[发明专利]基于磁流变材料的3D打印快速成型装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于先进制造领域，特别涉及一种基于磁流变材料的3D打印快速成型方法及装置，具体涉及一种利用磁场作用下的磁流变效应，通过喷射磁流变液到存在磁场的沉积基板上迅速固化，逐层成型,最终形成3D打印的三维模型的方法和装置。

背景技术

3D打印技术是一系列快速原型成型技术的统称，其基本原理是叠层制造，由快速原型机在X-Y平面内通过扫描形式形成工件的截面形状，而在Z坐标间断地做层面厚度的位移，最终形成三维实体。快速成型制造技术（Rapid Prototyping and Manufacturing, RP&M）是指在计算机管理与控制下，根据零件的CAD模型，采用材料精确堆积（由点堆积成面，由面堆积成三维实体）的方法制造原型或零件的技术，是一种基于离散、堆积成形原理的新制造方法。目前已出现的RP&M技术主要有熔融沉积成形（FDM）、选择性激光烧结成形（SLS）、光固化成形（SLA），分层实体制造成形（LOM）。3D打印材料有塑料、光敏树脂、金属、石蜡粉末、陶瓷粉末、尼龙粉末、ABS粉末、覆膜纸等，骨骼、电流变液等原料的研究也在进行中。随着第三次工业革命的到来，3Ｄ打印快速成型技术在个性化设计和先进制造领域的重要性越来越突出，其优点体现在以下三个方面：1）一定程度上实现了设计、制造一体化；2）高度柔性使得复杂模型制造更加快捷有效；3）大大缩短了研发周期，降低研发成本。但从目前来看3D打印技术还面临着一系列的问题，如制造速度慢、产品的材料品种较少，性能不佳、机器和材料的成本高、操作的可访问性差和安全性欠佳、颜色调配、成型精度和质量问题等。

采用FDM熔融层积成型技术（US6253116B1）的设备是整体成本最低且占用空间最小的，因此目前市面上面向普通消费者销售的3D打印机都是基于FDM熔融层积成型技术的。然而，这种快速成型工艺存在以下不足：a）需要复杂的温控系统。喷头温控装置确保喷头内熔融材料的温度不能太低，否则凝固造成堵塞；但温度也不能太高，否则熔融材料喷射到工作台上后冷却的速度跟不上造成溢流。b）通过温度实现液相固相的转换所需的能耗高，同时容易发生相变缩孔，变形等问题。c）在快速成型制作过程中，加工材料因受热或者内部组织结构发生变化，会向空气中散发刺激难闻甚至有毒的气体，造成环境污染甚至对操作人员的身体健康产生影响。d)因受快速成型工艺的限制，快速成型的材料种类有限，制作成本高等缺点。而中国专利（CN 102615830）“一种基于电流变液的快速成型方法及装置”提出的以电流变液在电场中迅速成型，则需要上千伏的高压电场，对操作人员带来危险。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于磁流变材料的3D打印快速成型方法和装置，即利用磁流变材料在磁场作用下的磁流变效应，通过喷射磁流变材料到存在磁场的工作台上迅速固化，逐层成型，而最终形成3D打印的三位实体模型。

本发明的目的之一是提出一种基于磁流变材料的3D打印快速成型装置；本发明的目的之二是提出一种基于磁流变材料的3D打印快速成型方法。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的基于磁流变材料的3D打印快速成型装置，包括沉积工作台、磁极、储液罐、墨盒、驱动泵、喷头、连接管道、计算机、伺服机构；

所述沉积工作台，用于作为三维实体的磁流变材料逐层沉积成型的平台；

所述磁极布置于沉积工作台的造型区域两侧，用于提供磁流变材料固化所需的磁场；

所述储液罐、驱动泵、喷头通过连接管道相连通，形成磁流变材料的输送管道；所述储液罐，用于存储磁流变材料，所述驱动泵，用于为输送储液罐中的磁流变材料提供驱动力，所述喷头设置于沉积工作台上的磁极提供的磁场区域内；

所述伺服机构，用于控制喷头的三维运动状态；

所述计算机，用于控制驱动泵的流量、墨盒颜料流量和伺服机构运动状态。

进一步，所述计算机包括驱动泵控制单元、墨盒控制单元和伺服机构控制单元；所述驱动泵控制单元，用于控制驱动泵的流量；所述墨盒控制单元，用于控制彩色墨盒的配色颜料、染料多少；所述伺服机构控制单元，用于通过伺服机构控制喷头的三维运动。

进一步，所述沉积工作台为可三维调节的升降工作台。

进一步，所述磁极为能产生100Gs-8000Gs磁场的永磁体或电磁铁。

进一步，所述喷头口直径为0.1-10毫米。

进一步，所述喷头为彩色喷头，所述墨盒为彩色墨盒，所述储液罐为彩色储液罐。