[实用新型]多材料梯度成形熔融挤出和颗粒状异质多材料挤出系统

说明书

本实用新型属于材料加工领域，公开了一种多材料梯度成形熔融挤出和颗粒状异质多材料挤出系统，包括颗粒微分传输机构和颗粒熔融挤出机构两部分。本实用新型提供的这种用于3D打印的多材料梯度成形熔融挤出系统，通过在成形过程中控制不同种颗粒料的进料量，实现了异质多材料的梯度成形；采用该系统，可以变丝材加工为颗粒式加工，并且可以支持两种高分子颗粒共同混合进行复合高分子材料的3D打印。这不仅实现了两种高分子混合颗粒的成分控制，使打印材料成分比例可控，从而实现功能梯度异质多材料的3D打印；而且柔性加工扩大了可使用材料的范围，降低生产成本，防止丝材加工时丝材折断、堵塞喷头等问题的出现。

技术领域

本实用新型属于材料加工领域，涉及一种多材料梯度成形熔融挤出和颗粒状异质多材料挤出系统。

背景技术

熔融沉积成形工艺(Fused Deposition Modeling，FDM)，是3D打印技术的一种，由美国学者Scott Crump于1988年研制成功。该技术所使用材料一般是热塑性材料，如聚乳酸PLA、ABS、蜡等，并以固定直径的丝状形式供料，材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结，通过层层堆积得到所成形零件。但丝料一旦拉制成丝，其成分含量等便固定，无法根据需求进行个性化定制，无法实现异质多材料的梯度成形；同时丝材容易折断、堵塞喷头，使废品率升高、成本增加。

功能梯度材料(Functionally Gradient Materials，FGM)，是将两种或多种具有不同性能的原材料，通过采用先进的复合技术控制构成材料的组成和机构等要素沿着一定的方向呈梯度变化，从而得到性质和功能也呈梯度变化的新型非均质复合材料，且内部无明显的界面，弱化了界面物理性能的突变。在航空航天、生物医疗、能源动力等领域都有较大的应用，如日本学者将PSZ/Ti的功能梯度材料应用在火箭推进器燃烧室内壁，其热循环属性明显优于无梯度材料涂层的寿命。但目前FGM制备方法主要有气相沉积法、等离子粉末喷涂法、激光熔敷等，这些方法只适用于无机材料领域，如陶瓷、金属等。高分子材料作为材料界重要分支，其功能梯度化理论、设备等相关报道相对较少，几乎空白。

可通过颗粒进料、熔融沉积成形的形式实现异质多材料的梯度成形。目前，主流的颗粒式进料加工进料系统主要是针对单材料挤出加工，例如发明专利CN108466423A、CN108327252A等均以螺杆的形式将颗粒料熔融挤出，能够实现颗粒料的逐层堆积成形，但在加工过程中无法达到异质多材料的成分比例实时调节控制，即无法实现成分梯度成形；发明专利 CN107263858B以传统的丝材FDM形式实现了异质材料的制造，其采用旋转式多喷头切换打印装置，以多个送丝打印机构旋转切换的方式进行多材料多工艺的高效3D打印成形，但未提到梯度加工成形的可能性，且传统丝材的形式无法克服FDM本身的断丝、堵喷头的难题；实用新型专利 CN208035395U公开了一种高粘度梯度材料3D打印机送料系统，主要通过气泵、PU管等将高粘度材料泵入螺杆阀加工室中，能够实时调节打印喷头输出高粘度打印材料的种类，但对于颗粒状材料而言，其无法通过气泵等泵出。

因此，对于无机非金属及其复合材料而言，异质多材料梯度成形研究较少，处于空白状态，亟待需要研发一种用于3D打印的多材料梯度成形熔融挤出系统来解决上述问题。但要实现异质高分子多材料的梯度成形，需要克服两方面问题。

(1)不同种高分子材料，其凝聚态结构和微观组织结构有较大差异性，导致具有不同的热转变性质和力学性能。因此，需探索解决异质多材料加工时的工艺；

(2)不同种高分子材料在加工时，其玻璃化温度不同，应保证温度能够使其分子链充分打开，且在挤出时能够以合适的状态挤出。因此，需对颗粒熔融挤出机构进行合理的工艺参数设置。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型设计了一种多材料梯度成形熔融挤出和颗粒状异质多材料挤出系统，实现本实用新型的技术方案是：