功能梯度材料主動混合3D打印噴頭的應用研究

李傳戈 孫晉美 陳 菁 高 凡 張光耀

（青島城市學院 機電工程學院，青島 266106）

隨著生物醫(yī)療、柔性電子、可穿戴設備、軟體機器人和航空航天等領域的高速發(fā)展，人們對產品的要求越來越高，單一材料已經無法滿足生產發(fā)展需要，于是復合材料尤其是功能梯度材料成為發(fā)展趨勢[1-6]。

功能梯度材料是近年國內外的研究熱點之一。聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）基體材料具有無毒、防水、高彈性及生物相容性佳等優(yōu)點，被視為生物醫(yī)療電子、可穿戴設備以及柔性電子產品的理想材料。為滿足一側具有良好柔性而另一側具有較高剛度的應用需求，采用PDMS/SiC功能梯度材料，將SiC作為增強填料，根據需求可在PDMS基體中逐漸增加SiC含量，使其具有連續(xù)功能梯度和變剛度的特性。

增材制造技術被認為是制備具有應力優(yōu)化分布和良好幾何形狀功能梯度材料的有效方法。作為一個新的研究領域，梯度材料制備的研究仍處于初步階段，需要進一步完善與深入。目前已開發(fā)出PDMS/SiC功能梯度材料的3D打印裝置[7-10]，但大多處于試驗階段，部分結構還有待優(yōu)化。由于PDMS/SiC功能梯度材料容易混入氣泡，在噴射成型前需要做抽真空處理，而目前很多3D打印裝置抽真空和加壓噴射成型共用一個腔體，抽真空時無法打印，打印時無法抽真空，存在無法連續(xù)穩(wěn)定生產、抽真空時密封不良等問題。

鑒于此，創(chuàng)造性地提出一種功能梯度材料主動混合3D打印噴頭裝置，可實現(xiàn)不同SiC配比變剛度功能梯度材料的連續(xù)性打印。

1 主動混合3D打印噴頭的設計

主動混合3D打印噴頭為3D打印裝置的核心部件，采用左右2個腔體，如圖1所示。左側腔體6為儲料腔，主要保證功能梯度材料的混合均勻和抽真空。右側腔體18為打印腔，通過閥針14順序動作控制功能梯度材料打印。

圖1 打印噴頭結構

在左側儲料裝置中，5為供料模塊Ⅰ，利用注射計量裝置向儲料腔6輸送PDMS材料（PDMS和固化劑比例為10∶1）。11為供料模塊Ⅱ，利用另外一個注射計量裝置向儲料腔輸送不同配比的PDMS/SiC材料。這2種液體材料進入儲料腔后，由步進電機1帶動攪拌葉4將2種料混合均勻。

完成儲料后，利用氣路系統(tǒng)Ⅰ（3）抽真空，再通過氣路系統(tǒng)Ⅱ（10）產生的正壓將混合材料輸送至右側的打印裝置。單向閥8可防止液體材料倒流。在右側打印腔18中，常態(tài)位時閥針14和進料塊19無間隙配合（閥口是關閉的）。當需要3D打印時，可通過電磁換向閥控制氣缸12縮回，氣缸接頭13帶動閥針14向上運動，閥口打開，氣路系統(tǒng)Ⅲ（17）通正壓梯度材料即可從打印噴嘴20噴射成型。當停止打印時，利用電磁控制閥控制氣缸12向外伸出，閥針14向下移動，閥口關閉。石墨銅套15主要起到閥針運動時的導向作用，可有效防止運動卡滯。

在右側打印腔噴射成型時，左側腔體可同時進行儲料和抽真空。左右2個腔體互不影響，可實現(xiàn)不同配比PDMS/SiC功能梯度材料的連續(xù)性打印。

左側儲料腔和右側打印腔需要良好密封，否則會影響抽真空和3D打印的效果。板與板之間的密封主要靠O形密封圈進行端面密封，密封相對容易，而密封不良主要發(fā)生在電機軸和閥針的軸向動密封。為解決動密封問題，專門設計了與步進電機主軸尺寸相匹配的骨架油封2。骨架油封主要由橡膠彈性體、金屬骨架和金屬彈簧圈組成，如圖2所示。它的密封效果好，能滿足使用要求。

圖2 骨架油封結構（單位：mm）

2 功能梯度材料的打印實驗研究

增材制造技術俗稱3D打印，基于離散-堆積原理，是一種“自上而下”材料累加的制造方法。它先由計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）軟件對零件進行三維建模，再通過專門的軟件切片，即數(shù)字分層后生成3D打印裝置能夠識別的數(shù)控代碼，控制3D打印裝置移動X軸、Y軸及Z軸，通過物理層積逐層打印出三維實體結構。

不同材料和工藝的組合形成了多種增材制造技術。按增材制造的方法，可分為熔融沉積制造、分層實體制造、選擇性激光燒結、立體光固化成型和三維打印技術等多種形式。不同的工藝方法應用在不同的領域，各有優(yōu)缺點。三維打印技術（3D Printing，3DP）使用液態(tài)光敏樹脂和粉末材料，核心部分為3D打印噴頭。加壓后，3D噴頭噴出一薄層的液態(tài)樹脂截面，通過加熱底板加熱或紫外線光源照射使其固化成型，層層累積，直到形成精確的3D實物。

2.1 實驗裝置及材料

實驗裝置采用自主搭建的3D打印平臺，主要包括由雕刻機改造的三軸工作臺、自主開發(fā)的主動混合噴頭、加熱底板、供料模塊、閥針控制模塊、抽真空系統(tǒng)和背壓調節(jié)系統(tǒng)，如圖3所示。打印材料選用PDMS（PDMS與固化劑比例為10∶1）和PDMS/SiC混合液體的功能梯度材料。

圖3 功能梯度材料主動混合3D打印裝置

2.2 工藝流程

基于多材料主動混合3D打印工藝制備PDMS/SiC功能梯度襯底的工藝流程如下。

（1）輸送料，即通過供料模塊Ⅰ和供料模塊Ⅱ分別將PDMS和PDMS/SiC混合液體輸送至儲料腔。

（2）混料和抽真空，即利用步進電機帶動攪拌葉使混合材料攪拌均勻。為徹底清除功能梯度混合材料中的氣泡，利用真空泵抽真空。

（3）加熱及打印，即打印前先將打印底板加熱至設定溫度，然后通正壓將儲料腔中的料輸送至打印腔。利用氣缸帶動閥針上移打開閥口，同時打印腔加正壓進行3D打印。

（4）打印完成后，利用控制閥實現(xiàn)氣路換向，氣缸帶動閥針下移，閥口關閉。待固化成型后，即可將打印襯底從載玻片上取下。

2.3 三維圖形打印實驗

為驗證主動混合打印噴頭的打印效果，進行三維模型打印實驗。打印時，打印噴嘴與載玻片基底間距調整為0.1 mm，噴嘴背壓設定為40 kPa。打印實物及截面如圖4所示，實物邊界平直，質量較好。

圖4 三維實物及剖面圖

3 結論

（1）雖然是單噴頭，但是通過儲料腔和打印腔，實現(xiàn)了功能梯度混合材料的連續(xù)性生產。

（2）對于電機軸和閥針處的軸向動密封，利用骨架式油封結構，能起到較好的密封效果。

（3）針對PDMS打印材料和實驗裝置，實驗驗證主動混合3D打印噴頭結構合理，具有較高的實用價值。