[发明专利]一种基于微流控原理的硬度可调控模型的3D打印装置及方法

说明书

本发明提出一种基于微流控原理的硬度可调控模型的3D打印装置及方法，装置由微流注射泵、入口管道、加热器、滑块、微流打印头等组成，微流注射泵设置S通道和H通道双通道，入口管道连接微流注射泵、加热器和微流打印头，微流打印头安装在滑块上，滑块可以安装在任一三维导轨上即组成一套完整的3D打印设备。微流打印头内的流道分为入口段和微流混合段两段，其中入口段尺寸为毫米级，微流混合段尺寸为微米级，微流混合段的两个进口流道交错设计，与出口流道结合形成Y型结构。本发明微流打印头内的流道分为两段，口径为毫米级和微米级，能够实现在极短响应时间内切换材料的打印硬度，可以降低非均质多材料打印的打印成本，并具有更广的材料适用性。

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，特指一种能够实时调控打印模型软硬度的方法及装置。

背景技术

随着产品需求的不断上升，单一的软物质材料或者单一的硬物质材料已经无法满足人们对于产品的要求，许多应用场合需要产品既有硬的部分(结构件)，又有软的部分(良好的触感等)，例如，仿生手需要内部骨骼采用硬物质，外层肉体采用软物质，因此，软硬复合的非均质制品具有广泛的研究前景。

目前，通过传统成型方式生产软硬复合材料多采用拼接的方式，一体成型的难度较大，而3D打印作为一种高度灵活的成型工艺，为软硬复合模型的制备提供了很好的平台，在成型复杂制品时具有很大的优势。

对于软材料3D打印，熔融沉积制造(FDM)、喷墨打印(3DP)与光固化3D打印研究较多，对于软硬复合材料的打印，喷墨加UV固化成为最有效、精度最高的一种成型方式，其实现硬度调控的原理与彩色喷墨打印的原理一致，即通过调节某个区域内软质油墨和硬质油墨的喷墨打印比例来实现不同的软硬度，但是采用这种方式需要材料粘度极低，通常为十几厘泊，而且喷墨所采用的压电式喷头不耐高温，无法通过加热降粘，因此，需要开发常温下低粘度的光敏树脂，耗材的开发成本高，可供选择的材料少，再加上硬件设施的巨大成本，使得其应用受到了很大的限制。

于是，开发一套低成本、有更广材料适用性的硬度可调控3D打印装置具有很大的科研及工业应用价值。

发明内容

本发明解决的技术问题是，提供一种软硬材料可即时调控的3D打印装置及方法，能够在极短的响应时间内切换材料的打印硬度，采用本发明的打印装置及方法可以极大的降低非均质多材料打印的打印成本，具有更广的材料适用性，同时，本发明还提出基于模型颜色信息的色值-硬度映射关系。

为解决上述技术问题，本发明基于微流控和喷墨打印的色彩原理设计了一种基于微流控原理的硬度可调控模型的3D打印装置，由微流注射泵、入口管道、加热器、滑块、微流打印头等组成，微流注射泵设置S通道和H通道双通道，入口管道连接微流注射泵、加热器和微流打印头，微流打印头安装在滑块上，滑块可以安装在任一三维导轨上即组成一套完整的3D打印设备。微流打印头内的流道分为入口段和微流混合段两段，其中入口段尺寸为毫米级，微流混合段尺寸为微米级，微流混合段的两个进口流道交错设计，与出口流道结合形成Y型结构。

所述微流注射泵，可选用双通道或多通道规格，能够将熔料以极小的流量泵入打印头中，流量视注射器规格而定，最小流速可达每分钟0.2nl，本示例采用双通道(H通道和S通道)；

所述入口管道，起到连接注射泵、加热器以及微流打印头的作用；

所述加热器，能够在熔料粘度过高时加热以适当降低熔料粘度；

所述微流打印头，安装在滑块上，随滑块做三维运动完成3D打印，微流打印头内的流道分为两段，第一段为过渡的入口段，口径为毫米级，第二段为微流混合段，口径为微米级，可采用两进一出或者多进一出的结构，微流混合段的两个进口交错排列，使得流体可以初步地混合再挤出，对于热固性材料如硅胶，挤出的物料在红外加热下固化；