一種利用超臨界二氧化碳作為溶劑的3d打印裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種快速成型設(shè)備中的機(jī)構(gòu)，尤其是涉及一種利用超臨界二氧化碳作為耗材載體的3D打印裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]快速成型技術(shù)(又稱(chēng)為快速原型制造技術(shù)，Rapid Prototyping Manufacturing，簡(jiǎn)稱(chēng)RPM)，又被稱(chēng)作3D打印。該技術(shù)根據(jù)物體的三維模型數(shù)據(jù)，通過(guò)成型設(shè)備以逐層疊加的方式制造實(shí)體，它能克服目前傳統(tǒng)機(jī)械加工無(wú)法實(shí)現(xiàn)的特殊結(jié)構(gòu)障礙?？梢詫?shí)現(xiàn)任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的簡(jiǎn)單化生產(chǎn)。現(xiàn)有的3D打印技術(shù)主要分為，熔融沉積成型(FDM)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、立體平板印刷(SLA)和數(shù)字光處理(DLP)等。
[0003]熔融沉積成型技術(shù)(FDM)的工作方式是:通過(guò)將絲狀材料如熱塑性塑料、蠟或金屬的熔絲從加熱的噴嘴擠出，按照零件每一層的預(yù)定軌跡，以固定的速率進(jìn)行熔體沉積。每完成一層，工作臺(tái)下降一個(gè)層厚進(jìn)行疊加沉積新的一層，如此反復(fù)最終實(shí)現(xiàn)零件的沉積成型。
[0004]目前，熔融沉積成型技術(shù)(FDM)的一個(gè)重要瓶頸是可用材料較少。目前基于FDM技術(shù)的三維打印的材料主要有ABS系列材料、PLA系列材料、HIPS系列材料、尼龍系列材料等?，F(xiàn)有的這些材料種類(lèi)不足以滿足實(shí)際工業(yè)要求，許多種類(lèi)的高分子材料不適用于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)，或者由于材料性能的原因?qū)е聼o(wú)法制成長(zhǎng)絲狀耗材，所以對(duì)于3D打印技術(shù)新材料的研發(fā)與制備至關(guān)重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)上述3D打印技術(shù)瓶頸，設(shè)計(jì)一種利用超臨界二氧化碳極強(qiáng)的溶解能力將作為耗材的高分子材料溶解在其中，使用氣動(dòng)針閥將含有高分子材料的超臨界二氧化碳溶液從裝有加熱裝置的噴頭處噴射在三維成型平臺(tái)上。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種利用超臨界二氧化碳作為溶劑的3D打印裝置，主要包括備料單元、噴射單元、三維成型平臺(tái)單元和原料回收單元；噴射單元包括氣泵、針閥、冷卻風(fēng)扇、電阻加熱器；備料單元包括高分子材料粉末、粉末泵、二氧化碳?xì)馄?、混料罐、液化增壓泵、加熱器、液體泵、氣體泵；三維成型平臺(tái)單元包括鋁合金成型平臺(tái)和三維滾珠絲杠滑臺(tái)模組；原料回收單元包括密閉箱體、回收氣泵。本發(fā)明一種利用超臨界二氧化碳作為溶劑的3D打印裝置，備料單元包括高分子材料粉末、二氧化碳?xì)馄?、混料罐、液化增壓泵、攪拌葉輪、制冷器、液體泵。將成比例的高分子材料粉末和二氧化碳?xì)怏w加入混料罐內(nèi)，液化增壓泵工作使混料罐內(nèi)增壓超過(guò)二氧化碳的臨界壓力，使二氧化碳?xì)怏w變?yōu)槌R界二氧化碳狀態(tài)，攪拌葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)促進(jìn)高分子粉末在超臨界二氧化碳溶劑中的溶解。待其完全溶解生成含有高分子材料的超臨界二氧化碳溶液后，由液體泵將該溶液輸送進(jìn)噴射單元中。
[0007]本發(fā)明一種利用超臨界二氧化碳作為溶劑的3D打印裝置，噴射單元包括氣泵、氣動(dòng)針閥、冷卻風(fēng)扇、加熱器；氣泵控制氣動(dòng)針閥開(kāi)合，針閥噴嘴處裝有加熱器，當(dāng)溶液被加熱并被氣動(dòng)針閥噴射到成型平臺(tái)上時(shí)，由于壓力迅速減小、溫度上升，溶液中作為溶劑的超臨界狀態(tài)二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)二氧化碳，只有溶液中作為溶質(zhì)的高分子材料沉積在成型平臺(tái)上。噴嘴處的冷卻風(fēng)扇吹向噴出的溶液，使高分子材料迅速成型。
