一种用于热固性形状记忆聚合物在轨4D打印的装置

摘要

本发明公开一种用于热固性形状记忆聚合物在轨4D打印的装置，涉及打印技术领域，解决现有4D打印装置无法在轨工作的问题，包括打印平台；打印喷头，适于喷出热固性材料；驱动装置，驱动装置连接打印喷头并驱动打印喷头喷出热固性材料，驱动装置为压电式振动装置；送料装置，送料装置包括注射泵，并通过送料管连接打印喷头；固化装置，固化装置与打印喷头固定连接，固化装置实时加热打印喷头喷出至打印平台上的热固性材料；三轴运动装置，带动打印喷头、固化装置和打印平台在三维方向进行移动。本发明的一种用于热固性形状记忆聚合物在轨4D打印的装置，克服了失重环境无法打印的问题，提高了空间站的灵活性，有效减少空间站对于地面供给的依赖。

权利要求

1.一种用于热固性形状记忆聚合物在轨4D打印的装置，其特征在于，包括打印平台(1)；

打印喷头(2)，适于喷出热固性形状记忆聚合物至所述打印平台(1)上；

驱动装置(3)，所述驱动装置(3)连接所述打印喷头(2)并驱动所述打印喷头(2)喷出所述热固性形状记忆聚合物，所述驱动装置(3)为压电式振动装置；

送料装置(4)，所述送料装置(4)包括注射泵，所述注射泵通过送料管连接所述打印喷头(2)，所述注射泵、所述送料管与所述打印喷头(2)密封连接；

固化装置(5)，所述固化装置(5)与所述打印喷头(2)固定连接，所述固化装置(5)实时加热所述打印喷头(2)喷出至所述打印平台(1)上的所述热固性形状记忆聚合物；

三轴运动装置(6)，带动所述打印喷头(2)、所述固化装置(5)和所述打印平台(1)在三维方向进行移动。

2.如权利要求1所述的在轨4D打印的装置，其特征在于，所述打印喷头(2)的侧面设有螺纹进料孔，所述送料管的接头与所述打印喷头(2)螺纹连接。

3.如权利要求1所述的在轨4D打印的装置，其特征在于，所述打印喷头(2)的喷嘴口径可调节。

4.如权利要求1所述的在轨4D打印的装置，其特征在于，所述三轴运动装置(6)包括X轴、Y轴与Z轴运动装置，所述X轴运动装置与所述Z轴运动装置带动所述打印喷头(2)移动，所述Y轴运动装置带动所述打印平台(1)移动。

5.如权利要求1所述的在轨4D打印的装置，其特征在于，所述驱动装置(3)通过喷头连接块连接所述打印喷头(2)，所述驱动装置(3)、所述喷头连接块与所述打印喷头(2)均密封连接，所述喷头连接块内设有适于贯通所述驱动装置(3)与所述打印喷头(2)的连接腔，所述喷头连接块上设有单向阀，所述连接腔通过所述单向阀连通所述喷头连接块的外部。

6.如权利要求4所述的在轨4D打印的装置，其特征在于，所述固化装置(5)跟随所述打印喷头(2)共同移动。

7.如权利要求1或6任一所述的在轨4D打印的装置，其特征在于，所述固化装置(5)包括激光发射器，所述激光发射器对焦至所述打印平台(1)上由所述打印喷头(1)喷出的所述热固性形状记忆聚合物。

8.如权利要求1所述的在轨4D打印的装置，其特征在于，所述送料装置(4)包括至少两个注射泵，其中一个注射泵用于装载固化剂，另一个注射泵用于装载热固性材料。

9.如权利要求8所述的在轨4D打印的装置，其特征在于，所述送料装置(4)还包括混合舱(45)，两个所述注射泵均通过所述送料管分别连接所述混合舱(45)，所述混合舱(45)内设有搅拌器(46)。

10.如权利要求9所述的在轨4D打印的装置，其特征在于，所述送料装置(4)还包括蠕动泵(48)，所述混合舱(45)中混匀的材料通过所述蠕动泵(48)输送至所述打印喷头(2)。

