本發(fā)明涉及一種3D打印裝置及使用該裝置進(jìn)行3D打印的3D打印方法。

背景技術(shù)：
增材制造技是目前發(fā)展非常迅速的高科技制造技術(shù)。增材制造通俗意義上又稱為3D打印，是通過逐層添加材料獲得三維制件的制造方式。與傳統(tǒng)的機(jī)械加工等減材制造方法相比，3D打印有著諸多優(yōu)勢，如可以用來制造外形極為復(fù)雜的制件、材料利用率高、制程環(huán)保、適合制造私人定制的產(chǎn)品等等。隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，目前主流的3D打印方法已經(jīng)能夠制造金屬、高分子、陶瓷等多種材料。對于高分子材料而言，目前主流的3D打印方法有有熔融擠出成型FDM，立體光固化成形SLA，激光選擇性燒結(jié)SLS等等。靜電紡絲是一種利用靜電場力制備微納結(jié)構(gòu)的方法，主要使用的材料是熔融狀態(tài)的高分子材料或高分子材料的溶液。根據(jù)工藝條件的不同，靜電紡絲的產(chǎn)物可以是微米級的顆粒、微球，以及納米、微米級直徑的連續(xù)纖維。多種塑膠材料都可以通過此技術(shù)簡單、快捷地制成以上幾種形態(tài)。盡管已經(jīng)出現(xiàn)一些利用靜電紡絲技術(shù)進(jìn)行3D打印的方法，然而，如何優(yōu)化打印工藝，進(jìn)一步拓展打印材料適用范圍，提高打印質(zhì)量和打印精細(xì)度，以及提高打印控制靈活性和可靠性等，是現(xiàn)有技術(shù)需要解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的主要目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種3D打印裝置及方法，增加打印材料適用范圍，提高打印質(zhì)量和打印精細(xì)度。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種3D打印裝置，包括噴頭、直流電源、用于放置成形基底的成形工作臺(tái)、以及接收電極，所述噴頭包括同步移動(dòng)的激光通路模塊和至少一個(gè)靜電紡絲模塊，所述激光通路模塊的出口軸線與所述靜電紡絲模塊的出口軸線交匯于一點(diǎn)，所述靜電紡絲模塊與所述接收電極分別連接所述直流電源的正負(fù)極，所述成形工作臺(tái)設(shè)置在所述噴頭和所述接收電極之間，所述靜電紡絲模塊對高分子溶液進(jìn)行靜電紡絲，在電場力的作用下產(chǎn)生向所述成形工作臺(tái)射出的高分子顆粒的射流，射流材料被所述激光通路模塊發(fā)射的激光束熔化以熔融狀態(tài)落在所述成形基板的特定位置上并沉積成層，通過控制所述噴頭按照預(yù)定輪廓進(jìn)行多層沉積而形成三維的高分子材料制件。進(jìn)一步地：所述噴頭的移動(dòng)路徑是根據(jù)預(yù)先對待成形制件的三維模型進(jìn)行離散分層所獲得多層的輪廓信息而確定的。還包括工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制裝置，所述成形工作臺(tái)固定在所述工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制裝置上，所述工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制裝置用于改變所述成形工作臺(tái)到所述噴頭的距離以實(shí)現(xiàn)不同層的打印。所述接收電極與所述噴頭同步移動(dòng)并保持固定的距離。優(yōu)選地，所述接收電極的電極托臺(tái)與所述噴頭固定連接。所述成形工作臺(tái)水平布置，所述噴頭布置在所述成形工作臺(tái)上方，所述激光通路模塊的出口軸線垂直于所述成形工作臺(tái)，所述靜電紡絲模塊的出口軸線與激光通路模塊的出口軸線之間的角度為5°到45°。所述靜電紡絲模塊包括主體、注射器、金屬毛細(xì)管，所述注射器固定在所述主體內(nèi)部的溶液通路中，所述金屬毛細(xì)管安裝在注射器的前端并通過所述主體上的出口孔伸出到所述溶液通路外，所述注射器的后端封閉，所述金屬毛細(xì)管通過一根延伸穿過所述注射器的后端的導(dǎo)管與所述主體外部的推進(jìn)器連通，所述推進(jìn)器向所述導(dǎo)管內(nèi)推送所述高分子溶液。優(yōu)選地，所述注射器的后端通過軟膠塞配合墊圈來封閉。所述靜電紡絲模塊的主體、所述成形工作臺(tái)及所述成形基板為不導(dǎo)電材質(zhì)。