一種通過3d打印獲得炭黑微觀形貌放大實體的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種通過3D打印獲得炭黑微觀形貌放大實體的方法，該方法針對無機(jī)材料微觀炭黑原生顆?；蚓奂w，通過3D打印機(jī)打印出炭黑的微觀形貌，建立了炭黑形貌微觀與宏觀的聯(lián)系，即通過3D打印技術(shù)實現(xiàn)了把微觀進(jìn)行宏觀化、實體化。且依靠精確的數(shù)據(jù)點來做出炭黑微觀形貌圖，有真實數(shù)據(jù)作為支撐，所得放大實體結(jié)構(gòu)精確。本發(fā)明將炭黑微觀進(jìn)行了宏觀化，極大的促進(jìn)了科研工作者對炭黑結(jié)構(gòu)、粒徑、形貌的研究，也將為研究炭黑聚集體補(bǔ)強(qiáng)橡膠提供一手資料，而且對這種技術(shù)的開發(fā)也對實際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。
【專利說明】一種通過3D打印獲得炭黑微觀形貌放大實體的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及炭黑微觀形貌轉(zhuǎn)化為宏觀實體技術(shù)，屬于研究納米新材料微觀形貌技術(shù)。
技術(shù)背景
[0002]炭黑微觀形貌一般用掃描探針顯微鏡或透射電鏡得到，只是一張形貌圖，目前還無法轉(zhuǎn)化為精確的形貌實體，市場上出現(xiàn)的炭黑模型僅僅是根據(jù)微觀形貌圖或猜想畫出來的，這不能避免人為主觀因素。
[0003]目前，3D打印技術(shù)方興未艾，在材料制備領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。BillietT等人在 B1materials 期干丨J上發(fā)表的論文 The 3D printing of gelatin methacrylamidecell-laden tissue-engineered constructs with high cell viability 以丙烯酉先胺凝膠為原料，打印出了生物組織結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以裝載細(xì)胞，其細(xì)胞的存活率達(dá)97%，3D打印出的這種組織結(jié)構(gòu)與細(xì)胞具有良好的相容性。Pati F等人在Manufacturing Letters期干丨J上發(fā)表的論文 3D printing of cell-laden constructs for heterogeneous tissueregenerat1n采用了類似的方法用3D打印出了再生異構(gòu)組織,其細(xì)胞的存活率也很高。但目前這種技術(shù)都只是用于打印出宏觀的結(jié)構(gòu)物件，還沒有人提出通過宏觀的方法打印出微觀(納米級)的結(jié)構(gòu)，更沒有將其用于打印炭黑聚集體、原生顆粒的報道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述問題，本發(fā)明提供了一種通過3D打印獲得炭黑微觀形貌放大實體的方法。針對無機(jī)材料微觀炭黑原生顆?；蚓奂w，通過3D打印機(jī)打印出炭黑的微觀形貌，建立了炭黑形貌微觀與宏觀的聯(lián)系，即通過3D打印技術(shù)實現(xiàn)了把微觀進(jìn)行宏觀化、實體化。
[0005]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
一種通過3D打印獲得炭黑微觀形貌放大實體的方法，包括以下步驟:
1)獲取炭黑的微觀形貌圖；
2)將所述微觀形貌圖轉(zhuǎn)換成表示所述微觀形貌圖中各點坐標(biāo)值的數(shù)據(jù)文件；
3)將步驟2)中所得的數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成繪圖軟件可識別的形式；
4)將步驟3)中所得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入繪圖軟件繪制出各獨立的點，然后對這些點進(jìn)行實體化，獲得放大的三維實體圖片；
5)采用3dmax軟件將步驟4中所得的三維實體圖片轉(zhuǎn)換成3D打印機(jī)可識別的格式；
