一种容积驱动3d打印流涎控制方法
阅读说明：本技术 一种容积驱动3d打印流涎控制方法 (Volume-driven 3D printing drooling control method ) 是由 刘利 于 2020-11-19 设计创作，主要内容包括：本发明揭示了一种容积驱动3D打印流涎控制方法,其包括设置一可上下运动的驱动滑块,所述驱动滑块只能驱动注射器活塞向下运动而不能驱动其向上运动,在喷射时间终点前提前设定时间t关闭喷头,且同时将所述驱动滑块上提d-2距离,其中,d-2为1～10mm。本发明能够有效的解决喷嘴末端的流涎问题,提高打印成型质量。(The invention discloses a volume-driven 3D printing drooling control method, which comprises the steps of arranging a driving slide block capable of moving up and down, wherein the driving slide block only can drive an injector piston to move downwards but cannot drive the injector piston to move upwards, and when the injection time is set in advance before the end point of injection timeClosing the nozzle at time t and simultaneously lifting the driving slide block up by d 2 A distance of wherein d 2 Is 1-10 mm. The invention can effectively solve the problem of drooling at the tail end of the nozzle and improve the printing and forming quality.)
技术领域
本发明属于打印技术领域，特别是涉及一种容积驱动3D打印流涎控制方法。
背景技术
流涎是材料喷射/挤压过程及实现多种材料精确组装的关键问题之一，流涎控制的好坏是评价喷头及其喷射工艺好坏的关键因素。
在不加控制的情况下，在图1a中的AB段、CD段所述的材料段给喷头施加脉冲信号喷射材料，在图1a中BC段所述的中间段不加脉冲信号停止喷射，即喷头接收的脉冲信号如图1b所示，则得到的喷射结构如图1c所示，其存在流涎现象。流涎现象会使得在不需要喷射材料的支架边缘及上方堆积大量材料，宏观孔隙结构则容易被破坏。当成形复合材料支架时，空闲的喷头尖端会聚集大量材料，并在下一次成形时堆积在支架的边缘，严重影响最终的喷射成型结果。
延时补偿是最为常用的流涎控制方法，其基本思路为：在起点A之前设定时间/距离（开启延时）开启喷头，在终点B之前设定时间/距离（关闭延时）关闭喷头，期望达到在终点B停止喷射材料的目的。图2所示为分别采用0ms、10ms、30ms、60ms的关闭延时时间扫描三条材料路径的结果，可见在不需要喷射材料的地方仍旧堆积较多的材料；采用延时控制后支架侧面的孔隙得到一定的改善，但仍旧存在材料堆积现象，流涎问题没有完全解决，因此，单纯采用关闭延时的方法并不能解决容积驱动喷头的流涎问题。
因此，有必要提供一种新的容积驱动3D打印流涎控制方法来解决上述问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种容积驱动3D打印流涎控制方法，能够有效的解决喷嘴末端的流涎问题，提高打印成型质量。