優(yōu)選地，所述靜電紡絲模塊的主體采用塑料、陶瓷、木材等材質(zhì)，所述成形工作臺(tái)采用塑料、陶瓷、木材、石材的薄板制成所述高分子溶液中的高分子材料為聚乳酸、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、尼龍、聚氧化乙烯、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚碳酸酯、聚己內(nèi)酯、聚谷氨酸、纖維素、聚酰亞胺中的任一種或多種，所用高分子溶液的溶劑為水、甲醇、乙醇、甲酸、二甲基甲酰胺、N,N-二甲基亞砜、四氫呋喃、丙酮中的任一種或多種。優(yōu)選地，調(diào)整高分子溶液的粘度以得到微球或帶有短纖維的顆粒為佳。四個(gè)所述靜電紡絲模塊呈十字形的方式圍繞設(shè)置在激光通路模塊的周圍，各靜電紡絲模塊的噴頭噴出的射流匯聚于一點(diǎn)，并且被所述激光通路模塊發(fā)出的激光束所覆蓋。一種3D打印方法，使用所述的3D打印裝置進(jìn)行三維制件的打印或修復(fù)。本發(fā)明提出一種結(jié)合靜電紡絲和激光技術(shù)的3D打印裝置，以高分子溶液作為材料源，通過靜電紡絲模塊形成高分子材料的顆粒噴射物，被激光通路模塊同步加熱熔化沉積到3D打印成形基底上，冷卻后形成3D制件的一部分。可通過計(jì)算機(jī)控制噴頭的移動(dòng)路徑，在指定的位置按照預(yù)定輪廓沉積高分子材料，并在成形基底上逐層累積而形成三維的制件。此裝置的結(jié)構(gòu)簡單、易于操控，精度高，且可用來制造任意復(fù)雜形狀的高分子制件，進(jìn)行多樣化打印，尤其適用于制造微小的零件，并且能夠靈活地在復(fù)雜外形表面上進(jìn)行原位地、指向性地成形。此裝置對打印材料的適用性廣，對制備材料的要求低，多種常見的高分子材料都可以通過本裝置進(jìn)行可靠的3D打印，打印質(zhì)量高。除了能夠從底層逐層累積打印三維制件，此裝置對成型基底要求低，能夠靈活地在復(fù)雜外形表面上進(jìn)行原位地、指向性地成形，實(shí)現(xiàn)對制件的局部修復(fù)或者添加新材料實(shí)現(xiàn)局部新功能。附圖說明圖1是本發(fā)明實(shí)施例的一種3D打印裝置的示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例的一種包含四個(gè)靜電紡絲模塊的噴頭的俯視圖(未示出推進(jìn)器和導(dǎo)管)。圖中標(biāo)號說明：A.激光通路模塊，B.靜電紡絲模塊，101.激光通路，102.激光通路模塊主體，103.激光出口孔，104.T形槽，201.靜電紡絲模塊主體，202.溶液通路，203.毛細(xì)管出口孔，204.注射器，205.金屬毛細(xì)管，206.軟膠塞，207.墊圈，208.卡槽，301.推進(jìn)器，302.高分子溶液，303.導(dǎo)管，304.成形基底，305.成形工作臺(tái)，306.接收電極，307.電極托臺(tái)，308.托臺(tái)固定板，309.連接架，310.工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制裝置，311.導(dǎo)線，312.支架。具體實(shí)施方式以下對本發(fā)明的實(shí)施方式作詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。參閱圖1和圖2，在一種實(shí)施例中，3D打印裝置包括噴頭、高壓直流電源、成形工作臺(tái)305、成形基底304、工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制裝置310、支架312、接收電極306、電極托臺(tái)307、托臺(tái)固定板308、連接架309、導(dǎo)線311、推進(jìn)器301、導(dǎo)管303。噴頭包括激光通路模塊A和至少一個(gè)靜電紡絲模塊B組成。其中激光通路模塊A包括激光通路模塊主體102及其內(nèi)部的激光通路101、激光出口孔103、以及T形槽104組成。靜電紡絲模塊B包括靜電紡絲模塊主體201及其內(nèi)部的溶液通路202、毛細(xì)管出口孔203、注射器204、金屬毛細(xì)管205、墊圈207、軟膠塞206、以及與T形槽104配合的卡槽208。噴頭的移動(dòng)動(dòng)作由計(jì)算機(jī)控制。由激光器產(chǎn)生的激光其移動(dòng)動(dòng)作與噴頭的射流同步移動(dòng)，在成形過程中激光束始終通過激光通路101和激光出口孔103照射在噴頭下方的成形基底304上。