功能梯度材料主动混合3D打印喷头的应用研究

李传戈 孙晋美 陈 菁 高 凡 张光耀

（青岛城市学院 机电工程学院，青岛 266106）

随着生物医疗、柔性电子、可穿戴设备、软体机器人和航空航天等领域的高速发展，人们对产品的要求越来越高，单一材料已经无法满足生产发展需要，于是复合材料尤其是功能梯度材料成为发展趋势[1-6]。

功能梯度材料是近年国内外的研究热点之一。聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）基体材料具有无毒、防水、高弹性及生物相容性佳等优点，被视为生物医疗电子、可穿戴设备以及柔性电子产品的理想材料。为满足一侧具有良好柔性而另一侧具有较高刚度的应用需求，采用PDMS/SiC功能梯度材料，将SiC作为增强填料，根据需求可在PDMS基体中逐渐增加SiC含量，使其具有连续功能梯度和变刚度的特性。

增材制造技术被认为是制备具有应力优化分布和良好几何形状功能梯度材料的有效方法。作为一个新的研究领域，梯度材料制备的研究仍处于初步阶段，需要进一步完善与深入。目前已开发出PDMS/SiC功能梯度材料的3D打印装置[7-10]，但大多处于试验阶段，部分结构还有待优化。由于PDMS/SiC功能梯度材料容易混入气泡，在喷射成型前需要做抽真空处理，而目前很多3D打印装置抽真空和加压喷射成型共用一个腔体，抽真空时无法打印，打印时无法抽真空，存在无法连续稳定生产、抽真空时密封不良等问题。

鉴于此，创造性地提出一种功能梯度材料主动混合3D打印喷头装置，可实现不同SiC配比变刚度功能梯度材料的连续性打印。

1 主动混合3D打印喷头的设计

主动混合3D打印喷头为3D打印装置的核心部件，采用左右2个腔体，如图1所示。左侧腔体6为储料腔，主要保证功能梯度材料的混合均匀和抽真空。右侧腔体18为打印腔，通过阀针14顺序动作控制功能梯度材料打印。

图1 打印喷头结构

在左侧储料装置中，5为供料模块Ⅰ，利用注射计量装置向储料腔6输送PDMS材料（PDMS和固化剂比例为10∶1）。11为供料模块Ⅱ，利用另外一个注射计量装置向储料腔输送不同配比的PDMS/SiC材料。这2种液体材料进入储料腔后，由步进电机1带动搅拌叶4将2种料混合均匀。

完成储料后，利用气路系统Ⅰ（3）抽真空，再通过气路系统Ⅱ（10）产生的正压将混合材料输送至右侧的打印装置。单向阀8可防止液体材料倒流。在右侧打印腔18中，常态位时阀针14和进料块19无间隙配合（阀口是关闭的）。当需要3D打印时，可通过电磁换向阀控制气缸12缩回，气缸接头13带动阀针14向上运动，阀口打开，气路系统Ⅲ（17）通正压梯度材料即可从打印喷嘴20喷射成型。当停止打印时，利用电磁控制阀控制气缸12向外伸出，阀针14向下移动，阀口关闭。石墨铜套15主要起到阀针运动时的导向作用，可有效防止运动卡滞。

在右侧打印腔喷射成型时，左侧腔体可同时进行储料和抽真空。左右2个腔体互不影响，可实现不同配比PDMS/SiC功能梯度材料的连续性打印。

左侧储料腔和右侧打印腔需要良好密封，否则会影响抽真空和3D打印的效果。板与板之间的密封主要靠O形密封圈进行端面密封，密封相对容易，而密封不良主要发生在电机轴和阀针的轴向动密封。为解决动密封问题，专门设计了与步进电机主轴尺寸相匹配的骨架油封2。骨架油封主要由橡胶弹性体、金属骨架和金属弹簧圈组成，如图2所示。它的密封效果好，能满足使用要求。

图2 骨架油封结构（单位：mm）

2 功能梯度材料的打印实验研究

增材制造技术俗称3D打印，基于离散-堆积原理，是一种“自上而下”材料累加的制造方法。它先由计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）软件对零件进行三维建模，再通过专门的软件切片，即数字分层后生成3D打印装置能够识别的数控代码，控制3D打印装置移动X轴、Y轴及Z轴，通过物理层积逐层打印出三维实体结构。

不同材料和工艺的组合形成了多种增材制造技术。按增材制造的方法，可分为熔融沉积制造、分层实体制造、选择性激光烧结、立体光固化成型和三维打印技术等多种形式。不同的工艺方法应用在不同的领域，各有优缺点。三维打印技术（3D Printing，3DP）使用液态光敏树脂和粉末材料，核心部分为3D打印喷头。加压后，3D喷头喷出一薄层的液态树脂截面，通过加热底板加热或紫外线光源照射使其固化成型，层层累积，直到形成精确的3D实物。

2.1 实验装置及材料

实验装置采用自主搭建的3D打印平台，主要包括由雕刻机改造的三轴工作台、自主开发的主动混合喷头、加热底板、供料模块、阀针控制模块、抽真空系统和背压调节系统，如图3所示。打印材料选用PDMS（PDMS与固化剂比例为10∶1）和PDMS/SiC混合液体的功能梯度材料。

图3 功能梯度材料主动混合3D打印装置

2.2 工艺流程

基于多材料主动混合3D打印工艺制备PDMS/SiC功能梯度衬底的工艺流程如下。

（1）输送料，即通过供料模块Ⅰ和供料模块Ⅱ分别将PDMS和PDMS/SiC混合液体输送至储料腔。

（2）混料和抽真空，即利用步进电机带动搅拌叶使混合材料搅拌均匀。为彻底清除功能梯度混合材料中的气泡，利用真空泵抽真空。

（3）加热及打印，即打印前先将打印底板加热至设定温度，然后通正压将储料腔中的料输送至打印腔。利用气缸带动阀针上移打开阀口，同时打印腔加正压进行3D打印。

（4）打印完成后，利用控制阀实现气路换向，气缸带动阀针下移，阀口关闭。待固化成型后，即可将打印衬底从载玻片上取下。

2.3 三维图形打印实验

为验证主动混合打印喷头的打印效果，进行三维模型打印实验。打印时，打印喷嘴与载玻片基底间距调整为0.1 mm，喷嘴背压设定为40 kPa。打印实物及截面如图4所示，实物边界平直，质量较好。

图4 三维实物及剖面图

3 结论

（1）虽然是单喷头，但是通过储料腔和打印腔，实现了功能梯度混合材料的连续性生产。

（2）对于电机轴和阀针处的轴向动密封，利用骨架式油封结构，能起到较好的密封效果。

（3）针对PDMS打印材料和实验装置，实验验证主动混合3D打印喷头结构合理，具有较高的实用价值。