[发明专利]一种可用于3D打印的静电纺丝装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种可用于3D打印的静电纺丝装置，属于静电纺丝领域。

背景技术

3D打印(3D printing)，即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

运用塑料材料开发的3D打印设备具有设备小巧、价格低廉、应用广泛等优点，可以大规模应用于工业化生产，并且也是未来3D打印设备走入普通百姓家庭的最佳选择。但是目前所开发的熔融沉积法3D打印设备由于其喷嘴直径一般在0.2-0.6mm，并且由于材料的挤出胀大效应，使制成的成品精度不高，严重制约了3D打印机的发展。并且目前熔融沉积法3D打印设备大多采用特制丝状材料，原材料必须经过预加工成为成盘丝状形态才可以使用，使其材料费用较贵，这也是难以大规模应用的重要原因。另外，由于其原理和材料等的限制，使其无法打印微型零件。

静电纺丝技术的基本原理是熔体或者溶液在高压静电场的作用下逐渐发生形变，当电场力大于熔体或者溶液表面张力时，熔体或者溶液就会挣脱其表面张力形成纤维喷向接收电极。

典型的静电纺丝纤维直径为40-2000nm，所以把静电纺丝技术应用到3D设备便成为解决3D打印设备瓶颈的理想选择之一。中国发明专利一种结合静电纺丝技术的快速成型方法及装置(公开号CN101837642A)中采用了静电纺丝和快速成型技术结合的方法制备三维制品，但是专利中采用了毛细管作为喷丝头，虽然可以产生较细的纤维，但是毛细管带来了易堵塞等问题，并且毛细管部位也不便于加温，直接导致熔体在毛细管部位迅速冷却，使纺出来的丝粗细不均，导致制品质量不稳定。另外，尖端电极的运用也容易导致静电击穿，所以开发一种适用于3D打印技术的静电纺丝装置迫在眉睫。

发明内容

本发明提出了一种可用于3D打印的静电纺丝装置，把静电纺丝技术和3D打印技术有机结合，机头和球形高压电极通过绝缘连接件连接在一起，在工作的时候，机头带动球形高压电极在X、Y方向上移动，接收板在Z方向上移动，最大程度保证了纺丝喷头尖端的电场强度的均匀性，从而保证了沉积纤维的靶向性和稳定性，通过软件编程实现工件的逐层打印，进而达到精密零件3D打印的目的，并且可以通过调节高压静电和纺丝距离的大小调节丝的细度，进而调节零件的精度，也可以不加静电使其产生较粗的丝来填充零件的内部，进一步提高3D打印的效率，该装置在引发单根定向射流的前提下，对纺丝喷头进行独立控温，克服了常规针头纺丝中针头部位难于控温的缺点，并且解决了常规针头或者小孔纺丝中易堵塞的难题。

为了实现上述功能，本发明采用的技术方案如下：一种可用于3D打印的静电纺丝装置，主要包括球形高压电极、接收板、绝缘连接件、固定支架、机头、机头加热圈、微型螺杆、联轴器、步进电机、隔热垫片、堵头、纺丝喷头、纺丝喷头加热圈、接地电极、球形接地电极、工件和高压静电发生器等，机头上加工有料仓、步进电机安装孔、联轴器安装孔、微型螺杆孔等，步进电机和机头之间有隔热垫片用来隔热保护步进电机，料仓和微型螺杆孔相通，工作时微型螺杆旋转，把熔体或者溶液输送到纺丝喷头处，通过调节步进电机转速调节熔体或者溶液的输送量；纺丝喷头通过螺纹连接在机头上，球形接地电极半包裹在纺丝喷头下端，熔体或者溶液通过纺丝喷头下端的周向分布的豁口，均匀的通过球形接地电极表面流到其下端；球形高压电极通过绝缘连接件和机头相连，和机头同时随着固定支架在X、Y方向上移动；工件随着接收板在Z方向上移动，从而形成三维立体工件；机头和纺丝喷头外表面分别包裹加热圈进行独立控温。

本发明一种可用于3D打印的静电纺丝装置，料仓、步进电机、微型螺杆和纺丝喷头等都设置在机头上，在满足功能的同时，最大限度地减轻了机头部分的重量。

本发明一种可用于3D打印的静电纺丝装置，高压电极和接地电极同时采用球形电极，在保证纺丝喷头出口处电压强度和泰勒锥形成的同时，改善了了普通纺丝设备中针头或者小孔易堵的问题，而且更容易清理堵料，并且和尖端电极相比，减轻了尖端放电情况的发生，使得其在同等距离下，可以加到更高的电压，即有更强的电场强度，从而可以产生更细的纤维。

本发明一种可用于3D打印的静电纺丝装置，机头和纺丝喷头分别采用独立控温，在保证机头处熔体在熔融状态且不降解的温度状态下，同时纺丝喷头处温度控制在最佳工况状态。