[0008]本發(fā)明一種利用超臨界二氧化碳作為溶劑的3D打印裝置，三維成型平臺(tái)單元包括成型平臺(tái)和三維滾珠絲杠滑臺(tái)模組。通過(guò)三維滾珠絲杠滑臺(tái)連接成型平臺(tái)進(jìn)行三維移動(dòng)，使高分子材料在平臺(tái)上按照預(yù)設(shè)路線進(jìn)行沉積成型。
[0009]本發(fā)明一種利用超臨界二氧化碳作為溶劑的3D打印裝置，原料回收單元包括密閉箱體、氣泵，采用密閉箱體可以使該設(shè)備完全處于密閉工作環(huán)境中，在噴射過(guò)程后超臨界狀態(tài)二氧化碳變?yōu)闅鈶B(tài)，擴(kuò)散到密閉箱體中，由氣泵回收密閉箱體中的二氧化碳?xì)怏w到混料罐內(nèi)。原料回收裝置可以提高原料利用率，避免溫室氣體排放，達(dá)到綠色生產(chǎn)流程標(biāo)準(zhǔn)。
[0010]本發(fā)明一種利用超臨界二氧化碳作為溶劑的3D打印裝置的成形方法是:第一步，運(yùn)用氣體泵將二氧化碳?xì)怏w裝入混料罐中冷卻至-31.260C以下，并增壓至72.9atm以上，二氧化碳?xì)怏w轉(zhuǎn)變形態(tài)為超臨界狀態(tài)，性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，其密度近于液體，粘度近于氣體，擴(kuò)散系數(shù)為液體的100倍，超臨界狀態(tài)的二氧化碳具有驚人的溶解能力；第二步，用粉末泵將高分子材料粉末溶解在超臨界二氧化碳溶劑中，形成含有高分子材料的超臨界二氧化碳溶液；第三步，將這種溶液通過(guò)氣動(dòng)針閥按需噴射出，噴嘴處安裝有加熱器，當(dāng)溶液被噴出后層疊在三維平臺(tái)上，由于溫度升高，氣壓降低，二氧化碳溶液中作為溶劑的二氧化碳?xì)饣瘮U(kuò)散到工作環(huán)境中，而溶液中作為溶質(zhì)的高分子材料在平臺(tái)上沉積，即可形成三維實(shí)體；第四步，工作環(huán)境完全密閉，放置二氧化碳?xì)怏w回收裝置，將萃取完成后的二氧化碳?xì)怏w回收進(jìn)混料罐內(nèi)，以節(jié)省原料，減少溫室氣體排放，真正做到綠色生產(chǎn)過(guò)程。
[0011]本發(fā)明運(yùn)用超臨界二氧化碳作為耗材載體，可以使更多種類(lèi)的高分子材料運(yùn)用在3D打印領(lǐng)域，提高3D打印耗材綜合性能，進(jìn)一步滿足實(shí)際工業(yè)要求。
【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是本發(fā)明一種利用超臨界二氧化碳作為溶劑的3D打印裝置的示意圖。
[0013]圖中:1-高分子材料粉末、2-制冷器、3-液化增壓器、4-氣泵、5-氣動(dòng)針閥、6-電阻加熱器、7-冷卻風(fēng)扇、8-成型平臺(tái)、9-三維滾珠絲杠滑臺(tái)模組、10-液體泵、11-攪拌葉輪、12-氣體回收泵、13-二氧化碳?xì)馄俊?4-混料罐、15-氣體泵、16-粉末泵、17-密閉箱體。
【具體實(shí)施方式】
[0014]本發(fā)明一種利用超臨界二氧化碳作為溶劑的3D打印裝置，如圖1所示，由備料單元、噴射單元、三維成型平臺(tái)單元、原料回收單元組成；其中備料單元包括高分子材料粉末1、二氧化碳?xì)馄?3、混料罐10、液化增壓泵3、攪拌葉輪11、制冷器2、液體泵10、氣體泵15和粉末泵16 ;其中噴射單元包括氣泵4、氣動(dòng)針閥5、冷卻風(fēng)扇7、電阻加熱器6 ;其中三維成型平臺(tái)包括成型平臺(tái)8和三維滾珠絲杠滑臺(tái)模組9 ;其中原料回收單元包括氣體回收泵12和密閉箱體17。
