CN103737931A - 基于数控铣床的生物3d打印试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于数控铣床的生物3D打印试验平台。包括数控铣床、活塞挤出供料装置、专用连接件，其中专用连接件与数控铣床的锥柄以螺纹形式连接，可以充分利用数控铣床的CNC系统、高精度及高稳定性来制备理想轮廓的组织工程支架。该发明的生物3D打印试验平台，基于对数控铣床的改造，变传统的减式制造为3D打印增量制造，可以不受材料的限制，且精度高、成本低、拆装方便，可以实现组织工程支架的工业化生产，对组织损伤的修复具有重大的现实意义。

Description

基于数控铣床的生物3D打印试验平台

技术领域

本发明涉及基于数控铣床的生物3D打印试验平台，属于生物制造领域。

背景技术

各种原因导致的组织器官缺损或功能障碍是危害人类健康的主要病因，也是导致患者死亡的主要原因之一，组织器官缺损的修复和功能重建是医学领域面临的挑战。传统治疗手段往往需要牺牲自体组织进行移植修复，容易导致供区的创伤和功能受限，是一种“以创伤修复创伤”的无奈之举，而异体组织器官移植因缺乏合适的供体而受到极大的限制。随着医学科学的发展，组织器官缺损的治疗理念已逐渐从组织移植向组织再生模式转变。组织工程学，作为再生医学的重要组成部分和组织再生的重要手段，在近二十多年来得到迅速发展。从人体获取少量自体组织，提取种子细胞并经过体外扩增后种植到支架材料上，经过体外培养形成工程化组织后再植入体内，修复相关组织缺损并恢复原有功能，这样的组织再生模式可以避免以创伤修复创伤的缺陷，有望真正实现无创或微创的组织器官再生和功能重建。

组织工程学的三要素：种子细胞，组织工程支架，生长因子。其中组织工程支架的作用非常关键，但目前的制备方法还存在以下不足。

传统制备组织工程支架的方法包括制备组织工程支架可采用很多方法。传统的方法包括纤维粘合法、溶剂浇铸法/颗粒滤粒法、熔融法、气体发泡法、相分离法、烧结微球法等。传统制备组织工程支架的方法相对比较成熟，但是利用传统方法制备的支架已不能很好的满足组织工程学对支架的要求，例如力学强度、孔隙率、孔隙之间的贯通率与微观孔形状和分布的可控性，这些性能的缺陷很大程度的影响到细胞植入支架后的生长和组织的血管化。

3D打印制造技术，如SLS、SLA、3DP、FDM等工艺虽然能够设计出宏观结构与缺损组织几乎完全相同的三维结构支架，但是这些制造工艺都是针对工业领域，且能使用的材料有限，无法满足组织工程领域对支架材料的要求，限制了这些工艺在组织工程学领域的应用。

基于以上原因，目前国内外有关组织工程支架的制造研究者都在努力搭建自己的生物3D打印试验平台，但在搭建的过程中往往会遇到精度和成本等多方面的问题。

为此，本发明这一基于数控铣床的生物3D打印试验平台，使得在制备组织工程支架方面具有无法比拟的优势，且成本低廉，易于实现。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的利用传统制备组织工程支架的方法，制备出的支架不能很好的满足组织工程学对支架的要求、利用现有的3D打印制造技术无法满足组织工程领域对支架材料的要求及目前国内外有关组织工程支架的制造研究者自己搭建的生物实验平台因精度等原因而无法满足支架特定轮廓结构要求等方面的不足，提供基于数控铣床的生物3D打印试验平台，该试验平台可以适用于多种可降解生物材料，特别还适合于热熔高分子材料，其充分利用了数控铣床的CNC系统，可以精确地走出形状比较复杂的轮廓，从而能够制备出具有特定轮廓结构要求的组织工程支架。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的基于数控铣床的生物3D打印试验平台，包括：一台数控铣床，其特征在于：还有一台活塞挤出供料装置和一个专用连接件，通过所述专用连接件把活塞挤出供料装置与数控铣床的锥柄以螺纹形式连接，从而得到一种生物3D打印试验平台，能够充分利用数控铣床的CNC系统，使活塞挤出供料装置通过数控铣床的编程精确地沿X/Y/Z三个方向走出形状复杂的路径，同时由单片机控制活塞挤出供料装置而挤出生物材料沉积在接收台上，从而实现制备出理想的组织工程支架。

