阅读说明：本技术 一种磁活性复合材料结构打印装置 (Magnetic activity combined material structure printing device ) 是由 吴德志 王中宝 吴益根 于 2020-11-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种磁活性复合材料结构打印装置,该装置包括电机驱动电源、高压直流电源、励磁电源、电机、转针、储料筒、收集器及水平运动平台,转针的一端与电机的输出轴同轴连接且另一端置于储料筒内,储料筒远离转针的一端具有一供筒内液体流出的喷嘴,收集器置于喷嘴下方并固定在水平运动平台上,储料筒的外周设有环其缠绕的励磁线圈,高压直流电源的正负输出端分别通过导体连接至储料筒和收集器,电机驱动电源电性连接电机,励磁电源电性连接励磁线圈。它具有如下优点：克服磁性复合材料分散不均匀、不连续、提前固化等缺陷,克服定向链化不充分、不均匀、不连续的弊端,实时改变磁极方向。(The invention discloses a printing device with a magnetic active composite material structure, which comprises a motor driving power supply, a high-voltage direct-current power supply, an excitation power supply, a motor, a rotating needle, a storage barrel, a collector and a horizontal motion platform, wherein one end of the rotating needle is coaxially connected with an output shaft of the motor, the other end of the rotating needle is arranged in the storage barrel, one end of the storage barrel, which is far away from the rotating needle, is provided with a nozzle for liquid in the barrel to flow out, the collector is arranged below the nozzle and fixed on the horizontal motion platform, the periphery of the storage barrel is provided with an excitation coil wound by the ring, the positive output end and the negative output end of the high-voltage direct-current power supply are respectively connected to the storage barrel. It has the following advantages: the defects of uneven dispersion, discontinuity, advanced curing and the like of the magnetic composite material are overcome, the defects of insufficient, uneven and discontinuity of directional chain are overcome, and the magnetic pole direction is changed in real time.)

一种磁活性复合材料结构打印装置

技术领域

本发明涉及一种磁活性复合材料结构打印装置。

背景技术

基于磁活性复合材料的磁驱动是一种很有潜力的新兴驱动方法，因为它是一种非接触形式的能量转移，它允许不受约束的控制，被认为是一种面向生物医学应用的无菌驱动方法。在面向药物输送、微创外科手术等医学应用的微型软体机器人和微流控芯片领域具有重要的应用前景。

磁活性弹性体(MAEs)是一种常用磁活性复合材料，主要是通过将磁性微纳米颗粒填料(如钕铁硼、四氧化三铁颗粒等)分散到软弹性体材料(如Ecof l ex、PDMS等)中来制造的磁活性弹性混合体。通过外磁场诱导磁活性弹性体产生伸长、收缩、弯曲等变形运动。填料的磁化强度、驱动信号和整体形状是影响磁活性弹性体变形模式的主要参数。磁活性弹性体由于其简单、可远程、可逆的致动的特点，是针对封闭空间或聚集环境应用(如介入医疗场景或者微创手术)的微尺度软体机器人的理想材料，因而在生物医学等领域具有潜在的应用价值。

目前磁活性复合材料结构的制造方法主要是人工将磁性微纳米颗粒(如钕铁硼、四氧化三铁颗粒)分散到软弹性体材料，搅拌后在强磁场环境下固化后获得磁活性弹性体功能结构。然而，这种制造方法存在一些弊端，比如磁颗粒在软弹性材料中分散不均、易团聚，而且强磁场环境下固化容易导致磁颗粒功能性定向链化不充分、不均匀、不连续，从而导致磁活性弹性体在外磁场诱导下变形能力较差。

发明内容

本发明提供了一种磁活性复合材料结构打印装置，其克服了背景技术中所述的现有技术的不足。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种磁活性复合材料结构打印装置，它包括电机驱动电源、高压直流电源、励磁电源、电机、转针、储料筒、收集器及能沿水平面横、纵方向运动的水平运动平台，转针的一端与电机的输出轴同轴连接且另一端置于储料筒内，储料筒远离转针的一端具有一供筒内液体流出的喷嘴，收集器置于喷嘴下方并固定在水平运动平台上，储料筒的外周固定绕设有励磁线圈，高压直流电源的正负输出端分别通过导体连接至储料筒和收集器以在储料筒与收集器之间形成高压电场，电机驱动电源电性连接电机给电机供电，励磁电源电性连接励磁线圈。

一实施例之中：该转针所在的中心轴线与储料筒所在的中心轴线重合。

一实施例之中：该励磁线圈的缠绕方向垂直储料筒的中心轴线。

一实施例之中：该励磁电源采用可编程双频电源。

一实施例之中：该转针与电机输出轴之间通过联轴器连接。

一实施例之中：该电机为直流步进电机。

一实施例之中：该喷嘴呈逐渐收口的锥状。

一实施例之中：该储料筒外周壁固定轴套，该励磁线圈缠绕在该轴套上。

一实施例之中：该励磁线圈匝数大于一匝，励磁电流0-10安培。

一实施例之中：还包括升降台，该升降台具有高度可调的两固定夹具，该电机和储料筒分别固定在两固定夹具上。

一种磁活性复合材料结构打印方法，基于上述的一种磁活性复合材料结构打印装置；该方法包括如下步骤：

(1)通过转针的转动搅拌打散储料筒中的磁性复合材料，使复合材料与转针之间形成毛细管流变、剪切变稀；

(2)通过励磁线圈对储料筒中的磁颗粒定向排列；

(3)通过高压直流电源供给的高压电场使储料筒中的复合材料经喷嘴以微细射流的状态喷射在收集器上并在收集器上沉积固化；

(4)通过改变励磁线圈的电流方向或控制水平运动平台的运动方向来改变所打印的磁性复合材料结构的磁极方向。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

