CN100482433C - 基于旋转轴/管式弹性流体材料微输送方法及其装置 - Google Patents

Abstract

基于旋转轴/管式弹性流体材料微输送方法及其装置，本发明属于材料加工技术领域。利用弹性液体的维森保效应提供动力，通过轴旋转产生包轴效应或者管旋转产生爬杆效应使弹性液体沿轴流动，通过轴尖端定点输运，并可在计算机的控制下完成具有复杂结构的三维实体的堆积成形。基于旋转轴/管式的材料微输送方法可以形成直径在100μm以内，甚至到几个纳米的细丝，适合的材料粘度在0.1Pa·s以上，相对于管式微输送，该方法可以避免弹性液体在微管中流动时产生的出口膨胀现象，并从根本上消除微孔堵塞的可能性，具有良好的开关响应性；相对于蘸笔式的微输送方法，本发明可以连续供料，因而可以成形复杂三维结构。

Description

基于旋转轴/管式弹性流体材料微输送方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种弹性流体材料的微输送方法，属于材料成形及输送技术领域。本发明的方法可应用于熔融沉积成形工艺(Melted Extrusion Modeling，简称MEM，或称为FusedDeposition Modeling，简称FDM)、组织工程载体框架的低温挤压/喷射堆积成形工艺和细胞打印(Cell printing或Organ printing)等多个方面。

背景技术

熔融沉积成形工艺使用的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、树脂、尼龙等高分子材料，材料在喷头内被加热熔化，采用螺旋挤压或者摩擦轮送丝方式将材料以丝挤出，并依靠材料的自粘接性完成三维结构堆积成形：组织工程载体框架低温沉积制造的材料为生物高分子溶液，采用螺旋挤压或气压方式将材料以丝状挤出；对于低粘度材料如水、墨水等可以用喷射方法(例如喷墨打印方法)以微滴方式喷出并完成成形；细胞打印的材料一般是活性高分子材料如海藻酸钠、明胶、壳聚糖等配置成的溶胶，采用活塞注射、气动注射的方式以丝状挤出完成成形。蘸笔纳米刻蚀技术(Dip-Pen Nanolithography，简称DPN)采用原子力显微镜的探针，在针尖上蘸上少量材料后涂敷到特定的基板上，可以形成精度很高的图案。但由于材料输送不连续，因此不能成形三维结构。

微制造、功能器件制造是快速成形和快速制造发展的重要方向之一，其主要特征是成形精度越来越高。对于流体材料成形，出丝宽度(或微滴直径)是一个关键问题。对于粘度很大的高分子材料，如工程塑料的熔融体等一般采用螺旋挤压或摩擦轮送丝的方法完成材料输送，其出丝直径均在200μm以上，而且存在流涎、易堵塞、喷头清理困难等问题。由于其材料粘度很高，当出丝直径减小时出丝阻力将急剧增高，因此依靠减小直径来提高成形精度难度很大。在生物制造领域，复杂器官三维精细结构成形和类组织前体制造是研究热点，其中微孔、微管等目前还难于直接成形。采用活塞注射、气动注射等方法出丝直径在150μm以上，而且存在流涎、易堵塞、出口胀大效应等问题。

目前已有的材料输运方式主要存在以下缺点：一是摩擦轮输送、螺旋挤压、活塞注射、气动注射等材料输运方式均受材料粘度限制。摩擦轮输送、螺旋挤压适合于高粘度的流体成形，粘度一般要在100pa·s以上。粘度过低，就会出现流涎，难以控制成形。活塞注射、气动注射适合于中等粘度的流体成形，粘度一般在10pa·s—50pa·s之间，粘度过低存在流涎，粘度过大，所需压力过大，难以挤出。微滴喷射方法适合于低粘度材料，粘度一般在0.01pa·s以下。二是摩擦轮输送、螺旋挤压、活塞注射、气动注射等材料输运方式所用高分子材料出丝直径过粗。摩擦轮输送、螺旋挤压出丝直径一般在200μm以上，活塞注射、气动注射出丝直径也在150μm以上，难以满足快速成形和生物制造中微结构成形的精度要求。三是摩擦轮输送、螺旋挤压、活塞注射、气动注射等材料输运方式都存在堵塞和难以清理的问题。采用摩擦轮输送、螺旋挤压、活塞注射、气动注射等方式都涉及到粘性流体在微流道中流动的问题，为了提高成形精度，小孔直径一般都在几百微米以内。在这样小的孔中流动，黏性高分子材料容易发生堵塞，影响加工质量。喷头一旦堵塞，清理非常困难。四是弹性流体在管中输运存在出口胀大问题。高分子材料的熔融体、溶液或溶胶一般为弹性流体。在挤出过程中，受压力作用，材料发生体积收缩，一旦挤出管口，由于压力消失，材料发生弹性恢复，体积胀大，出丝直径远大于喷嘴小孔直径。随着喷嘴孔径的减小，活塞注射、气动注射中弹性流体的出口胀大效应越来越明显，即使喷嘴微孔已经在100μm以下，出丝直径也往往在200μm以上。