所述活塞挤出供料装置包括挤出供料模块、供料控制器模块和供料检测模块，所述挤出供料模块连接供料控制器模块和供料检测模块，供料检测模块连接供料控制器模块，形成控制环路系统。

所述专用连接件，由一个内螺纹管状件和一个支撑板组成，所述内螺纹管状件的一端通过4个螺栓与支撑板的一端连接；内螺纹管状件的另一端的螺纹孔与数控机床的锥柄螺纹端旋接，支撑板的另一端与活塞挤出供料装置通过螺栓固定连接。

所述挤出供料模块由推进机构、喷头机构和加热保温机构组成，所述推进机构联接传动喷头机构，加热保温机构对喷头机构进行包裹保温。

所述推进机构包括步进电机、电机连接法兰、联轴器、前支撑板、光杆连接推板、丝杠螺母、基板、滚珠丝杠、后支撑板、轴承、连接板、连接螺母、称重传感器和螺母；所述步进电机安装在电机连接法兰上，步进电机的输出轴通过一个联轴器与一根滚珠丝杠连接，与该滚珠丝杠旋配的一个丝杠螺母，该丝杠螺母与光杆连接推板连接；所述光杆连接推板通过螺母与称重传感器连接；所述连接螺母用于称重传感器与一根活塞轴相连接；所述步进电机通过连接法兰固定在基板上；所述滚珠丝杠两端分别通过轴承支承于前支撑板和后支撑板上；所述连接板固定在基板上，活塞轴为喷头机构中一个金属注射器的注射推杆。

所述喷头机构和加热保温机构包括金属注射器、温控器的热电偶、电加热棒、全钢喷嘴和加热罩；所述金属注射器固定在连接板上，全钢喷嘴与金属注射器出料口连接；所述加热罩套在金属注射器外面，并固定于连接板上；所述温控器的热电偶和电加热棒固定在加热罩上。

所述供料控制模块包括PC机、PLC和单片机，PLC连接称重传感器和2个限位开关，用于实时采集拉压力信号和限位开关信号，通过以太网与PC机上的iFIX组态软件通讯；单片机连接步进电机，控制步进电机启停、转速和转向，通过串口方式与PC机通讯；PC机通过以太网和PLC连接及通过串口方式与单片机连接，用于运行iFIX组态软件及与单片机通讯。

所述供料检测模块，包括所述称重传感器和2个限位开关，所述称重传感器一端通过连接螺母与活塞轴连接，另一端再通过一个螺母与光杆连接推板连接，用于检测推进压力值；2个限位开关，一个安装在前支撑板上，另一个安装在后支撑板上，用于推进机构的极限位置的检测。

本发明与现有技术相比较具有以下突出实质性特点和显著技术进步：

·         本发明的基于数控铣床的生物3D打印试验平台，充分利用了数控铣床的CNC系统、高精度、高可控性、高稳定性，且整个改装过程简单易行，比现有的组织工程支架制备技术具有明显的优势，并易于实现工业自动化；

·         本发明的基于数控铣床的生物3D打印试验平台克服了现有的3D打印制造技术，如SLS、SLA、3DP、FDM等工艺无法满足组织工程领域对支架材料的要求；

