[发明专利]一种梯度聚合物复合材料3D打印方法及设备

说明书

本发明公开了一种梯度聚合物复合材料3D打印方法及设备，该方法能够实现所打印材料混合比例的定量控制，和喷头处复合材料填料浓度的快速切换，从而灵活、快速地实现浓度梯度可控的复合材料3D打印。其配套设备包括构建在微流控芯片上的进料流道、分料流道、混合流道和出料流道。各个进料流道并列布置，聚合物基体和复合材料在混合流道内充分混合，从单一出料流道流出，经由喷头挤出所述浓度梯度可控的聚合物复合材料，最后经由打印平台完成三维结构的定型，最终获得聚合物复合材料制品。利用该方法及设备加工得到的复合材料制品可以在柔性电极、传感器、热管理材料、承载材料、介电弹性体驱动器、纳米摩擦发电机等诸多领域进行应用。

技术领域

本发明涉及一种聚合物复合材料3D打印领域，特别是涉及一种浓度梯度可控的聚合物复合材料的3D打印机。

背景技术

近年来，3D打印技术开始应用于汽车、建筑、医疗、生物等领域。但是由于打印方式和材料等方面的原因，3D打印技术并未广泛应用于国民生产生活中。

在现有技术中很难实现多组分多材料的3D打印，特别是含有填料相的复合材料。在现有技术下，通常采用多个打印喷头分别打印不同的材料，对不同的材料进行组装得到浓度梯度可控的聚合物复合材料，从而形成完整的3D打印制品。CN201811587788.5公开了一种梯度结构聚合物纳米复合材料及其制备方法。该制备方法，包括如下步骤：(1)采用改性的静电纺丝法制备具有梯度结构的复合无纺布；所述复合无纺布包括聚合物复合纳米纤维和或聚合物纳米纤维；所述的聚合物复合纳米纤维以聚合物为主体纤维骨架，纳米填料分散在所述主体纤维中；(2)对所述复合无纺布依次进行热压和热处理，即可得到所述梯度结构聚合物纳米复合材料。该方法实现了梯度结构复合材料的制备，纳米填料在复合材料内部连续梯度变化，且梯度方向可调，同时该梯度复合材料具有优异的介电性能和极高的性能稳定性。CN201811059823.6提出了一种利用3D打印形成梯度复合材料的方法，包括如下步骤：提供聚乳酸粉末；将聚乳酸粉末溶于乙醇，并向其中加入甘油，超声搅拌后干燥，得到改性聚乳酸粉末；提供醋酸纤维素粉末、短切碳纤维以及碳酸钙晶须；将醋酸纤维素粉末、短切碳纤维以及碳酸钙晶须放入硅烷偶联剂的乙醇溶液，搅拌得到混合物III；以第一配比将混合物III与改性聚乳酸粉末混合，得到混合物IV；以第二配比将混合物III与改性聚乳酸粉末混合，得到混合物V；将混合物IV挤出成型，得到第一类复合材料颗粒；将混合物V挤出成型，得到第二类复合材料颗粒；将第一类复合材料颗粒成型为梯度复合材料基体；以及将第二类复合材料颗粒成型在梯度复合材料基体上以形成梯度复合材料。CN201520129215.3公开了一种聚合物多组分梯度3D打印挤出装置。其采用螺杆式挤喷装置与柱塞式送料装置相结合的结构，与传统的聚合物3D打印挤出装置相比，可实现复杂组分制件的3D打印，可以很容易实现打印具有材料组分梯度的制件，甚至实现聚合物彩色3D打印；克服现有技术在多组分打印、梯度打印机彩色打印领域的缺陷。整个结构简单，成本低廉，使用效果理想。

复合材料3D打印，是快速成型技术的一种，可通过程序控制、逐层打印的方式构造物体。复合材料3D打印是在复合材料加工制造过程中的重要方法。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供了一种浓度梯度可控的聚合物复合材料3D打印机，能定量控制打印材料的混合比例，通过一些外接控制系统和微流控芯片，实现喷头出口处复合材料填料浓度的快速改变，从而灵活、快速地实现浓度梯度可控的聚合物复合材料3D打印。

为实现上述目的，本发明采用的具体技术方案：

一种梯度聚合物复合材料3D打印方法，该方法能够实现所打印材料混合比例的定量控制，和喷头处复合材料填料浓度的快速切换，从而灵活、快速地实现浓度梯度可控的复合材料3D打印。

为实现上述方法，其配套设备包括：

进料装置：包括进料流道和分料流道。各个进料流道并列布置，其中，进料流道至少两个，每个进料流道均具有多条分料流道。