一种彩色3D打印挤出装置及其操作方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于三维增材制造技术领域，涉及一种彩色3D打印挤出装置及其操作方法；所述装置除包含必要的运动平台、进料系统，还包含可控制运动平台、进料系统和可编程直流电源设备的软件控制系统；其基本工作原理是当打印材料流经喷头主体时，废料通道和出料口内置的铂电极通电，可电解打印材料中的水分子，产生H

【技术实现步骤摘要】
一种彩色3D打印挤出装置及其操作方法


[0001]本专利技术属于三维增材制造
，具体涉及一种彩色3D打印挤出装置及其操作方法，特指一种基于单通道、单色原料实现彩色3D打印的装置及其操作方法。

技术介绍

[0002]3D打印属于快速成型技术的一种，具有效率高、成本低、速度快等诸多优点，被誉为第三次产业革命的核心技术之一。其基本原理是由快速原型机在
Ⅹ
、Y平面内通过扫描形成工件的截面形状，而在Z坐标上不断地作层面厚度的位移形成堆叠，最终构建出立体对象。近年来，随着3D打印技术的快速发展，其应用也越来越广泛，涉及航空、制造、食品等诸多领域。虽然3D打印在构建三维空间结构方面已相对成熟，但如何同时赋予打印模型期望的颜色，实现彩色3D打印，依然存在诸多问题与挑战，是当前3D打印技术的前沿探索领域之一。
[0003]目前，彩色3D打印主要通过两种方式实现：第一种是打印、上色分步进行，即先将模型打印成型，然后再进行上色，显然这样的方法耗时费力，最后上色的质量也不易保证；第二种是利用三基色混合原理将三原色材料进行混合得到不同颜色再进行打印，这种方式打印头机械结构复杂，成本高昂，而且对原材料要求较高，不具备普适性。

