[发明专利]一种基于微流控原理的仿生像素化异质材料的3D打印装置及方法

权利要求书

1.一种基于微流控原理的仿生像素化异质材料的3D打印装置，其特征在于，包括：

材料匀速输送系统(1)，其用以控制及调节输送到模块化变通道混流器(2)中材料的挤出速度、挤出量及挤出时间；

模块化变通道混流器(2)，其上接材料匀速输送系统(1)，根据需要选择合适的变通道混流器(23)或将多种变通道混流器(23)拼接组装使用，流经变通道混流器(23)的材料被分流、重新整合，从而获得像素化刚柔耦合挤出材料特征；

三维运动成型平台(3)，从模块化变通道混流器(2)挤出的具有像素化刚柔耦合特征的材料沉积在成型平台上，成型平台可在X、Y、Z三维空间内运动，实现内含像素化刚柔耦合特征材料的累积成型；

计算机软件控制系统(4)，其基于内含像素化刚柔耦合材料特征的三维模型，分解成结构模型和刚柔材料分布模型，选择合适的模块化变通道混流器(2)的同时，规划模块化变通道混流器(2)的旋转运动代码及三维运动成型平台(3)空间移动代码，以及材料匀速输送系统(1)中材料的挤出速度及挤出量。

2.如权利要求1所述的一种基于微流控原理的仿生像素化异质材料的3D打印装置，其特征在于，所述材料匀速输送系统(1)包括：

软性材料匀速输送系统(11)和刚性材料匀速输送系统(12)；

其中，软性材料匀速输送系统(11)和刚性材料匀速输送系统(12)，均包括：

材料供应筒(111)，其用以盛放打印材料；

材料匀速输送泵(112)，其用以控制材料的输送时间及匀速输送速度；

固定支架(113)，其用以固定材料供应筒(111)及材料匀速输送泵(112)；

材料输送软管(114)，其一端连接材料供应筒(111)，另一端连接变通道混流器(23)，用以将材料由材料供应筒(111)匀速输送到模块化变通道混流器(2)入口。

3.如权利要求1所述的一种基于微流控原理的仿生像素化异质材料的3D打印装置，其特征在于，所述模块化变通道混流器(2)包括：

数字化旋转系统(21)，其为实现刚柔耦合材料沿三维运动成型平台(3)X方向及Y方向均匀、精确的像素化分布，材料挤出过程中，数字化旋转系统(21)可带动模块化变通道混流器(2)整体实现顺时针0～90°及逆时针0～90°的旋转；

变通道混流器接头(22)，其用以连接不同类型混流器；

变通道混流器(23)，其用以分流及整合刚柔两种材料，实现特定像素化材料分布特征，其中若想实现复杂、高分辨率、精细化、多通道刚柔耦合材料拼接，可将多种类型变通道混流器(23)进行组装拼接；

自动更换系统(24)，其用以根据需要自动增减不同类型变通道混流器(23)，实现所需像素化刚柔耦合材料特征。

4.如权利要求1所述的一种基于微流控原理的仿生像素化异质材料的3D打印装置，其特征在于，所述三维运动成型平台(3)包括：

三维运动成型平台软件系统，其用以控制三维运动成型平台硬件系统在三维空间内的运动；

三维运动成型平台硬件系统，其是实现三维运动成型平台(3)的物理基础，可实现模块化变通道混流器(2)挤出像素化特征材料的累积成型。

5.如权利要求1所述的一种基于微流控原理的仿生像素化异质材料的3D打印装置，其特征在于，所述计算机软件控制系统(4)包括：

立体成型模块，其控制三维运动成型平台(3)在X-Y平面及Z轴方向定向、定速运功，实现像素化刚柔耦合材料挤出材料的立体成型，主要用于确定三维模型的外形参数；

旋转控制模块，其根据三维模型内预定义的像素化材料分布信息，构筑打印体的过程中，实时控制数字化旋转系统(21)的旋转方向及旋转速度。

6.一种基于微流控原理的仿生像素化异质材料的3D打印方法，包括：

S101，材料制备

刚性材料前驱体：纯热固性树脂基质材料或内含3-34vol％增强相颗粒热固性树脂基复合材料前驱体；

柔性材料前驱体：纯聚二甲基硅氧烷或内含5-50vol％牺牲模板颗粒聚二甲基硅氧烷基复合材料前驱体；

其中，所述热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、聚酰亚胺中的一种前驱体材料；

其中，所述增强相颗粒为用于增加刚性材料韧性、强度的填料，例如碳纤维、玻璃纤维、尼龙纤维、聚酯纤维、棉植纤维素中一种或多种；

其中，所述牺牲模板颗粒为易去除材料(易溶解或易熔化)，例如棒状谷氨酸钠晶体、糖颗粒、盐颗粒、碘颗粒、聚乙烯醇纤维或者温敏微球(由聚合物外壳及其内包的低沸点烧经所组成，温敏微球在受热时外壳软化，内部烷烃汽化膨胀)中一种或多种，通过后处理工艺(加热、浸泡等)可去除；

其中，所述刚性材料前驱体及柔性材料前驱体的粘度通过加入气相二氧化硅调整为8000-100000cP；

S102，像素化刚柔耦合材料的三维增材制造，具体包括：

步骤1构建立体模型，建立的三维模型内含相关的几何参数及像素化刚柔耦合材料分布信息，随后对三维模型进行离散化处理；

步骤2增材制造系统运动编程，基于步骤1中三维模型的几何信息及刚柔材料精细化分布信息，确定三维运动成型平台软件系统的控制程序及三维运动成型平台硬件系统的运动程序及移动速度、材料匀速输送泵(112)内材料输送速度及时间、变通道混流器(23)组装类型、数字化旋转系统(21)的旋转方向及速度参数；

其中，所述三维运动成型平台硬件系统的移动速度为1mm/s～15mm/s；

步骤3将刚性材料及柔性材料前驱体分别装入到材料供应筒(111)内，接通材料匀速输送泵(112)及材料输送软管(114)；

步骤4增材制造像素化刚柔耦合材料，基于步骤2中获得的运动编程程序，包括三维运动成型平台(3)的移动速度及运动流程、材料匀速输送泵(112)内材料输送速度及时间、变通道混流器(23)自动更换类型及更换流程、数字化旋转系统(21)的旋转方向及速度，将装入材料挤出筒的刚性材料及柔性材料前驱体通过材料匀速输送泵(112)进行匀速输送，流经材料输送软管(114)，输送至模块化变通道混流器(2)，经分流、组装，最后沉积在匀速运动的三维运动成型平台(3)，通过层层累积，获得具有像素化特征的刚柔耦合材料结构实体；

S103，后处理步骤，先将刚柔耦合组分材料的基质材料进行固化处理，后去除柔性材料前驱体内的牺牲模板颗粒，最终获得所需像素化刚柔耦合打印制件；

其中，所述固化处理为加热固化处理，具体分为两个阶段，第一阶段的热处理温度为45℃～55℃，时间为1-24小时；第二阶段的热处理温度为55℃～85℃，时间为1-36小时；

其中，所述牺牲模板颗粒去除条件需根据牺牲模板物理特性进行溶解或熔化，对于水溶性牺牲模板颗粒(棒状谷氨酸钠晶体、糖颗粒、盐颗粒、碘颗粒、聚乙烯醇纤维)来说，将打印基体整体浸入45℃～70℃水中2-35小时；

对于内含发泡颗粒—温敏微球打印实体来说，将耦合整体置于110℃-155℃加热环境中1.5-18小时。