[0015]本發(fā)明一種利用超臨界二氧化碳作為溶劑的3D打印裝置中，將二氧化碳?xì)怏w通過(guò)氣體泵15由二氧化碳?xì)馄?3裝入混料罐10中冷卻至-31.260C以下，并增壓至72.9atm以上，二氧化碳?xì)怏w將轉(zhuǎn)變形態(tài)為超臨界狀態(tài)。將高分子粉末I運(yùn)用粉末泵16送入混料罐10中。運(yùn)用攪拌葉輪11將高分子材料粉末I溶解在超臨界二氧化碳溶劑中，形成含有高分子材料I的超臨界二氧化碳溶液。該溶液由液體泵10送入氣動(dòng)針閥部件5周?chē)瑲獗?控制氣動(dòng)針閥5開(kāi)合使溶液以微滴形式噴射到成型平臺(tái)8上。噴嘴處裝有電阻加熱器6，當(dāng)溶液被加熱并被氣動(dòng)針閥5噴射到成型平臺(tái)8上時(shí)，由于壓力迅速減小、溫度上升，溶液中作為溶劑的超臨界狀態(tài)二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)二氧化碳，只有溶液中作為溶質(zhì)的高分子材料I沉積在成型平臺(tái)8上。噴嘴處的冷卻風(fēng)扇7吹向噴出的溶液，使高分子材料I迅速成型。將該設(shè)備裝入密閉箱體17內(nèi)，使其完全處于密閉工作環(huán)境中，在噴射過(guò)程后超臨界狀態(tài)二氧化碳變?yōu)闅鈶B(tài)，擴(kuò)散到密閉箱體中，由氣體回收泵12回收密閉箱體17中的二氧化碳?xì)怏w到混料罐14內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種利用超臨界二氧化碳作為溶劑的3D打印裝置，其特征在于:主要包括備料單元、噴射單元、三維成型平臺(tái)單元和原料回收單元；噴射單元包括氣泵、針閥、冷卻風(fēng)扇、電阻加熱器，氣泵控制氣動(dòng)針閥開(kāi)合，針閥噴嘴處裝有加熱器，噴嘴處的冷卻風(fēng)扇吹向噴出的溶液；備料單元包括高分子材料粉末、粉末泵、二氧化碳?xì)馄?、混料罐、液化增壓泵、加熱器、液體泵和氣體泵；三維成型平臺(tái)單元包括鋁合金成型平臺(tái)和三維滾珠絲杠滑臺(tái)模組；原料回收單元包括密閉箱體、回收氣泵；備料單元包括高分子材料粉末、二氧化碳?xì)馄俊⒒炝瞎?、液化增壓泵、攪拌葉輪、制冷器和液體泵。
2.一種利用超臨界二氧化碳作為溶劑的3D打印成形方法，其特征在于:第一步，運(yùn)用氣體泵將二氧化碳?xì)怏w裝入混料罐中冷卻至-31.260C以下，并增壓至72.9atm以上，二氧化碳?xì)怏w轉(zhuǎn)變形態(tài)為超臨界狀態(tài)，性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，其密度近于液體，粘度近于氣體，擴(kuò)散系數(shù)為液體的100倍，超臨界狀態(tài)的二氧化碳具有驚人的溶解能力；第二步，用粉末泵將高分子材料粉末溶解在超臨界二氧化碳溶劑中，形成含有高分子材料的超臨界二氧化碳溶液；第三步，將這種溶液通過(guò)氣動(dòng)針閥按需噴射出，噴嘴處安裝有加熱器，當(dāng)溶液被噴出后層疊在三維平臺(tái)上，由于溫度升高，氣壓降低，二氧化碳溶液中作為溶劑的二氧化碳?xì)饣瘮U(kuò)散到工作環(huán)境中，而溶液中作為溶質(zhì)的高分子材料在平臺(tái)上沉積，即可形成三維實(shí)體；第四步，工作環(huán)境完全密閉，放置二氧化碳?xì)怏w回收裝置，將萃取完成后的二氧化碳?xì)怏w回收進(jìn)混料罐內(nèi)，以節(jié)省原料，減少溫室氣體排放，真正做到綠色生產(chǎn)過(guò)程。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種利用超臨界二氧化碳作為溶劑的3D打印裝置及方法，其裝置主要包括備料單元、噴射單元、三維成型平臺(tái)單元和原料回收單元；噴射單元包括氣泵、針閥、冷卻風(fēng)扇、電阻加熱器；備料單元包括高分子材料粉末、粉末泵、二氧化碳?xì)馄?、混料罐、液化增壓泵、加熱器、液體泵、氣體泵；三維成型平臺(tái)單元包括鋁合金成型平臺(tái)和三維滾珠絲杠滑臺(tái)模組；原料回收單元包括密閉箱體、回收氣泵。本發(fā)明方法中使二氧化碳?xì)怏w變?yōu)槌R界二氧化碳狀態(tài)，待其完全溶解生成含有高分子材料的超臨界二氧化碳溶液后，由液體泵將該溶液輸送進(jìn)噴射單元中。本發(fā)明運(yùn)用超臨界二氧化碳作為耗材載體，使更多種類(lèi)高分子材料運(yùn)用在3D打印領(lǐng)域，提高3D打印耗材綜合性能。
【IPC分類(lèi)】B29C67-00, B33Y30-00, B33Y10-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104816478
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510237318
【發(fā)明人】楊衛(wèi)民, 遲百宏, 馬昊鵬, 焦志偉, 譚晶, 丁玉梅
【申請(qǐng)人】北京化工大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年8月5日
【申請(qǐng)日】2015年5月12日