[发明专利]一种基于螺旋流道的梯度材料高效3D打印装置及方法

说明书

本发明涉及3D打印领域，特别涉及面向一种基于螺旋流道的梯度材料高效3D打印装置及方法，用于解决传统3D打印技术中无法实现复合材料内增强颗粒粒径或多孔材料孔径呈现复杂梯度分布的技术问题。打印装置内包括增材制造成型平台、螺旋分离组装系统、材料供应系统、计算机控制系统。通过螺旋分离组装系统中螺旋分离通道的惯性微流体操纵粒子机制，结合数字化组装挤出头的设计组合及打印工艺参数的优选，能够实现基质材料内增强颗粒或牺牲模板颗粒的复杂梯度分布，在材料及工程领域具有重大应用潜力。

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，特别涉及到一种基于螺旋流道的梯度材料高效3D打印装置及方法。

背景技术

功能梯度材料是指一种具有特殊功能的新型材料，材料的化学成分、微观结构、孔隙率等元素沿材料的厚度或长度从一侧向另一侧连续或准连续变化，使其物理、化学等性能按照设计要求呈现梯度变化。该材料最大的特点是材料内部没有明显的界面，成分、形状、结构、性能和功能都呈现出渐变形式。与均质复合材料相比，功能梯度材料具有较强的可设计性。可以根据要求设计出预期的成分分布形式，使材料的性能和功能随着材料位置的变化而变化，其界面处的微观结构呈现连续渐变的变化，消除了不同材料的性能突变和不匹配。传统功能梯度材料的制备方法有粉末冶金、等离子喷涂、化学气相沉积、自传播高温合成、电沉积和离心铸造等。上述制备方法固然有诸多优点，但其在实际应用中通常受到许多限制。

近年来，迅速发展3D打印技术为功能梯度材料及结构的制造提供了一种全新的技术解决方案，例如定向能量沉积、激光熔覆、聚合物喷射等技术均可用来实现化学成分梯度分布的材料制造。但在制造复合材料时，其内部增强颗粒粒径呈现精确可设计的梯度分布还未提出很好的解决方案。

发明内容

针对当前传统制造方法及现有3D打印技术中缺乏诱导复合材料内增强颗粒呈现复杂、精确的梯度分布解决方案，本发明提供了一种基于螺旋流道的梯度材料高效3D打印装置，再次，提供了一种基于螺旋流道的梯度材料高效3D打印方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种基于螺旋流道的梯度材料高效3D打印装置，包括：

增材制造成型平台1，作为3D打印装置的基础组成部件，其内置运动系统可使增材制造成型平台1在平面内及垂直方向运动，当粒径梯度分布的增强颗粒复合材料经螺旋分离组装系统2挤出后，结合增材制造成型平台1的运动，可实现梯度粒径增强材料的累积成型；

螺旋分离组装系统2，作为本发明3D打印装置的核心功能部件，可以将打印墨水从材料输送入口28输送到螺旋分离组装系统2内后，打印墨水内不同粒径的颗粒在螺旋分离通道21的截面方向呈现梯度分布，再结合材料临时储料筒23及数字化组装挤出头26能够实现打印通道不同粒径颗粒呈现设计性的梯度模式分布；

材料供应系统3，用于盛放及输送内含丰富粒径分布的打印墨水，通过材料输送通道31将打印墨水定时、定速的输送至螺旋分离组装系统2中；

计算机控制系统4，作为整个3D打印装置的控制中心，根据粒径梯度分布颗粒增强复合材料或多孔材料的三维模型，分解获得打印工艺流程，用于控制增材制造成型平台1、螺旋分离组装系统2及材料供应系统3的工作流程，并优选出最优工艺参数。

进一步地，所述增材制造成型平台1，包括：

增材制造成型平台软件系统，其集成在计算机控制系统4中，用以控制增材制造成型平台硬件系统在水平平面内及垂直方向的运动；

增材制造成型平台硬件系统，是增材制造成型平台1实现运动编程的物理基础，增材制造成型平台硬件系统在三维空间内的运动，才能实现螺旋分离组装系统2挤出材料的可控逐层沉积及累积成型。

进一步地，所述螺旋分离组装系统2，包括：