说明书

一种用于热固性形状记忆聚合物在轨4D打印的装置

技术领域

[0001] 本发明涉及打印技术领域，具体涉及一种用于热固性形状记忆聚合物在轨4D打印的装置。

背景技术

[0002] 热固性材料由于具有抗氧化、抗辐射、性能稳定等优点，被广泛应用于航天领域。目前，热固性材料的打印方法主要依赖于立体光固化成型，该成型方式通过激光固化液态光敏树脂表层，然后制作平台下降一定的距离，再固化下一层光敏树脂，如此反复形成最终产品，在打印时需要打印平台与树脂槽直接接触，并且液态光敏树脂需要跟随打印平台逐渐下降保证激光能不断固化上表面的光敏树脂，但是该方法不适合于太空中微重力的极端环境，在微重力下光敏树脂较难跟随打印装置向下移动。目前，4D打印是在3D打印的基础上增加一个时间维度而形成的新技术，使打印出的形状记忆聚合物产品在特定激励下实现自驱动或自变形，制备出的形状记忆聚合物产品可作为功能件来代替复杂的机电结构，然而目前自驱动或自变形的形状记忆产品均为地面制备运输到在轨航天器内，目前尚未有在轨
4D打印装置的报道。

[0003] 鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

[0004] 为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种用于热固性形状记忆聚合物在轨4D打印的装置，包括

[0005] 打印平台；

[0006] 打印喷头，适于喷出热固性形状记忆聚合物至打印平台上；

[0007] 驱动装置，所述驱动装置连接所述打印喷头并驱动所述打印喷头喷出所述热固性形状记忆聚合物，所述驱动装置为压电式振动装置；

[0008] 送料装置，所述送料装置包括注射泵，所述注射泵通过送料管连接所述打印喷头，所述注射泵、所述送料管与所述打印喷头密封连接；

[0009] 固化装置，所述固化装置与所述打印喷头固定连接，所述固化装置实时加热所述打印喷头喷出至所述打印平台上的所述热固性形状记忆聚合物；

[0010] 三轴运动装置，带动所述打印喷头、所述固化装置和所述打印平台在三维方向进行移动。

[0011] 进一步的，所述打印喷头的侧面设有螺纹进料孔，所述送料管的接头与所述打印喷头螺纹连接。

[0012] 进一步的，所述打印喷头的喷嘴口径可调节。

[0013] 进一步的，所述三轴运动装置包括X轴、Y轴与Z轴运动装置，所述X轴运动装置与所述Z轴运动装置带动所述打印喷头移动，所述Y轴运动装置带动所述打印平台移动。

[0014] 进一步的，所述驱动装置通过喷头连接块连接所述打印喷头，所述驱动装置、所述喷头连接块与所述打印喷头均密封连接，所述喷头连接块内设有适于贯通所述驱动装置与所述打印喷头的连接腔，所述喷头连接块上设有单向阀，所述连接腔通过所述单向阀连通所述喷头连接块的外部。

[0015] 进一步的，所述固化装置跟随所述打印喷头共同移动。

[0016] 进一步的，所述固化装置包括激光发射器，所述激光发射器对焦至所述打印平台上由所述打印喷头喷出的所述热固性形状记忆聚合物。

[0017] 进一步的，所述送料装置包括至少两个注射泵，其中一个注射泵用于装载固化剂，另一个注射泵用于装载热固性材料。

[0018] 进一步的，所述送料装置还包括混合舱，两个所述注射泵均通过所述送料管分别连接所述混合舱，所述混合舱内设有搅拌器。

[0019] 进一步的，所述送料装置还包括蠕动泵，所述混合舱中混匀的材料通过所述蠕动泵输送至所述打印喷头。

[0020] 与现有技术比较本发明的有益效果在于：

[0021] 1、本发明所述的一种用于热固性形状记忆聚合物在轨4D打印的装置，在微重力环境中，将待打印液体热固性材料收集于密闭的注射泵中，利用压力供给，再利用压电式的高速振动提供加速度使其从打印喷头的喷嘴喷出，克服了失重环境无法打印的问题。

[0022] 2、本发明所述的一种用于热固性形状记忆聚合物在轨4D打印的装置，可以解决太空中空间站对于功能件的需求，实现在轨4D打印，大幅提高空间站的灵活性，有效减少空间站对于地面供给的依赖。

[0023] 3、本发明所述的一种用于热固性形状记忆聚合物在轨4D打印的装置，可有效防止在轨运行过程中，热固性材料存放时间过长或者温度升高而提前固化，防止注射泵堵塞或提前固化造成无法打印的问题，更加有效的杜绝了材料浪费，以及可根据实际需要在轨进行材料配合。