本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种容积驱动3D打印流涎控制方法，设置一可上下运动的驱动滑块，所述驱动滑块只能驱动注射器活塞向下运动而不能驱动其向上运动，在喷射时间终点前提前设定时间t关闭喷头，且同时将所述驱动滑块上提d距离，其中d为1~10mm。
进一步的，所述设定时间t为10~100ms。
进一步的，所述驱动滑块与所述注射器活塞为分体式接触连接。
与现有技术相比，本发明一种容积驱动3D打印流涎控制方法的有益效果在于：能够有效的解决喷嘴末端的流涎问题，提高打印成型质量。
【附图说明】
图1a为本发明中应用案例的材料路径的示意图；
图1b为本发明中应用案例的喷头脉冲信号控制示意图；
图1c为本发明中应用案例的喷射成型结果示意图；
图2为分别采用采用0ms、10ms、30ms、60ms延时控制的喷射成型结果示意图；
图3为本发明中未喷射材料情况喷头内液体受力分析示意图；
图4为本发明中挤丝状态喷头分段压力梯度示意图；
图5为本发明中活塞停止下压后压力与流量示意图；
图6为本发明的控制示意图；
图7为采用本发明控制方法分别上提3mm、10mm的喷射成型结果示意图；
图8a为采用本发明控制方法的喷射成型支架的正面结构示意图；
图8b为采用本发明控制方法的喷射成型支架的侧面放大结构示意图。
【
具体实施方式
】
实施例：
流涎原因分析：
图3为喷头未喷射材料状态的受力情况分析。注射器活塞被驱动机构挤压开始向下运动，在材料从喷嘴挤出之前，可以近似认为注射器内液体压力恒定，其大小可以用公式1表示：
（公式1）
其中，为注射器料筒段的半径，为驱动机构对注射器活塞的压力，为活塞重力，为活塞与注射器内表面的摩擦力。
在喷嘴处，液体受到重力、表面张力、大气压力作用，和液体本身的压力保持平衡，即
（公式2）
其中为溶液材料的密度，为液体的高度，为喷嘴的半径，为大气压力，为材料的表面张力系数，为接触角。
材料可以被挤出的临界条件为，由此可以计算出开始喷射材料的临界压力为：
（公式3）
活塞再继续下压，则液体材料可以被挤出到工作台上，开始喷射材料及成形过程。
挤出的高分子溶液/悬液材料属于粘弹性流体，喷射过程的粘滞力会导致轴向压力损失，分析粘滞力的大小对挤出过程异常重要。假设注射器内液体流速以中心最快，越靠近壁面速度越小，在壁面处速度为0。则单位面积粘滞力的大小可用下式表示：
（公式4）
其中，为材料的粘性系数，为壁面处的速度梯度。
直管中径向的速度分布可用下式计算：
（公式5）
其中是沿轴向的压力梯度，是直管的半径，是所在位置的半径。
由公式（5）可以计算出喷射/挤出材料的流量：
（公式6）
由公式（6）又可以推倒出压力梯度的计算公式：
（公式7）
整个喷头可以被分成如图4所示的四段，假设每个直筒段的压力梯度恒定，可见每个阶段的压力损失与、长度、流量和材料的粘度系数成正比。由于四段的半径差距较大，因此可以只考虑喷嘴最细段的压力降。假设喷嘴处挤出材料速度恒定，容积驱动喷头的四个分段中材料的流量恒定，则由式(4)、(5)和(7)可以计算出圆管内单位面积粘滞力的大小：
（公式8）
在圆管的壁面处（此时）粘滞力最大，其值为：
（公式9）
也可以推导出喷嘴最细段的压力降以及喷头内液体实际压力的计算公式：
（公式10）
（公式11）
其中、和分别为喷嘴处喷射速度、喷嘴的半径和最细段长度。可见，喷嘴处喷射速度越快，喷嘴最细段半径越小、尺寸越长，材料的粘度系数越大，则压力降越大。
将实际数值带入上述各公式可估算其各自的数值范围。取水的表面张力系数73×10-3 ，取溶剂的密度1.03×103 ，本实施例中能够使用20mL注射器，取材料长度为0.05，大气压力取1×105 。计算结果如表1所示，前五行数据为常用参数，第六行为极限情况。由此可知，由于粘滞力的影响，材料喷射/挤出的过程通常需要提供比临界压力高约1/10的压力。从这一计算结果也可以看出，容积驱动喷头挤出材料需要的压力小（一般不超过大气压力的1.3倍），对材料的破坏作用相对较小。
表1 容积驱动喷头力学计算结果