靜電紡絲模塊B的金屬毛細(xì)管205安裝在注射器204的前端。注射器204固定在溶液通路202里，其后端開口處被軟膠塞206、墊圈207封堵。金屬毛細(xì)管通過靜電紡絲模塊主體201上的出口孔伸出到溶液通路202外，其軸線與激光通路101的軸線交匯于一點(diǎn)，軸線之間的角度優(yōu)選為5°到45°。軟膠塞206上有一個(gè)通孔，一根導(dǎo)管303通過此通孔與金屬毛細(xì)管205相連。導(dǎo)管303的另一端連接外部的一個(gè)推進(jìn)器301。高分子溶液302通過推進(jìn)器301施加推力從導(dǎo)管303中經(jīng)過。從金屬毛細(xì)管205的尖端流出。將金屬毛細(xì)管205安裝在注射器上，這樣的設(shè)計(jì)有利于安裝并且可以在不工作時(shí)方便取出清洗。金屬毛細(xì)管205通過導(dǎo)線311與高壓直流電源的正極相連接。一個(gè)成形基底304位于噴頭的下方，成形基底304放置在一個(gè)成形工作臺(tái)305上，成型工作臺(tái)依靠運(yùn)動(dòng)控制裝置能夠沿著支架312進(jìn)行垂直方向移動(dòng)。成形工作臺(tái)305下方有一個(gè)接收電極306，接收電極306與高壓直流電源的負(fù)極相連接。接收電極306固定在電極托臺(tái)307上。電極托臺(tái)307的一端與一個(gè)托臺(tái)固定板308通過T形槽或?qū)к壪噙B接，從而電極托臺(tái)307以及其上的接收電極306與成形工作臺(tái)305之間的垂直距離都可調(diào)。托臺(tái)固定板308通過一個(gè)連接架309與噴頭相連接，使噴頭與托臺(tái)固定板308能夠同步運(yùn)動(dòng)。因此接收電極306、電極托臺(tái)307都能夠?qū)崿F(xiàn)和噴頭的移動(dòng)動(dòng)作同步。當(dāng)接通高壓直流電源時(shí)，溶液和接收電極306之間形成靜電場，位于金屬毛細(xì)管205尖端的高分子溶液液滴在靜電場力的牽引作用下形成射流向接收電極306運(yùn)動(dòng)。射流在空氣中的運(yùn)動(dòng)過程中受到表面張力和靜電場力的綜合作用，不斷收縮、揮發(fā)溶劑、固化，形成最終固態(tài)的產(chǎn)物。依據(jù)高分子溶液的粘度，當(dāng)溶液粘度從低到高變化時(shí)，靜電紡絲的最終產(chǎn)物形態(tài)會(huì)有以下變化：顆粒(包括微球)、帶有短纖維的顆粒、串珠狀的纖維、表面平整無串珠結(jié)構(gòu)的纖維。優(yōu)選地，本發(fā)明中高分子溶液的粘度以產(chǎn)物為微球或帶有短纖維的顆粒為佳，這樣得到的產(chǎn)品會(huì)有較佳的精度。射流固化后的產(chǎn)物在向成形基板運(yùn)動(dòng)的過程中遇到激光，被激光束熔化，以熔融狀態(tài)降落在成形基板的特定位置上，并隨空氣冷卻固化沉積。當(dāng)噴頭按照計(jì)算機(jī)設(shè)定的程序移動(dòng)到指定路徑時(shí)，就會(huì)沿著移動(dòng)的路徑同步打印出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。通過逐層打印累積材料，就可以制作出三維的制件。本發(fā)明可以適用的高分子打印材料的范圍廣，可使用聚乳酸、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、尼龍、聚氧化乙烯、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚碳酸酯、聚己內(nèi)酯、聚谷氨酸、纖維素、聚酰亞胺，以及其它能夠進(jìn)行靜電紡絲獲得顆粒狀產(chǎn)物等高分子材料。所用的高分子溶液的溶劑可以為水、甲醇、乙醇、甲酸、二甲基甲酰胺、N,N-二甲基亞砜、四氫呋喃、丙酮，以及其它能夠溶解上述高分子材料的溶劑。優(yōu)選地，靜電紡絲的電壓范圍為1-50千伏。收集距離即靜電紡絲產(chǎn)物從噴頭噴出到沉積到基底上之間經(jīng)過的距離為0.1-50厘米。優(yōu)選地，激光的功率為2-30瓦。分層的層厚為0.01-0.5毫米。優(yōu)選地，靜電紡絲時(shí)的環(huán)境溫度控制在0-35攝氏度，環(huán)境相對濕度控制在5-50％。優(yōu)選地，為了增加成型速度，可以采用多個(gè)靜電紡絲模塊安裝在激光通路模塊A上同時(shí)工作，這種情況下要確保所有從注射器針頭噴出的射流匯聚于一點(diǎn)，并且被激光束所覆蓋；為了減少對靜電場的影響，靜電紡絲模塊B的主體、成形基板、成形工作臺(tái)305都選用不導(dǎo)電材質(zhì)制成。