技术实现思路

[0004]鉴于以上问题，本专利技术的目的在于提供一种基于单通道、单色原料实现彩色3D打印挤出装置及其操作方法。
[0005]为了解决以上技术问题，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]本专利技术首先提供一种彩色3D打印挤出装置，包括步进电机、联轴器、螺杆、螺纹连接件、直通螺纹插管、导料槽、机架、输料管、进料口、喷头主体、出料口、废料管道、铂片电极、铂丝电极、可编程直流电源设备、连接导线和废料出口；
[0007]所述的螺杆顶部通过联轴器与步进电机连接；所述的螺杆设置在导料槽内，导料槽内部为中空结构；所述导料槽的一侧连通设有直通螺纹插管，直通螺纹插管与导料槽螺纹连接；所述直通螺纹插管的另一端与输料管道连接；所述输料管道远离直通螺纹插管的一端设有进料口，用于输入打印材料；
[0008]所述喷头主体为倒锥形结构，记宽端为上端，窄端为下端；所述导料槽的下端与喷头主体的上端通过螺纹连接；所述导料槽的上端通过螺纹连接件与机架连接；所述机架通过螺钉固定在3D打印机运动机构上；
[0009]所述的喷头主体的侧壁连通有废料管道，所述的废料管道内中间位置设有铂丝电极；所述废料管道远离喷头主体的一端设有废料出口；所述喷头主体的下端设有出料口，所述的出料口内设有铂片电极；所述铂片电极为圆筒状，嵌入出料口内，形成出料通道。
[0010]所述可编程直流电源设备通过连接导线分别与铂丝电极和铂片电极连接。
[0011]优选的，所述的废料管道为内窄外宽的类锥形结构，口径由内部到外部平滑增大；
所述窄口径为0.5mm，宽口径为5mm。
[0012]优选的，所述的废料管道末端设有传送软管，用以排出废料。
[0013]优选的，所述铂片电极的厚度0.1～0.5mm，含铂量999
‰
。
[0014]优选的，所述铂丝电极的直径0.5～1mm，含铂量999
‰
。
[0015]优选的，所述出料口的口径范围为0.5～3mm。
[0016]本专利技术还提供一种基于单通道、单色原料实现彩色3D打印的操作方法，包括以下步骤：
[0017]S1.打印材料的制备：首先制备可电化学变色的pH敏感型色素材料，然后选取原材料与可电化学变色的pH敏感型色素材料混合制备得到打印材料；
[0018]S2.打印材料由进料口输入，经过输料管传送至导料槽内部；同时开启步进电机，螺杆在步进电机的带动下开始转动，将打印材料向下输送至喷头主体内；在螺杆的驱动下，进入喷头主体内的打印材料，一部分打印材料会经过废料管道，由废料出口输出；另一部分打印材料经过出料口形成打印挤出丝；
[0019]S3.扫描电压
‑
色调关系的建立：在打印材料的挤出过程中，即打印材料进入喷头主体内时，可编程直流电源设备提供电压通过连接导线传送给铂丝电极和铂片电极，与打印材料形成电解回路，通过电解反应引起铂丝电极和圆柱状铂片电极表面形成不同的pH环境，进而使打印材料中的色素变色，出料口挤出不同颜色的打印挤出丝；同时，采集不同电压下挤出丝的色调H，绘制U
‑
H关系曲线。
[0020]S4.彩色打印：加载待打印的彩色打印模板，使得挤出装置按照模板进行逐行扫描打印，形成不同图案；同时，根据当前扫描位置提取模板对应位置处的颜色色调H，将H代入S3所得U
‑
H关系曲线，得到所需电压U，根据相应位置设定不同U值，从而实现最终打印产物的颜色控制。
[0021]优选的，S1中所述pH敏感型色素材料包括天然色素和人工色素；所述天然色素包括从植物中提取花青素、姜黄素或石蕊；所述人工色素包括化工合成的酚酞、甲基橙或中性红。
[0022]优选的，S1中所述pH敏感型色素材料的用量与原材料的质量比值为0.1％～1％。
[0023]所采用打印机除包含必要的运动平台、进料系统等装置，还包含可控制上述运动平台、进料系统和可编程直流电源设备的软件控制系统；其基本工作原理是当打印材料流经喷头主体时，废料管道和出料口内置的铂电极通电可电解打印材料中的水分子，产生H
+
和OH
―
从而改变打印材料的pH值，并且，电解时的电压与产生的H
+
和OH
―
浓度成正相关。上述添加或内含的pH敏感型色素材料在不同pH下会呈现出不同颜色。因此，只需控制对铂电极所施加的电压即可改变原材料颜色，实现彩色3D打印。
[0024]本专利技术的优点和技术效果是：
[0025]1.本专利技术提供一种基于单通道、单色原料实现彩色3D打印的方法及装置，解决目前彩色3D打印机械结构复杂，成本高，对原材料要求高，普适性差的缺点。
[0026]2.本专利技术基于单通道打印头实现彩色3D打印，可极大降低彩色打印头零部件的复杂度，从而提高打印头的可靠性，降低其成本。
[0027]3.本专利技术基于单一色素实现彩色打印，降低了对原材料的要求，具有更好地普适性。
[0028]4.本专利技术通过改变直流电源输出的电压实现颜色改变，相较于机械式控制具有更高的敏捷性、灵活性。
附图说明
[0029]图1本专利技术挤出装置的剖面示意图；
[0030]图2实例1中不同电压条件下挤出丝的颜色变化图像；
[0031]图3实例1中挤出丝色调H与电压U的U
‑
H关系曲线；
[0032]图4实例1中打印物体实物图；
[0033]其中的附图标记为：1
‑
步进电机；2
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联轴器；3
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机架；4
‑
螺纹连接件；5
‑
螺杆；6
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种彩色3D打印挤出装置，包括步进电机(1)、联轴器(2)、螺杆(5)、螺纹连接件(4)、直通螺纹插管(7)、导料槽(6)、机架(3)，输料管(8)和进料口(17)，其特征在于，还包括喷头主体(9)、出料口(13)、废料管道(10)、铂片电极(12)、铂丝电极(11)、可编程直流电源设备(14)、连接导线(15)和废料出口(16)；所述的螺杆(5)顶部通过联轴器(2)与步进电机(1)连接；所述的螺杆(5)设置在导料槽(6)内，导料槽(6)内部为中空结构；所述导料槽(6)的一侧连通设有直通螺纹插管(7)，直通螺纹插管(7)与导料槽(6)螺纹连接；所述直通螺纹插管(7)的另一端与输料管道(8)连接；所述输料管道(8)远离直通螺纹插管(7)的一端设有进料口(17)，用于输入打印材料；所述喷头主体(9)为倒锥形结构，记宽端为上端，窄端为下端；所述导料槽(6)的下端与喷头主体(9)的上端通过螺纹连接；所述导料槽(6)的上端通过螺纹连接件(4)与机架(3)连接；所述机架(3)通过螺钉固定在3D打印机运动机构上；所述的喷头主体(9)的侧壁连通有废料管道(10)，所述的废料管道(10)内中间位置设有铂丝电极(11)；所述废料管道(10)远离喷头主体(9)的一端设有废料出口(16)；所述喷头主体(9)的下端设有出料口(13)，所述的出料口(13)内设有铂片电极(12)；所述铂片电极(12)为圆筒状，嵌入出料口(13)内，形成出料通道；所述可编程直流电源设备(14)通过连接导线(15)分别与铂丝电极(11)和铂片电极(12)连接。2.根据权利要求1所述的一种彩色3D打印挤出装置，其特征在于，所述的废料管道(10)为内窄外宽的类锥形结构，口径由内部到外部平滑增大；所述窄口径为0.5mm，宽口径为5mm。3.根据权利要求1所述的一种彩色3D打印挤出装置，其特征在于，所述的废料管道末端设有传送软管，用以排出废料。4.根据权利要求1所述的一种彩色3D打印挤出装置，其特征在于，所述铂片电极(12)的厚度0.1～0.5mm，含铂量999
‰
。5.根据权利要求1所述的一种彩色3D打印挤出装置，其特征在于，所述铂丝电极(11)的直径...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志华，王睿远，邹小波，黄晓玮，石吉勇，翟晓东，张俊俊，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：