6)開啟3D打印機(jī)打印出表現(xiàn)炭黑微觀形貌結(jié)構(gòu)的放大實體。
[0006]本方法通過3 D打印技術(shù)實現(xiàn)了炭黑微觀形貌放大實體化，依靠精確的數(shù)據(jù)點來做出炭黑微觀形貌圖，有真實數(shù)據(jù)作為支撐，所得放大實體結(jié)構(gòu)精確。
[0007]作為可選方式，在上述方法中，所述步驟I)中的微觀形貌圖采用掃描探針顯微鏡或透射電鏡得到。
[0008]作為可選方式，在上述方法中，通過超聲把炭黑分散在無水乙醇中，超聲20min ；然后將超聲好的炭黑無水乙醇溶液滴在干凈的云母片上，吹干，把云母片放入掃描探針顯微鏡樣品室，進(jìn)行掃描，得到炭黑微觀形貌圖。其中炭黑和無水乙醇的配合比例優(yōu)選為炭黑
0.1mg,無水乙醇200ml ο
[0009]作為可選方式，在上述方法中，所述步驟2 )通過步驟I )中所用的微觀形貌獲取工具自帶的軟件完成，例如通過掃描探針顯微鏡自帶軟件轉(zhuǎn)化為Excel數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)點的個數(shù)可根據(jù)圖像分辨率的要求靈活選取(當(dāng)數(shù)據(jù)提供得越多，圖像分辨率越高)，可選的數(shù)據(jù)點個數(shù)包括:64X64,128X 128，256X 256，512X 512，1024X1024 等。優(yōu)選 256X256 個點。
[0010]作為可選方式，在上述方法中，所述步驟3 )和4 )中所述繪圖軟件為AutoCAD。
[0011]作為可選方式，在上述方法中，所述步驟3 )具體為將每個點的各坐標(biāo)值之間的空格換成逗號。具體轉(zhuǎn)換方式可采用MATLAB軟件，按照以下程序來進(jìn)行:
clear
clc ；
mm=xlsread(J dat.xlsxJ);
mn=size(mm);
k=l;
for i=l:1:mn (I)
for j=l:1:mn (2)

XX(k,:) = [mm(l, j)，mm(i，l)，mm(i，j)];
k=k+l;
end
end
xlswrite (’ s j.xlsx’，xx)
導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，得到 X1 Y1 Z1

χ2y2 z2
坐標(biāo)群，將文件另存為txt格式，利用替換功能，用“，”代替“ ”，得到:
X1, Yn zi


X2，12，Z2
坐標(biāo)系。
[0012]作為可選方式，在上述方法中，步驟4 )中所述的實體化具體為:選擇AutoCAD中的三維多段線畫圖程序?qū)⒏鼽c連接起來形成封閉曲線，并通過設(shè)置兩點間的距離值來調(diào)整放大倍數(shù)。由于炭黑形貌圖的數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD沒有經(jīng)過實體化，所以3D打印機(jī)是無法識別的，如果依次將每個數(shù)據(jù)(256 X 256個點)實體化，也是不現(xiàn)實的，這是一個難點，通過CAD的“三維多段線畫圖程序”將炭黑形貌轉(zhuǎn)化為實體。
[0013]作為可選方式，在上述方法中，所述3D打印在常溫下進(jìn)行，所用材料為光敏樹脂。采用常溫下光敏樹脂打印，節(jié)能且可控性增加，是將微觀炭黑宏觀化并精確的打印出來，真實地反映了炭黑的形貌與結(jié)構(gòu)。
[0014]作為可選方式，在上述方法中，通過超聲把炭黑分散，是炭黑顆粒達(dá)到原生顆粒、聚集體的級別，采用掃描探針顯微鏡對炭黑形貌進(jìn)行掃描，得到炭黑形貌圖。再用掃描探針原子力顯微鏡自帶軟件把形貌圖導(dǎo)出，數(shù)據(jù)為.exl格式。通過MATLAB軟件對.exl數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)化成特定的格式。然后把數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD，畫出炭黑形貌，再轉(zhuǎn)化為實體，通過3dmax把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為3D打印機(jī)可識別的.stl格式。最后，打印出炭黑微觀形貌的放大實體。