发明内容

针对现有技术存在的不足和缺陷，本发明的目的是提供一种基于旋转轴/管式弹性流体材料微输送方法及其装置，旨在减小中高粘度高分子材料熔融体、溶液或溶胶的出丝直径，提高成形精度、防止堵塞及避免出口胀大效应等问题，从而为快速成形和生物制造提供新的使能手段。

本发明的技术方案如下：

一种基于旋转轴式弹性流体材料的微输送方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)在静止的管内设置一根与该管同心的旋转芯轴，使芯轴从管的底端中心孔中伸出；所述旋转芯轴与管底端中心孔之间留有间隙；芯轴直径在1mm以内，芯轴尖端在100μm以内；

2)将弹性流体加入管内，通过芯轴旋转产生包轴效应，为弹性流体输运提供动力，推动材料沿芯轴输运，使弹性流体沿芯轴并通过芯轴与管底端中心孔之间的间隙流出。

一种基于旋转管式弹性流体材料的微输送方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)在旋转管内设置一根与该管同心的静止芯轴，使芯轴从管的底端中心孔中伸出；所述芯轴与管底端中心孔之间留有间隙；芯轴直径在1mm以内，芯轴尖端在100μm以内；

2)将弹性流体加入管内，通过使管旋转产生爬杆效应，为弹性流体输运提供动力，推动材料沿芯轴输运，使弹性流体沿芯轴并通过芯轴与管底端中心孔之间的间隙流出。

在上述方法中，所述的管或芯轴的转速为50-3000转/分钟；所述芯轴与管底端中心孔之间的间隙为1—500μm。

所述的弹性流体为高分子材料的熔融体、溶液、溶胶、悬浊液、乳浊液或它们与细胞、生长因子、小分子物质或/和固体微粒的混合物。

本发明提供了一种实施所述基于旋转轴式弹性流体材料的微输送方法的装置，其特征在于：该装置包括一根管，设置在管内且与该管同心的一根旋转芯轴，所述的旋转芯轴通过连轴器与电机的轴相连，且旋转芯轴的一端从管底端的中心孔伸出，芯轴与管底端中心孔之间的间隙为1～500μm，并在管的侧壁设有弹性流体进料管。

本发明还提供了一种实施基于旋转管式弹性流体材料的微输送方法的装置，其特征在于：该装置包括一根旋转管，设置在管内且与该旋转管同心的一根芯轴，所述的旋转管通过软轴或齿轮与电机的轴相连接；所述芯轴的一端从所述旋转管底端的中心孔伸出，芯轴与旋转管底端中心孔之间的间隙为1～500μm；在所述芯轴的上端设有下部为锥形的进料管，在锥面上设有与管内部相通的进料孔。

在本发明所述的第二种方案中，所述的芯轴还可采用空心轴，该空心轴的上端从进料管内部穿过。

本发明的技术特征还在于：在第一种方案或第二种方案中，所述的芯轴上设有叶片。所述芯轴从管底端的中心孔伸出长度小于1mm。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性进步：采用旋转轴/管式弹性流体微输送方法及装置，当芯轴或管的转速在50—3000转/分钟范围内时，可以将粘度在0.01pa·s到100pa·s的弹性流体形成100μm以内的细丝，直到纳米级，显著提高成形精度；相对于管式微输送，该方法可以避免弹性液体在微管中流动时产生的出口膨胀现象，并从根本上消除微孔堵塞的可能性，出丝均匀连续；所述装置结构简单，操作简单方便，具有良好的开关响应性；相对于蘸笔式的微输送方法，本发明可以连续供料，因而可以成形复杂三维结构。