1、本发明通过电机带动转针转动对储料筒中高粘度磁性复合材料进行高速搅拌使复合材料与转针之间形成毛细管流变、剪切变稀，从而减小磁性复合材料表面张力，克服磁性复合材料分散不均匀、不连续、提前固化等缺陷，同时被打散后的磁性复合材料从喷嘴流出实现供液，通过调节转针的转速来改变供液速度，实现边供液边搅拌分散。

2、通过给储料筒与收集器之间加压，使在它们之间产生强电场，在强电场作用下，喷嘴流出的复合材料液体会以微细射流的状态流出至下方的可加热收集装置并得到沉积固化，本发明改用电场射流固化的方式可以避免复合材料中磁颗粒功能性定向链化不充分、不均匀、不连续的弊端。

3、通过励磁线圈通电，内部产生定向磁场，使得储料筒内部复合材料的磁颗粒沿磁场方向重新定向排列。

4、通过可编程双频电源给励磁线圈供电，可控制励磁线圈的电流方向，从而实时控制所打印的磁活性复合材料结构器件的磁极方向。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本实施例所述的磁活性复合材料结构打印装置的结构示意图。

图2为本实施例所述的磁活性复合材料结构打印装置的工作原理图。

具体实施方式

请查阅图1，一种磁活性复合材料结构打印装置，它包括电机驱动电源1、高压直流电源13、励磁电源7、电机2、转针4、储料筒5、收集器10及能沿水平面横、纵方向运动的水平运动平台11。

转针4的一端与电机2的输出轴同轴连接且另一端置于储料筒5内，该转针4与电机2输出轴之间可通过联轴器3连接，本实施例中，该转针4所在的中心轴线与储料筒5所在的中心轴线重合。

储料筒5远离转针4的一端具有一供筒内液体流出的喷嘴9，本实施例中，喷嘴9呈逐渐收口的锥状。收集器10置于喷嘴9下方并固定在水平运动平台11上，收集器10通常为可加热收集器。

储料筒5的外周固定绕设有励磁线圈6，一般情况下，该励磁线圈6的缠绕匝数大于一匝，励磁电流为0-10安培。该励磁线圈6的缠绕方向垂直储料筒5的中心轴线。本实施例中，励磁线圈6采用0.35mm漆包线绕制，匝数700匝，内径10mm,外径30mm。该储料筒5外周壁固定轴套8，该励磁线圈6缠绕在该轴套8上。

高压直流电源13(如型号LWRC2020P10-150)的正负输出端分别通过导体连接至储料筒5和收集器10以在储料筒5与收集器10之间形成高压电场，电机驱动电源1电性连接电机2给电机供电，励磁电源7电性连接励磁线圈6。本实施例中，该励磁电源7采用可编程双频电源(如型号N8350)，该电机2为直流步进电机。

该转针4、轴套8、储料筒5、喷嘴9和收集器10均为非磁性材料制成，可为但不局限于光敏树脂、PET塑料等制成。

该打印装置还包括升降台12，该升降台具有高度可调的两固定夹具121、122，该电机2和储料筒5分别固定在两固定夹具121、122上。通过水平运动平台11可实现磁性复合材料结构水平面上的二维打印，通过升降台12对两固定夹具121、122的高度调节控制储料筒5和/或电机2的高度来实现磁性复合材料结构高度方向上的打印，最终实现三维打印。该升降台12可采用双工位的精密升降台，实现对电机及储料筒高度的分别控制。

一种磁活性复合材料结构打印方法，基于上述的一种磁活性复合材料结构打印装置；该方法包括如下步骤：

(1)通过转针的转动搅拌打散储料筒中的磁性复合材料，使复合材料与转针之间形成毛细管流变、剪切变稀；

(2)通过励磁线圈对储料筒中的磁颗粒14定向排列；

(3)通过高压直流电源供给的高压电场使储料筒中的复合材料经喷嘴以微细射流的状态喷射在收集器上并在收集器上沉积固化；

(4)通过改变励磁线圈的电流方向或控制水平运动平台的运动方向来改变所打印的磁性复合材料结构的磁极方向。

请查阅图2，基于本实施例所述的磁活性复合材料结构打印装置的打印过程为：储料筒5装入具有磁颗粒14的磁性复合材料，可编程双频电源给励磁线圈6通入0-3A电流，线圈内部产生定向磁场，使得储料筒5内部的复合材料中的磁颗粒14(直径约5um的四氧化三铁颗粒)沿磁场方向B重新排列；同时直流步进电机带动转针高速转动，使储料筒5内部复合材料从喷嘴9中流出实现供液，在高压直流电源13产生的强电场作用下，使喷嘴9产生微细射流并沉积固化在可加热收集器上。通过调节转针4转速来改变供液速度，通过可编程双频电源控制励磁线圈6的电流方向或者控制水平运动平台11的运动方向可控制所打印磁活性复合材料结构的磁极方向。为了实现智能制造，该水平运动平台11可与智能控制模块连接并受智能控制模块的控制，实现可编程控制的图案化磁活性复合材料结构的打印，提高磁活性复合材料结构的生产效率、降低制造成本。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。