[0015]本發(fā)明還提供了一種炭黑微觀形貌的宏觀放大實體模型，該模型可采用上述方法中的任意一個制得。
[0016]本發(fā)明還提供了一種上炭黑微觀形貌的宏觀放大實體模型的應(yīng)用，其特征在于，將其用于教學(xué)模型。
[0017]本發(fā)明還提供了一種上炭黑微觀形貌的宏觀放大實體模型的應(yīng)用，其特征在于，將其用于有關(guān)炭黑的風(fēng)洞試驗，探索微觀炭黑與高分子鏈的關(guān)系，模擬炭黑補(bǔ)強(qiáng)橡膠機(jī)理。
[0018]本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0019]本發(fā)明的有益效果:
1、本發(fā)明針對無機(jī)材料微觀炭黑原生顆?；蚓奂w，通過3D打印機(jī)打印出炭黑的微觀形貌，建立了炭黑形貌微觀與宏觀的聯(lián)系，即通過3D打印技術(shù)實現(xiàn)了把微觀進(jìn)行宏觀化、實體化。且依靠精確的數(shù)據(jù)點來做出炭黑微觀形貌圖，有真實數(shù)據(jù)作為支撐，所得放大實體結(jié)構(gòu)精確。
[0020]2、本發(fā)明將炭黑微觀進(jìn)行了宏觀化，極大的促進(jìn)了科研工作者對炭黑結(jié)構(gòu)、粒徑、形貌的研究，也將為研究炭黑聚集體補(bǔ)強(qiáng)橡膠提供一手資料，而且對這種技術(shù)的開發(fā)也對實際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。比如可用于做有關(guān)炭黑的風(fēng)洞試驗，探索微觀炭黑與高分子鏈的關(guān)系，模擬炭黑補(bǔ)強(qiáng)橡膠機(jī)理。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為實施例1中所述方法的流程圖。
[0022]【具體實施方式】:
以下通過實施例的【具體實施方式】再對本發(fā)明的上述內(nèi)容作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。但不應(yīng)當(dāng)將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實例。在不脫離本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)做的任何修改，以及根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知識和慣用手段做出的等同替換或者改進(jìn)，均應(yīng)包括在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0023]實施例1:
本試驗首先通過超聲把炭黑分散，是炭黑顆粒達(dá)到原生顆粒、聚集體的級別，采用日立公司E-sweep掃描探針對炭黑形貌進(jìn)行掃描，得到炭黑形貌圖。再用掃描探針原子力顯微鏡自帶軟件把形貌圖導(dǎo)出，數(shù)據(jù)為.exl格式。通過MATLAB軟件對.exl數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)化成特定的格式。然后把數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD,畫出炭黑形貌,再轉(zhuǎn)化為實體(.dwg文件),通過3dmax把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為3D打印機(jī)可識別的.stl格式。最后，打印出炭黑微觀形貌的放大實體。具體流程如圖1所示。
[0024]作為可選方式，在上述方法中，所述3D打印在常溫下進(jìn)行，所用材料為光敏樹脂。采用常溫下光敏樹脂打印，節(jié)能且可控性增加，是將微觀炭黑宏觀化并精確的打印出來，真實地反映了炭黑的形貌與結(jié)構(gòu)。
[0025] 實施例2:
按照以下步驟制備炭黑的微觀形貌放大實體:
1)通過超聲把炭黑分散在無水乙醇中(炭黑0.1mg,無水乙醇200ml),超聲20min ；
2)將超聲好的炭黑無水乙醇溶液滴在干凈的云母片上，吹干。把云母片放入掃描探針顯微鏡樣品室，進(jìn)行掃描，得到炭黑微觀形貌圖(納米級)；