附图说明

图1为维森保效应示意图：图1a为牛顿流体芯轴旋转时液面变化；图1b为弹性液体芯轴旋转时液面变化；图1c为弹性液体桶体旋转时液面变化。

图2为基于包轴效应的弹性流体输送装置结构示意图。

图3为基于爬杆效应的弹性流体输送装置结构示意图。

图4为芯轴采用空心轴的弹性流体输送装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理、结构及具体实施作进一步的说明。

高分子材料的熔融体、溶液或者溶胶一般都是兼具粘性与弹性的液体，即所谓弹性液体，在外力作用下除表现出不可逆形变(粘性流动)外，还发生一定的可回复形变(弹性形变)。旋转轴/管式高分子材料输送装置就是利用弹性液体的维森保效应提供输送动力。维森保(Weissenbeg)现象(见图1)是：如果用一转轴在液体中快速旋转，高分子液体与低分了液体的液面变化明显不同。低分子液体受到离心力的作用，中间部位液面下降，器壁处液面上升；高分子液体受到向心力作用，液体在转轴处是上升的，在转轴上形成相当厚的包轴层，称为包轴效应；当外圆筒旋转时，高分子液体沿固定的棒向上爬，称为爬杆效应。

旋转轴/管式弹性流体微输送装置就是通过轴旋转，产生包轴效应，推动材料沿轴输运(如图1b所示)；或者管旋转，产生爬杆效应，推动材料沿轴输运(如图1c所示)，最终由轴尖输送到指定位置。

基于包轴效应的弹性流体输送装置如图2所示。该装置包括一根管5，设置在管内且与该管同心的一根旋转芯轴6，所述的旋转芯轴通过连轴器2与电机1的轴相连，且旋转芯轴的一端从管底端的中心孔伸出，芯轴与管底端中心孔之间的间隙一般为1～500μm，并在管的侧壁上设有弹性流体进料管3。芯轴6直径一般在1mm以内，芯轴尖端应在100μm以内；并应保证管5与芯轴6同心。芯轴6尖端伸出不易过长，一般在1mm以内为宜。芯轴6可以选择与高分子溶液不浸润的材料或进行表面处理，使材料很容易沿芯轴流下。芯轴6上可设置叶片，叶片4通过粘接或者钎焊与芯轴连成一体，叶片为片状或者涡轮状。当管内径小于10mm时，可以不要叶片。电机1通过联轴器2带动芯轴6旋转，转速范围为50～3000转/分钟。出丝流量与转速相关，芯轴转速越快，出丝流量越大。出丝直径与芯轴直径及笔尖移动速度有关，芯轴直径越小，移动速度越快，出丝直径越小。弹性流体A从管5侧壁进料管3进入管内。

基于爬杆效应的弹性流体输送装置图如图3所示。该装置包括一根旋转管5，设置在管内且与该旋转管同心的一根芯轴6，所述的旋转管通过软轴或齿轮7和10与电机1的轴相连接；所述芯轴6的一端从所述旋转管5底端的中心孔伸出，芯轴与旋转管底端中心孔之间的间隙为1～500μm；在所述芯轴6的上端设有下部为锥形的进料管11，在锥面上设有与管内相通的进料孔8。芯轴6直径一般在1mm以内，轴尖端应在100μm以内；并且保证管5与芯轴6同心。芯轴尖端伸出不易过长，一般在1mm以内为宜。芯轴6上可以设有叶片，叶片4通过粘接或者钎焊与芯轴6连成一体，叶片为片状或者涡轮状。当管内径小于10mm时，可以不要叶片。芯轴6可以选择与高分子溶液不浸润的材料或进行表面处理，使材料很容易沿芯轴流下。大齿轮10在管5上部，与管5做成一体或者通过粘接连成一体。小齿轮7通过粘接与电机1的轴联接。进料管11与芯轴6尽量同心，联接关系为过盈配合或者粘接。进料管11通过轴承9与旋转管5相连。电机1通过大小齿轮传动，带动管5旋转，转速范围为50～3000转/分钟。弹性流体A通过进料管11底端侧面孔8进入管内。出丝流量与转速相关，管转速越快，出丝流量越大。出丝直径与芯轴直径及笔尖移动速度有关，芯轴直径越小，移动速度越快，出丝直径越小。