附图说明

[0024] 为了更清楚地说明本发明各实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

[0025] 图1是本发明的用于热固性形状记忆聚合物在轨4D打印的装置；

[0026] 图2是本发明的送料装置示意图；

[0027] 图3是本发明实施例三所述的的打印平台示意图。

[0028] 附图标记说明：

[0029] 1-打印平台，2-打印喷头，3-驱动装置，4-送料装置，41-固定板，42-基台，43-注射管，44-推进装置，441-第二旋转电机，442-推块，45-混合舱，46-搅拌器，47-支撑架，48-蠕动泵，5-固化装置，51-安装支架，6-三轴运动装置。

具体实施方式

[0030] 以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

[0031] 实施例一

[0032] 如图1所示，本发明提供了一种用于热固性形状记忆聚合物在轨4D打印的装置，能够解决航天器在轨运行时常规4D打印装置无法在微重力作用下正常供料，而出现液态热固性材料在打印过程中中断或者无法输送的问题，本发明所述的在轨4D打印装置，包括打印平台1、打印喷头2、驱动装置3、送料装置4、固化装置5与三轴运动装置6。

[0033] 打印平台1为一平板，能够作为打印喷头2喷出的热固性形状记忆聚合物的成型平台。

[0034] 打印喷头2通过送料管与送料装置4连接，打印喷头2的侧面设有螺纹进料口，螺纹进料口连接送料管的管接头，送料装置4包括注射泵，送料装置4将储存的热固性形状记忆聚合物输送到打印喷头2，实现材料及时定量的补给，本实施例中，注射泵、送料管与打印喷头2均为密封连接，包括打印喷头2的螺纹进料口与送料管的管接头连接处密封连接，提高整个供料系统的密封性，使得液态热固性材料能够在注射泵的压力下实现供料，较好的，有多个侧面螺纹进料口直径不同的打印喷头2，可根据打印精度的需求进行更换，较好的，有多个型号的打印喷头2的喷嘴，打印喷头2的喷嘴口径可调节。

[0035] 驱动装置3通过喷头连接块连接在打印喷头2的上端，驱动装置3为压电式振动装置，压电式振动装置包括压电陶瓷，压电振动装置利用压电陶瓷的逆压电效应，通电后产生高频率上下振动，压电式振动装置与打印喷头2通过喷头连接块密封连接，喷头连接块内部设有连接腔，连接腔贯通驱动装置3与打印喷头2，在包括有注射泵的送料装置4的配合下，驱动装置3的压电陶瓷在振动时会给予打印喷头2中液态热固性材料以向下的加速度从打印喷头2中喷头，解决了在微重力作用下液态热固性材料无法较好喷头的问题，较好的，连接腔与喷头连接块外部之间设有单向阀，在压电陶瓷向上运动时，连接腔内压力趋于减小，此时单向阀打开，在轨航天器内的压力平衡，当压电陶瓷向下运动时，连接腔内压力趋于增大，此时单向阀关闭，压电陶瓷向下运动时压力急剧增大，给与液态热固性材料以更大的加速度喷出，提高了打印效率，也更为有效的解决了在轨状态下打印装置无法喷出液态热固性材料的问题，本实施例中驱动装置3为打印喷头2内材料提供向下的加速度，使热固性形状记忆聚合物材料喷出，本发明在包括有注射泵的送料装置4与压电式的驱动装置3共同作用，能够有效的将微重力下的热固性形状记忆聚合物运送到打印喷头2中进行打印工作。

[0036] 固化装置5通过安装支架51固定设置在打印喷头2的一侧，固化装置5在X轴方向随打印喷头2一起移动，固化装置5实时加热所述打印喷头2喷出至所述打印平台1上的热固性形状记忆聚合物，本实施例中，固化装置5优选激光发射器，激光发射器发射的激光产生大量的能量将打印喷头2喷射出的打印材料及时固化，本实施例中，安装支架51为固定支架，或者较好的，安装支架51为旋转安装支架，旋转安装支架能调整固化装置5的角度，使得固化装置5发出的激光能够通过调整角度照射到准确的位置，提高了本发明4D打印装置的准确性。

