[发明专利]一种同轴3D打印工艺及设备

说明书

本发明提出一种同轴3D打印工艺及设备通过同轴喷嘴打印内外层材料不同的同轴熔丝。外层主要使用层，决定制品力学性能；挤出丝料的内层为辅助定型层，防止挤出的外层圆环材料截面塌陷，辅助定型层可采用相对体积密度较小的材料或后期可去除的材料。本发明同轴丝料由于外层为性能保证层，在性能分析时可将其截面近似为圆环，根据理论力学分析，截面面积相同时，圆环截面制品强度优于圆形截面制品。因此通过本发明工艺及设备制作的制品在重量不变的情况下可提高强度，实现3D打印技术的进一步轻量化。亦可将本发明用于制品性能的优化，如防火制品、耐腐蚀制品、性能增强制品，以满足不同使用条件的要求，扩展了3D打印制品的应用范围。

技术领域

本发明涉及3D打印领域，具体涉及一种同轴3D打印工艺及设备。

背景技术

3D打印技术被广泛应用于模具制造、工业设计、建筑、家用制品及医疗等众多方面，该技术能很好地按照要求打印出制品。目前实现3D打印制品轻量化的措施主要有对制品原有结构进行优化或改变制品水平方向填充比，并未对3D打印最小组成单元的丝料本身进行直接结构优化。

现有3D打印技术针对轻量化的应对措施之一是在达到技术要求的前提下减少XY平面内的填充比以节省材料(本发明中的论述将制品放在笛卡尔坐标系中，且Z轴方向为竖直方向)；在3D打印过程中，通常使用实心的丝料进行熔融堆积。

随着市场对低碳环保领域越来越重视，制品的轻量化需求也日趋显著，目前的3D打印轻量化途径已难以满足市场需求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种同轴3D打印工艺及设备。本发明一种同轴3D打印工艺及设备相较市场上其他3D打印工艺，可通过同轴打印的方式堆叠具有填充比的丝料的制品，从打印制品内部结构自身优化性能，根据理论力学分析，在保证强度的情况下本发明技术方法可进一步节省材料。利用本发明的原理，采用不同的材料组合形成原位同轴结构丝料，亦可拓展3D打印工艺的应用范围。

本发明一种同轴3D打印工艺及设备主要的结构为内外层分层明确的同轴打印喷嘴，并采用柱塞送料和螺杆送料两种供料组合的方式对内外层两种材料进行挤出动作，在此基础上出口处增加了气流辅助拉伸及冷却装置。

本发明一种同轴3D打印工艺主要技术方案是：通过同轴喷嘴打印外层聚合物、内层为体积密度低的同轴材料。外层为性能保证层，也是主要使用层，制品的力学性能主要由外层决定；挤出丝料的内层为辅助定型层，辅助定型层用于辅助外层丝料挤出定型，防止挤出的外层圆环材料截面塌陷，辅助定型层可采用相对体积密度较小的材料例如发泡材料，或后期可去除的材料，如：水、凝胶、低熔点合金等材料。传统工艺挤出的熔丝可近似为圆形截面的圆柱，而本发明挤出的同轴熔丝由于外层为性能保证层，在性能分析时可将其近似看做为圆环截面的圆柱，根据理论力学分析，在相同截面面积的前提下，圆环截面制品刚度优于圆形截面制品。因此通过本发明工艺及设备制作的制品在重量不变的情况下可提高刚度、硬度和弯曲强度，实现3D打印技术的进一步轻量化。

本发明提出一种同轴3D打印设备，主要包括活塞、内层加热套、外层加热套、外层材料通道、保温套、环形气流出口套、隔热层和活塞筒，外层材料通道下端为同轴喷嘴，活塞筒中放入内层材料，内层加热套将熔融内层材料加热预热，外层加热套将位于外层材料通道的外层材料加热熔融，在打印过程中通过活塞压缩使内层材料进入保温套范围内；外层材料通过活塞挤出装置或螺杆挤出机将外层材料导入外层材料通道；保温套用于在喷嘴流道处使同轴材料具有较好流动性，使其在喷嘴处顺利挤出，避免堵塞喷嘴。环形气流出口套接供气系统，环形气流出口套与外层材料通道间有隔热层，防止冷空气将未挤出喷嘴的材料冷却。在打印过程中，同轴结构熔丝按需铺设在成型平台上并层层堆积成制品，若内部材料为可去除材料，在打印过程结束后续通过倾倒或加热抽空方式排出制品本体，使制品实现轻量化结构制造。