3)將炭黑微觀形貌.xqd轉(zhuǎn)化為.xqt，然后導(dǎo)出.exl數(shù)據(jù)(256X256個點)；
4)利用MATLAB軟件，開發(fā)出一個程序來對.exl數(shù)據(jù)進(jìn)行處理: clear
clc ；
mm=xlsread(J dat.xlsxJ);
mn=size(mm);
k=l;
for i=l:1:mn (I)
for j=l:1:mn (2)

xx(k,:) = [mm(l, j)，mm(i，l)，mm(i，j)];
k=k+l;
end
end
xlswrite (’ s j.xlsx’，xx)
導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，得到 X1 Yi Z1


χ2 y2 z2
坐標(biāo)群，將文件另存為txt格式，利用替換功能，用“，”代替空格，得到:
X1, Yn zi


X2，12，Z2
坐標(biāo)系；
5)打開AutoCAD，選擇三維多段線畫圖程序，將3)步得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入，待AutoCAD畫圖完成后，輸出“C”命令，使其形成封閉曲線，再輸出“W”命令，選擇將圖像轉(zhuǎn)化成“塊”；
6)把AutoCAD保存的.dwg文件導(dǎo)入3dmax,轉(zhuǎn)化為3D打印機(jī)可識別的.stl格式,打印出炭黑微觀形貌結(jié)構(gòu)實體；
7)開啟電腦，連接至3D打印機(jī)。關(guān)閉電腦防火墻和電腦管家等電腦安全軟件程序；
8)在控制面板的網(wǎng)絡(luò)Internet連接選項中，設(shè)置電腦靜態(tài)IP地址:169.254.1.3，設(shè)置子掩碼為255.255.0.0 ；
9)開啟3D打印機(jī)，開機(jī)后3D打印機(jī)系統(tǒng)會自檢，打開IE8(或以上版本)瀏覽器，輸入IP地址=169.254.1.1，進(jìn)入3D打印機(jī)網(wǎng)頁控制界面；
10)點擊login，輸入賬號密碼，此時3D打印機(jī)會進(jìn)行準(zhǔn)備工作，依次點擊OK和NO之后(如需要更換材料，則需要點擊YES,更換材料)，網(wǎng)頁會顯示“printer is ready”字樣,此時打印機(jī)準(zhǔn)備完成；
11)選擇print中new,新建打印任務(wù)，選擇creat,此時會彈出3D打印的模型控制窗口。選擇“l(fā)oad CAD file”,將轉(zhuǎn)化的.STL格式的文件選中，然后選擇“Auto partplacement”自動居中，通過“Scale”控制放大縮小和“Rotate”控制旋轉(zhuǎn)方向，調(diào)整至所需要的模板模型；
12)模型尺寸確定以后,選擇“Generateand Preview Supports”生成和預(yù)覽支撐，然后點擊“Submit”按鈕來提交任務(wù)到打印列表,或者從File下拉菜單中點擊“Submitjob”，此時會回到網(wǎng)頁控制界面；
13)點擊“clickhere to start”,分別選擇YES和NO之后，點擊statr print,開始打印工作；
14)待打印機(jī)打印完成之后，必須佩帶丁腈手套和防紫外專用眼鏡，然后打開打印機(jī)，取出打印成果，用鏟子和小刀取下打印的模型，然后放入酒精中，浸泡半小時取出，即打印出炭黑形貌結(jié)構(gòu)。
[0026]作為可選方式，在上述方法中，所述3D打印在常溫下進(jìn)行，所用材料為光敏樹脂。采用常溫下光敏樹脂打印，節(jié)能且可控性增加，是將微觀炭黑宏觀化并精確的打印出來，真實地反映了炭黑的形貌與結(jié)構(gòu)。
[0027]應(yīng)用例
將實施例2中所得的炭黑形貌結(jié)構(gòu)的宏觀模型用于課堂教學(xué)，對學(xué)生理解炭黑形貌結(jié)構(gòu)具有極大的幫助。應(yīng)用于科研工作中也能極大的促進(jìn)了科研工作者對炭黑結(jié)構(gòu)、粒徑、形貌的研究。另外，將該模型用作有關(guān)炭黑的風(fēng)洞試驗，也有助于探索微觀炭黑與高分子鏈的關(guān)系，模擬炭黑補(bǔ)強(qiáng)橡膠機(jī)理。