[0037] 三轴运动装置6可带动打印平台1、打印喷头2与固化装置5在XYZ三个轴向上运动，三轴运动装置6使得打印平台1与打印喷头2发生三维方向的相对运动，提高了打印效率，具体的，三轴运动装置6包括X轴运动装置、Y轴运动装置与Z轴运动装置，X轴运动装置包括电机、带轮与滑杆，打印喷头2、驱动装置3与固化装置5均固定安装在滑块7上，滑块7套在X轴运动装置的滑杆上，并由X轴运动装置的带轮带动，打印喷头2、驱动装置3与固化装置5可在X轴方向上滑动；Z轴运动装置包括电机、丝杆与滑杆，X轴运动装置的两端套在Z轴运动装置的滑杆与丝杆上，Z轴运动装置通过电机带动丝杆发生转动，丝杆的转动带动X轴运动装置在Z轴方向上发生运动，进而带动打印喷头2与固化装置5在Z轴方向发生运动，实现不同高度下打印喷头2的正常工作；Y轴运动装置包括电机、丝杆与滑杆，打印平台1下方设有连接结构，连接结构套在Y轴运动装置的丝杆与滑杆上，Y轴运动装置通过电机旋转带动丝杆转动，丝杆的转动带动打印平台1在Y轴方向上发生移动，本发明的三轴运动装置6使得打印平台1在Y轴运动，打印喷头2在Z轴与Y轴运动，减少了因运动时间过长对热固性形状记忆聚合物固化时间的影响，本发明通过激光发生器对热固性形状记忆聚合物进行加热固化，加热点准确，能量集中，固化时间快，与本发明的三轴运动装置6配合，提高了本发明在轨4D打印装置的工作效率。

[0038] 本发明还包括控制系统，打印模型文件经切片后生成控制系统可识别的G代码，控制系统将命令发送给三轴运动装置6的电机驱动器，X轴运动装置、Y轴运动装置与Z轴运动装置分别由电机驱动，三轴配合使打印喷头2按照既定的路径移动，工作时，控制系统发出的脉冲使注射泵的步进电机旋转，带动注射泵的丝杆推动注射器活塞运动使将材料输送到送料管中，进而进入到打印喷头2中。

[0039] 本发明中打印喷头2、驱动装置3与送料装置4及其之间均保证密封性，确保在送料装置4的压力下实现送料。

[0040] 本发明所述的一种用于热固性形状记忆聚合物在轨4D打印的装置，其工作方式为，打印模型文件经切片后生成控制系统可识别的G代码，控制系统识别G代码后发送指令并控制驱动装置3、送料装置4、固化装置5与三轴运动装置6，三轴运动装置6分别控制打印平台1与打印喷头2运动，当运动到预定位置时，打开送料装置4开始输送液态热固性材料至打印喷头2，驱动装置3开启并给与打印喷头2中的液态热固性材料一定的加速度，压电振动装置是在压电陶瓷上施加一个交变电场，使其产生形变，同时发生振动，产生的机械能作用到打印喷头2中的液态热固性材料上，给材料一个向下的加速度进而从打印喷头2中喷出，热固性材料喷射到打印平台1预定的位置，固化装置5发出激光照射喷射到打印平台1上的热固性材料并进行加热，液态热固性材料在高温状态下固化成型。

[0041] 本发明中所述的4D打印指的是智能材料(形状记忆聚合物)的3D打印，在3D打印的基础上增加时间维度的概念而成型四个维度上的打印技术，打印出的三维物体具有形状记忆效应，经过一定的条件形变并固定后，在特定的外界条件(如热、化学、光、磁或电等外加刺激)下能自动回复到初始形状和尺寸，可作为功能器件应用在航天等领域。

[0042] 本发明的一种用于热固性形状记忆聚合物在轨4D打印的装置，送料系统区别于传统热固性液体材料光固化的料槽(打印材料暴露在外部环境中)，本发明的送料系统全密闭存储，利用压力供给，克服了液态热固性材料失重的问题，在微重力环境中，将待打印液态热固性形状记忆聚合物材料收集于密闭容器中，通过包含注射泵的送料装置4将液态热固性形状记忆聚合物泵送到所述打印喷头2中，再通过压电式的驱动装置3通电振动后产生的机械能将材料从打印喷头2中喷出，利用压力供给，另外，在失重环境中，普通打印机从喷头挤出的材料也会由于失重而无法粘接在打印平台上，本发明利用压电陶瓷的高速振动提供加速度使其从喷嘴喷出，克服了失重环境下打印无法送料的问题，解决太空中空间站对于功能件的需求，实现在轨4D打印，大幅提高空间站实验的灵活性，有效减少空间站对于地面供给的依赖，本发明在轨4D打印装置所打印的材料为形状记忆聚合物，具有形状记忆效应，形状记忆聚合物打印完成后可在力学或者光学等外界激励下发生主动变形，在空间形成特定的结构，实现4D打印。

