[发明专利]一种多材料复合3D打印机及其工作方法和应用

说明书

本发明公开了一种多材料复合3D打印机及其工作方法和应用，包括底座，底座上置有工作台和机架，工作台上置有支撑被打印物体的打印床，机架上至少固定有第一喷头、第二喷头和第三喷头，第一喷头、第二喷头和第三喷头均位于被打印物体上方；第一喷头为多材料主动混合喷头，第二喷头包括微注射器料筒和置于微注射器料筒下部的导电喷嘴，第三喷头至少包括两个熔融沉积喷头，其中一个熔融沉积喷头打印结构材料，另一个熔融沉积喷头打印支撑材料；第一喷头和第二喷头的导电喷嘴均与电源正极连接，打印床与电源负极连接。实现多材料、多尺度复杂结构的一体化制造，结构材料和功能材料一体化打印，突破制约材料、结构、器件一体化制造的技术瓶颈。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种多材料复合3D打印机及其工作方法和应用。

背景技术

新一代电子产品(嵌入式电子产品、柔性电子、可穿戴设备、结构电子产品)、新材料(功能梯度材料、复合材料、超材料、智能材料)、新能源、组织工程(组织支架、毛细血管)、物联网RFID、软体机器人、MEMS、航空航天等领域对于多材料、多尺度复杂结构一体化制造有着巨大的需求。例如嵌入式电子产品3D打印就是一种典型的多材料、多尺度3D打印，打印材料包括结构材料(塑料、聚合物、陶瓷、金属等)、导电材料、介电材料(绝缘材料)等多种材料，打印图形的特征尺寸涵盖宏/微/纳多尺度和跨尺度。软体机器人同时结合了刚性和柔性材料，机器人的身体从软逐步过渡到硬，提高了机器人的弹性，降低了刚性的电子元件与身体连接处的应力；并通过一步连续打印多种材料，机器人各部分是一个整体，增加了强度和坚固性。在生物医疗领域要打印一个既包含能随膝盖一起运动的柔软材料，又包含坚硬电子元件的设备，3D打印机应具有如下能力：从柔软材料无缝过渡到坚硬材料，将不同电导率、不同电阻的墨水打印出电路，并能在各种墨水打印材料之间精确切换，而且在执行所有这些任务时不间断，并具有在打印产品过程中整合不同材料和性质的能力，该类产品打印也需要多材料、多尺度3D打印技术。新型助听器也需要通过多材料3D打印以实现硬质内芯而表面覆盖柔软材料，以提高舒适度，避免用户出现不愉快的压疮。此外，组织支架和组织器官的打印对于多材料、多尺度3D打印提出了更高的要求。功能驱动的材料、结构、功能部件一体化设计和制造，3D打印控形、控性的实现也需要多材料、多尺度增材制造技术和装备的强有力支撑。

3D打印技术也正在革新轻质结构、可穿戴设备和柔性电子元器件的生产，但现有的3D打印技术还难以打印多种材料融合在一起的复杂结构。例如，对可穿戴设备的3D打印，3D打印机必须能够从一种柔性材料无缝过渡到另一种刚性材料，其中柔性材料保证可穿戴应用，刚性材料则提供电子元器件。此外，还需要能够用多种不同导电率和电阻率的油墨打印出嵌入式的电子电路，且能在这些不同的材料中做到精确切换。

但是，现有的3D打印大多仅能实现单材料打印，而且难以实现宏/微跨尺度制造。已开发的多材料3D打印机诸如Stratasys公司Objet500Connex33D和J750打印机、Voxel8公司的多材料3D电子打印机、3D Systems公司的多材料复合3D打印机PROJET 5500X等，存在以下的不足：一是打印分辨率还较低，目前难以实现微尺度结构打印，尤其是无法实现宏/微/纳多尺度和跨尺度制造；二是多材料混合基本都采用的是材料被动混合方法，混合效率低，而且不均匀。因此，现有3D打印在多材料、多尺度打印方面存在以下不足和局限性：(1)打印分辨率较低，难以实现微尺度结构打印，尤其是无法实现宏/微/纳多尺度和跨尺度制造；(2)无法实现多材料主动混合；(3)无法实现多材料各组分的精确控制；(4)无法实现多材料间无缝过度(例如从柔软材料无缝过渡到坚硬材料)；(5)难以实现高粘度材料微尺度打印；(6)难以实现三种以上材料的同时打印，尤其是与导电材料的有机集成；(7)难以实现结构材料和功能材料一体化打印；(8)复杂结构多材料、多尺度一体化制造方面目前也无法实现。