粘度()
喷嘴半径()
喷嘴长度()
喷射速度()
表面张力()
最大粘滞力()
压力降()
总压力()
0.824*
0.175
0.2
10
834.3
188.3
430.5
1.0076
0.824
0.1
0.2
10
1460.0
329.6
1318.4
1.0228
0.824
0.1
0.5
20
1460.0
659.2
6592.0
1.0755
0.824
0.1
0.2
20
1460.0
659.2
2636.8
1.0360
6.82**
0.15
0.2
10
973.3
1818.7
4849.8
1.0532
6.82
0.1
0.5
10
1460.0
2728.0
27280.0
1.2824
*20%浓度PLGA（ =9万）零剪切速率时的粘度；
**20%浓度PLGA（ =20万）零剪切速率时的粘度。
此外，使用MSLM工艺成形网格支架时，还需要克服材料堆积过程的阻力，其大小与喷射速度和喷射/扫描速度比相关。假设为此需要提供的压力差值为，则注射器活塞需要给液体提供的实际压力为：
（公式12）
实际上液体在挤出压力（~）的作用下，存在微小变形，由于压力较小，可假设为弹性变形。式(12)中的和分别为注射器内液体的弹性模量和体积应变。
根据上述分析，可以得出流涎主要是由挤出过程的压力与临界压力的差值造成的。注射器内液态材料存在弹性变形，且其中的压力差（）与喷射速度成正比（式（10）），则活塞停止下压后其中的压力不能迅速释放（如图5所示），而是通过继续挤出材料而逐渐减小，同时逐渐减小喷射速度保持动态平衡。直至液体内的压力降为，喷射速度降为0，流涎停止。则注射器内液体从压力降至时，需要挤出的液体总量为：
（公式13）
此外，如图5所示，与喷嘴处相比，注射器料桶段压力的下降存在滞后，这也会加剧流涎现象。克服材料堆积过程的阻力越大，则流涎问题越严重。
喷头内液体压力与临界压力的差值（）与挤出材料速度相关，在成形过程中自发地维持动态平衡，即当增大时（出口阻力减小或者活塞压力增大），注射器会自动增大喷射速度以达到新的平衡，当减小时（出口阻力增大或者活塞压力减小）喷射速度也会相应减小。
由于流涎问题主要是由于喷头中大部分液体压力高于临界压力的部分无法迅速释放造成的。
本实施例控制方法：
基于上述原理，本实施例提供了一种容积驱动3D打印流涎控制方法，其包括设置一可上下运动的驱动滑块，所述驱动滑块只能驱动注射器活塞向下运动而不能驱动其向上运动，在喷射时间终点前提前设定时间t关闭喷头，且同时将所述驱动滑块上提d距离，其中d为1~10mm。
所述设定时间t为10~100ms。
驱动滑块与注射器活塞采用分体安装，只能驱动活塞下降而不能上升。在材料路径结尾处将驱动滑块上提，施加在活塞上的压力被迅速撤除，注射器活塞在压力的作用下迅速上移而使注射器内材料的压力降低到以下，停止喷射材料。
通过本实施例控制方法进行喷射成型的结果如图7-图8b所示，由图7所示的扫描实验结果和图8a、8b所示的支架成形实验结果可以看出，本实施例控制方法能够较好的控制流涎现象，所成形的支架上下表面和侧面均可见较好的贯通孔隙结构，不存在孔隙堵塞和多余材料。
本实施例是基于压力自释放的柔性控制原理，通过在终点B之前设定时间（关闭延时）撤掉注射器活塞上的压力，使液体内部的压力通过向上挤压活塞而减小到临界压力以下，不存在吸入空气的问题。由图3可以得出，压力自释放柔性控制方案能够发挥作用的必要条件为：
（）
（公式14）
可见活塞的重量、活塞与注射器的摩擦力、喷嘴直径、注射器内材料的高度越小越有利，注射器直径越大越有利。此外，材料的表面张力系数也有影响。该喷头可使用的注射器主要为一次性注射器和玻璃注射器，其活塞的重量及与注射器的摩擦力都较小，这在一定程度上保证了该方案能够解决喷头的流涎问题。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。