[0028]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，對本發(fā)明而言僅是說明性的，而非限制性的；本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解，在本發(fā)明所限定的精神和范圍內(nèi)可對其進(jìn)行許多改變，修改，甚至等效變更，但都將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種通過3D打印獲得炭黑微觀形貌放大實體的方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)獲取炭黑的微觀形貌圖； 2)將所述微觀形貌圖轉(zhuǎn)換成表示所述微觀形貌圖中各點坐標(biāo)值的數(shù)據(jù)文件； 3)將步驟2)中所得的數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成繪圖軟件可識別的形式； 4)將步驟3)中所得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入繪圖軟件繪制出各獨立的點，然后對這些點進(jìn)行實體化，獲得放大的三維實體圖片； 5)采用3dmax軟件將步驟4中所得的三維實體圖片轉(zhuǎn)換成3D打印機(jī)可識別的格式； 6)開啟3D打印機(jī)打印出表現(xiàn)炭黑微觀形貌結(jié)構(gòu)的放大實體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過3D打印獲得炭黑微觀形貌放大實體的方法，其特征在于，所述步驟I)中的微觀形貌圖采用掃描探針顯微鏡或透射電鏡得到。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過3D打印獲得炭黑微觀形貌放大實體的方法，其特征在于，所述步驟I)中的微觀形貌圖采用掃描探針顯微鏡得到，其具體方法為:通過超聲把炭黑分散在無水乙醇中，超聲20min;然后將超聲好的炭黑無水乙醇溶液滴在干凈的云母片上，吹干，把云母片放入掃描探針顯微鏡樣品室，進(jìn)行掃描，得到炭黑微觀形貌圖。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過3D打印獲得炭黑微觀形貌放大實體的方法，其特征在于，所述步驟2 )通過步驟I )中所用的微觀形貌獲取工具自帶的軟件完成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過3D打印獲得炭黑微觀形貌放大實體的方法，其特征在于，所述步驟3 )和4 )中所述繪圖軟件為AutoCAD。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的通過3D打印獲得炭黑微觀形貌放大實體的方法，其特征在于，所述步驟3 )具體為將每個點的各坐標(biāo)值之間的空格換成逗號。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的通過3D打印獲得炭黑微觀形貌放大實體的方法，其特征在于，步驟4 )中所述的實體化具體為:選擇AutoCAD中的三維多段線畫圖程序?qū)⒏鼽c連接起來形成封閉曲線，并通過設(shè)置兩點間的距離值來調(diào)整放大倍數(shù)。
8.一種炭黑微觀形貌的宏觀放大實體模型，其特征在于，采用如權(quán)利要求1?7中任意一個所述的方法制得。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的炭黑微觀形貌的宏觀放大實體模型的應(yīng)用，其特征在于，將其用于教學(xué)模型。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的炭黑微觀形貌的宏觀放大實體模型的應(yīng)用，其特征在于，將其用于有關(guān)炭黑的風(fēng)洞試驗，探索微觀炭黑與高分子鏈的關(guān)系，模擬炭黑補(bǔ)強(qiáng)橡膠機(jī)理。
【文檔編號】B29C67/00GK104385586SQ201410489001
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月23日
【發(fā)明者】陳建, 吳召洪, 朱曉飛, 羅少伶, 蔣文平, 朱林英, 龔勇, 胥會 申請人:四川理工學(xué)院