模塊B的主體采用塑料、陶瓷、木材等材質(zhì)。成形工作臺(tái)305優(yōu)選塑料、陶瓷、木材、石材的薄板制成。需要說明的是，本裝置也可以對高分子制件進(jìn)行原位修復(fù)或添加新材料實(shí)現(xiàn)局部的新功能。在這種情況下將噴頭毛細(xì)管與激光交匯處對準(zhǔn)高分子制件待修復(fù)的部位，在計(jì)算機(jī)控制下使噴頭通過逐層打印累積材料而實(shí)現(xiàn)。具體實(shí)施例的裝置的進(jìn)一步參見圖1和圖2。此裝置包括一個(gè)噴頭，高壓直流電源、成形工作臺(tái)305、成形基底304、工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制裝置310、接收電極306、電極托臺(tái)307、托臺(tái)固定板308、連接架309、導(dǎo)線311、支架312、推進(jìn)器301。其中噴頭包含一個(gè)激光通路模塊A，四個(gè)靜電紡絲模塊B。激光通路模塊包含激光通路101、主體102、激光出口孔103、T形槽104。每個(gè)靜電紡絲模塊都包含一個(gè)溶液通路202、主體201、毛細(xì)管出口孔203、注射器204、金屬毛細(xì)管205、墊圈207、軟膠塞206、與T形槽配合的卡槽208。此外每一個(gè)靜電紡絲模塊的金屬毛細(xì)管205都固定在注射器204的前端，并且都與一個(gè)導(dǎo)管303相連，導(dǎo)管的另一端通過軟膠塞與一個(gè)推進(jìn)器301相連，如圖1(圖1中只示意性地畫出了一個(gè)推進(jìn)器和導(dǎo)管，其余的靜電紡絲模塊與此相同)和圖2(圖2為包含4個(gè)靜電紡絲模塊的噴頭的俯視圖，其中每一個(gè)靜電紡絲模塊中的金屬毛細(xì)管都通過一個(gè)導(dǎo)管與一個(gè)推進(jìn)器相連，圖中未示出推進(jìn)器和導(dǎo)管)所示。成形工作臺(tái)305能夠在運(yùn)動(dòng)控制裝置310的控制下沿著支架312做垂直方向移動(dòng)。采用本發(fā)明實(shí)施例的3D打印裝置制造聚乳酸PLA的三維制件為例。所使用的聚乳酸分子量為100000。采用二甲基甲酰胺(DMF)作為溶劑，配置成重量百分比14％的溶液。采用4個(gè)靜電紡絲模塊。每一個(gè)靜電紡絲模塊的金屬毛細(xì)管205都與一個(gè)導(dǎo)管303相連，導(dǎo)管的另一端通過軟膠塞與一個(gè)推進(jìn)器301相連。靜電紡絲模塊的主體201用塑料制成。金屬毛細(xì)管205的內(nèi)徑為0.25mm，外徑為0.51mm。毛細(xì)管接到10ml的注射器204前端。材質(zhì)為陶瓷的成形基底304放置在激光通路101軸線的正下端，激光通路的軸線與每一個(gè)毛細(xì)管軸線的角度都設(shè)置為25°，四個(gè)毛細(xì)管的軸線與激光通路的軸線都交匯于一點(diǎn)。毛細(xì)管的尖端到成形基底的垂直距離都設(shè)置為75mm。高壓直流電源的電壓設(shè)置為18千伏?？上葘⑺枰谱鞯娜S制件的模型利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行離散分層，獲得STL格式的每一層的輪廓數(shù)據(jù)，分層厚度設(shè)置為0.05mm。根據(jù)每一層的輪廓數(shù)據(jù)得到噴頭打印的移動(dòng)路徑，噴頭通過連接架309與接收電極306同步運(yùn)動(dòng)。將配置好的聚乳酸溶液302放入推進(jìn)器301中，以15微升每分鐘的速率進(jìn)行供液。開啟高壓直流電源，同時(shí)開啟激光源，激光功率設(shè)置為8瓦，在進(jìn)行靜電紡絲的同時(shí)對產(chǎn)物進(jìn)行激光熔融。噴頭在成形基底上首先打印第一層，然后成形工作臺(tái)下降一個(gè)分層的厚度0.05mm，保持毛細(xì)管尖端到接收電極的距離不變，再進(jìn)行第二層的打印，以此方式逐層打印疊加成形，最終形成三維的零件。以上內(nèi)容是結(jié)合具體/優(yōu)選的實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，其還可以對這些已描述的實(shí)施方式做出若干替代或變型，而這些替代或變型方式都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。