空心轴弹性流体输送装置示意图如图4所示。在基于爬杆效应的弹性流体输送装置中，将所述的芯轴变为空心轴12，该空心轴12的上端从进料管内部穿过。空心轴12外径一般在1mm以内，内径在800μm以内；轴尖端外径应在100μm以内，内径应在80μm以内；弹性流体A通过进料管11底端侧面孔8进入管内，低粘度流体B从空心轴上端开口进入。弹性流体沿芯轴外表面输运，而低粘度流体沿轴内孔流动，在轴尖端汇合。出丝流量与转速相关，管转速越快，出丝流量越大。出丝直径与轴直径及笔尖移动速度有关，轴直径越小，移动速度越快，出丝直径越小。

Claims (9)

1.一种基于旋转轴式弹性流体材料的微输送方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)在静止的管内设置一根与该管同心的旋转的芯轴，使芯轴从管的底端中心孔中伸出；所述旋转的芯轴与管底端中心孔之间留有间隙；芯轴直径在1mm以内，芯轴尖端在100μm以内；

2)将弹性流体加入管内，通过芯轴旋转产生包轴效应，为弹性流体输运提供动力，推动材料沿芯轴输运，使弹性流体沿芯轴并通过芯轴与管底端中心孔之间的间隙流出。

2.一种基于旋转管式弹性流体材料的微输送方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)在旋转的管内设置一根与该管同心的静止的芯轴，使芯轴从管的底端中心孔中伸出；所述静止的芯轴与管底端中心孔之间留有间隙；芯轴直径在1mm以内，芯轴尖端在100μm以内；

2)将弹性流体加入管内，通过使管旋转产生爬杆效应，为弹性流体输运提供动力，推动材料沿芯轴输运，使弹性流体沿静止的芯轴并通过芯轴与管底端中心孔之间的间隙流出。

3.按照权利1或2所述的方法，其特征在于：所述旋转的管或旋转的芯轴的转速为50-3000转/分钟；芯轴与管底端中心孔之间的间隙为1—500μm。

4.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述的弹性流体为高分子材料的熔融体、溶液、溶胶、悬浊液、乳浊液或它们与细胞、生长因子、小分子物质或/和固体微粒的混合物。

5.一种实施如权利要求1所述方法的装置，其特征在于：该装置包括一根管(5)，设置在管内且与该管同心的一根旋转的芯轴(6)，所述的芯轴直径在1mm以内，芯轴尖端在100μm以内，旋转的芯轴通过连轴器(2)与电机(1)的轴相连，且芯轴的一端从管底端的中心孔伸出，所述芯轴与管底端中心孔之间的间隙为1～500μm，并在管(5)的侧壁上设有弹性流体进料管(3)。

6.一种实施如权利要求2所述方法的装置，其特征在于：该装置包括一根旋转的管(5)，设置在管内且与该管同心的一根静止的芯轴(6)，芯轴直径在1mm以内，芯轴尖端在100μm以内，所述旋转的管通过软轴或齿轮与电机(1)的轴相连接；所述芯轴的一端从所述旋转的管底端的中心孔伸出，芯轴与管底端中心孔之间的间隙为1～500μm；在所述芯轴的上端设有下部为锥形的进料管(11)，在锥面上设有与管内相通的进料孔(8)。

7.按照权利要求6所述的装置，其特征在于：所述的芯轴为空心轴，该空心轴的上端从进料管内部穿过。

8.按照权利要求5、6或7所述的装置，其特征在于：在所述的芯轴(6)上设有叶片(4)。

9.按照权利要求8所述的装置，其特征在于：所述芯轴从管底端的中心孔伸出长度小于1mm。

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