[0043] 实施例二

[0044] 为防止打印材料在太空中长时间存储发生变质或固化，本实施在上述实施例的基础上，结合图2所示，送料装置4包括固定板41、基台42、注射管43、推进装置44、混合舱45、搅拌器46、支撑架47与蠕动泵48，固定板41为基板，较好的，固定板41与三维运动装置6的底台固定连接，固定板41的一侧上端固定一基台42，基台42上设有推进装置44，推进装置44包括第二旋转电机441与推块442，第二旋转电机441与推块442之间设有丝杆，第二旋转电机441旋转带动丝杆发生转动，丝杆转动带动推块442沿丝杆轴向发生移动，推块442与注射管43的活塞杆固定连接，推块442的移动带动活塞杆移动，活塞杆带动活塞在注射管43内推动，实现注射管43内的液态材料向打印喷头2移动。本实施例中，注射管43与活塞杆密封连接，当活塞杆向注射管43出液口一侧移动时，通过增大注射管43内液态材料的压力，使得液态材料输送至打印喷头2，有效的解决了液态材料在太空中易悬浮，常规打印装置无法正常送料的问题。

[0045] 较好的，本实施例的注射管43包括至少两个，两个注射管43中的其中一个存放固化剂，另一个存放热固性材料，本装置将热固性材料与固化剂分开放置，分别存放在送料装置4的两个注射管43内，按照每次打印需求量进给一定量的热固性材料和固化剂到混合舱45内，混合舱45内设有搅拌器46，搅拌器46将混合舱45中的液态材料混合均匀，将热固性材料和固化剂搅拌均匀后经送料管在蠕动泵48的挤压方式下输送到打印喷头2内完成送料过程。

[0046] 本实施例中，蠕动泵48与混合舱45之间通过支撑架47实现固定连接。

[0047] 本实施例中，两个注射管43的直径比例根据热固性材料和固化剂需要的配比确定，仅需要一个推进装置44即可实现两种材料的输出，较好的，推进装置44有两个，推进装置44与注射管43单独对应，通过调整两个推进装置44的推进量来控制热固性材料和固化剂的比例，便于制备不同材料配比的产品。

[0048] 本实施例所述的送料装置4区别于传统的送料装置，传统的送料装置提前混合热固性材料和固化剂，在长时间储存后容易发生部分或全部固化，本实施例的送料装置4能够较好的避免混合材料长期存留在料管内，造成注射管或送料管的堵塞，也有效的防止了材料浪费。

[0049] 实施例三

[0050] 本实施例在上述实施例的基础上，结合图3所示，打印平台1包括支撑台11、滑块12、第一旋转电机13、推杆14、夹持板15与导轨16，支撑台11为板状，可为方形、圆形等其他形状，滑块12设置在支撑台11底部，较好的，滑块12至少有四个并分别位于支撑台11底部的四个底脚处，滑块12套在三轴运动装置6的滑杆上，实现打印平台1与三轴运动装置6的滑动连接；支撑台11在Y轴方向的两端设置有两个第一旋转电机13，支撑台11在X轴方向的两侧设置有两条平行导轨16，导轨16长度的方向与Y轴平行，支撑台11上方设置有两个夹持板
15，两个夹持板15分别通过推杆14与两个所述第一旋转电机13连接，两个夹持板15在第一旋转电机13的作用下可沿Y轴发生移动，夹持板15与导轨16连接，夹持板15沿导轨16的长度方向进行移动，并且不能脱离导轨16，在第一旋转电机13的作用下，两个夹持板15可以对底部已经固化的热固性材料进行夹持，防止打印平台1在Y轴方向运动时，热固性材料与打印平台1发生偏移，使得打印产品形状不符合设计要求，在此基础上，夹持板15对产品雏形进行固定，能够加快打印平台的移动速度，提高了本发明在轨4D打印平台的工作效率。

[0051] 较好的，夹持板15可做成C型或V型，或者设计成为欲打印成的产品底部形状做成相匹配的形状，夹持效果更好，也可有效的防止夹持板15的夹持损坏热固性材料制成的产品。

[0052] 本实施例中，控制系统计算产品底部在Y轴方向的长度，以及其在其他激励条件下进行变形的具体时间，精确控制夹持的距离以及夹持时间，防止夹持板15影响打印装置的打印工作。

[0053] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。