材料3D打印機(jī)用噴頭通過連接接口1安裝在XYZ型3D打印機(jī)上，進(jìn)氣口和進(jìn)料口4分別與氣壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)(如氣壓微調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該氣壓微調(diào)節(jié)系統(tǒng)的出氣口)和進(jìn)料系統(tǒng)用相應(yīng)的導(dǎo)管連接；然后，在3D打印機(jī)的載物臺上鋪上導(dǎo)電金屬薄膜，或者在該噴頭下方設(shè)置一個(gè)隨噴頭同步運(yùn)動的探針(記此探針為同步探針)，再將與噴頭中的儲料室2相連的針頭連接高壓電的正極，下方的導(dǎo)電金屬薄膜或同步探針則連接高壓電發(fā)生器的負(fù)極。通過控制合適的高壓電電壓、以及針頭與極板之間的距離，并同時(shí)控制由氣壓微調(diào)節(jié)器來控制材料的擠出推動力，可以基于3D打印機(jī)的工作原理來實(shí)現(xiàn)柔性材料的3D打印。以濃度為質(zhì)量分?jǐn)?shù)8％的PVA溶液作為待打印的柔性材料為例，該噴頭優(yōu)選的高壓電電壓為5kV，針頭(即正極)與負(fù)極之間的距離優(yōu)選為15mm(即，正極與負(fù)極之間的電場強(qiáng)度優(yōu)選為0.33kV/mm)，針頭的直徑優(yōu)選為0.4mm，待打印材料擠出該針頭的推動力優(yōu)選為0.025MPa正壓對應(yīng)的推動力(即，儲料室2內(nèi)的氣壓為0.025MPa正壓；考慮到外界環(huán)境的自身氣壓，以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1atm為例，則儲料室2內(nèi)的絕對氣壓值為0.125MPa)；以上參數(shù)可根據(jù)待打印的柔性材料的種類和濃度靈活調(diào)整，一般而言，該噴頭的高壓電電壓控制為0～20kV，針頭(即正極)與負(fù)極之間的距離為不超過50mm(此時(shí)，正極與負(fù)極之間的電場強(qiáng)度為0～5kV/mm)，針頭的直徑優(yōu)選為不超過3mm，待打印材料擠出該針頭的推動力則為0～10MPa正壓對應(yīng)的推動力(即，儲料室2內(nèi)的氣壓為0～10MPa正壓；考慮到外界環(huán)境的自身氣壓，以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1atm為例，則儲料室2內(nèi)的絕對氣壓值為0.1～10.1MPa)。通過以上設(shè)置的相互配合，該噴頭的出絲直徑達(dá)到納米級別，大大提高了3D打印的精度，尤其適用于成膜，如取向性大的膜。

相應(yīng)的，采用有上述噴頭的3D打印機(jī)可相應(yīng)的設(shè)置多個(gè)功能模塊，如圖2所示，3D打印機(jī)可綜合設(shè)置可調(diào)高壓靜電發(fā)生器、氣壓微調(diào)節(jié)系統(tǒng)、進(jìn)料控制器、以及材料初級混合器。其中，可調(diào)高壓電發(fā)生器是一個(gè)可以產(chǎn)生高壓電的裝置，用以滿足電場強(qiáng)度的要求，該可調(diào)高壓電發(fā)生器，可采用市場現(xiàn)有成品件，可通過市場購得；氣壓微調(diào)節(jié)系統(tǒng)是用來控制整個(gè)設(shè)備(尤其是噴頭擠出推動力)工作氣壓的裝置，該裝置可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)無級可微調(diào)；該氣壓微調(diào)節(jié)系統(tǒng)還可與壓力表相連，該壓力表可用于顯示氣壓大小。進(jìn)料控制器，可根據(jù)使用要求向儲料室2內(nèi)隨時(shí)添加原材料；在氣壓控制系統(tǒng)的輔助下可以保證注射器內(nèi)部保持恒定的壓力，以使材料保持在設(shè)定的擠出閾值點(diǎn)附近(如圖3A所示)，再由電場力牽引出絲。

本發(fā)明中的背壓式電流體柔性材料3D打印機(jī)用噴頭、以及采用該噴頭的3D打印機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度打印柔性材料。本發(fā)明中的噴頭沒有采用最為流行的推注式打印噴頭，現(xiàn)有的推注式打印噴頭其精度在0.1mm，不能滿足本發(fā)明設(shè)計(jì)的初衷；相應(yīng)的，本發(fā)明是采用氣壓微調(diào)節(jié)系統(tǒng)與儲料室2相連接，是在恒定的氣壓作為動力的前提下，再由帶電的電流體在電場力的牽引下實(shí)現(xiàn)材料的噴出。本發(fā)明采用氣壓作為動力的優(yōu)點(diǎn)在于，對柔性材料的推動力更平穩(wěn)，并且能時(shí)刻保持恒定的推動力，可通過控制電場的有無、電場強(qiáng)度的大小等來控制黏流體材料從微型噴嘴中流出的速度、以及直徑大小。本發(fā)明中的背壓式電流體柔性材料3D打印機(jī)用噴頭、以及采用該噴頭的3D打印機(jī)，尤其適用于成型高分子材料(如水凝膠等)；該噴頭及采用該噴頭的3D打印機(jī)，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以有效配合待打印高分子材料的化學(xué)性質(zhì)及成型特點(diǎn)，只需簡單的更換待打印的柔性材料就可以滿足多種不同高分子柔性材料(如pva，alginate，acrymilade，ecofelx，pdms等等)的成型機(jī)制，然后再配合3D打印機(jī)已有的3D打印成型技術(shù)即可完成對產(chǎn)品的3D打印加工。

此外，本發(fā)明中的氣壓微調(diào)節(jié)器既可向儲料室2內(nèi)提供正壓，也可向該儲料室2內(nèi)提供負(fù)壓(即，儲料室2內(nèi)的絕對壓力值小于外界大氣壓，如1atm)，尤其是當(dāng)待打印柔性材料自身重力值較大時(shí)，為避免待打印柔性材料由于自身重力向下擠出，可通過氣壓微調(diào)節(jié)器提供負(fù)壓，實(shí)現(xiàn)針管內(nèi)的待打印的柔性材料其自身重力，與管壁的粘力、摩擦力、外界大氣壓壓力三者的合力之間的平衡。另外，當(dāng)為負(fù)壓時(shí)，即使誤啟動高壓靜電發(fā)生器，也能防止待打印柔性材料的擠出。該氣壓微調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)精度為無級可調(diào)，壓力值可讀(例如通過氣壓計(jì))，調(diào)節(jié)精度高，調(diào)節(jié)范圍是-0.1Mpa～10Mpa(尤其-0.1Mpa～1Mpa)，可讀精度為0.01MPa。

本發(fā)明中采用的進(jìn)料裝置，可根據(jù)具體的待打印的柔性材料，基于材料合成機(jī)制靈活調(diào)整，例如對于需要兩種或兩種以上原始成份的復(fù)合軟材料，或水凝膠，可額外增設(shè)混合組件，以控制復(fù)合軟材料中兩種或兩種以上原材料的配比；此外，該進(jìn)料裝置的進(jìn)料速度可以根據(jù)需要調(diào)整。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。