·         本发明的基于数控铣床的生物3D打印试验平台克服了传统制备组织工程支架不能很好的满足组织工程学对支架的要求；

·         本发明的基于数控铣床的生物3D打印试验平台，活塞挤出供料装置和连接零件都是模块化的，整个试验平台易于拆装，维修方便；

·         本发明的基于数控铣床的生物3D打印试验平台，不仅可以做低温生物材料的组织工程支架成形，而且可以做热熔高分子生物材料的组织工程支架成形。

附图说明

图1为本发明基于数控铣床的生物3D打印试验平台结构总图

图2为本发明带有与数控铣床连接零件的自制活塞挤出供料装置示意图

图3为本发明活塞挤出供料装置组成示意图

图4为本发明活塞挤出供料装置控制示意图

图5为本发明活塞挤出供料装置与数控铣床的锥柄的连接零件示意图

图6为本发明活塞挤出供料装置结构总图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：

参见图1 ~图6，本基于数控铣床的生物3D打印试验平台包括：一台数控铣床（Ⅰ），其特征在于：还有一台活塞挤出供料装置（Ⅱ）和一个专用连接件（Ⅲ），通过所述专用连接件（Ⅲ）把活塞挤出供料装置与数控铣床（Ⅰ）的锥柄以螺纹形式连接，从而得到一种生物3D打印试验平台，能够充分利用数控铣床（Ⅰ）的CNC系统，使活塞挤出供料装置（Ⅱ）通过数控铣床的编程精确地沿X/Y/Z三个方向走出形状复杂的路径，同时由单片机（29）控制活塞挤出供料装置（Ⅱ）而挤出生物材料沉积在接收台上，从而实现制备出理想的组织工程支架。

 

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述活塞挤出供料装置（Ⅱ）包括挤出供料模块（21）、供料控制器模块（22）和供料检测模块（23），所述挤出供料模块（21）连接供料控制器模块（22）和供料检测模块（23），供料检测模块（23）连接供料控制器模块（22），形成控制环路系统。

所述专用连接件（Ⅲ），由一个内螺纹管状件（31）和一个支撑板（32）组成；所述内螺纹管状件（31）的一端通过4个螺栓与支撑板（32）的一端连接，内螺纹管状件（31）的另一端的螺纹孔与数控机床（Ⅰ）的锥柄螺纹端旋接，支撑板（32）的另一端与活塞挤出供料装置（Ⅱ）通过螺栓固定连接。

所述挤出供料模块（21）由推进机构（24）、喷头机构（25）和加热保温机构（26）组成，所述推进机构（24）联接传动喷头机构（24），加热保温机构对喷头机构（24）进行包裹保温。

所述推进机构（24）包括步进电机（1）、电机连接法兰（2）、联轴器（3）、前支撑板（4）、光杆连接推板（5）、丝杠螺母（6）、基板（7）、滚珠丝杠（8）、后支撑板（9）、轴承（10）、连接板（15）、连接螺母（18）、称重传感器（19）和螺母（20）；所述步进电机（1）安装在电机连接法兰（2）上，步进电机（1）的输出轴通过一个联轴器（3）与一根滚珠丝杠（8）连接，与该滚珠丝杠（8）旋配的一个丝杠螺母（6），该丝杠螺母（6）与光杆连接推板（5）连接；所述光杆连接推板（5）通过螺母（20）与称重传感器（19）连接；所述连接螺母（18）用于称重传感器（19）与一根活塞轴（17）相连接；所述步进电机（1）通过连接法兰（2）固定在基板（7）上；所述滚珠丝杠（8）两端分别通过轴承（10）支承于前支撑板（4）和后支撑板（9）上；所述连接板（15）固定在基板（7）上，活塞轴（17）为喷头机构（25）中一个金属注射器（16）的注射推杆。

所述喷头机构（25）和加热保温机构（26）包括金属注射器（16）、温控器的热电偶（11）、电加热棒（12）、全钢喷嘴（13）和加热罩（14）；所述金属注射器（16）固定在连接板（15）上，全钢喷嘴（13）与金属注射器（16）出料口连接；所述加热罩（14）套在金属注射器（16）外面，并固定于连接板（15）上；所述温控器的热电偶（11）和电加热棒（12）固定在加热罩（14）上。

所述供料控制模块（22）包括PC机（27）、PLC（28）和单片机（29），PLC（28）连接称重传感器（19）和2个限位开关（30），用于实时采集拉压力信号和限位开关信号，通过以太网与PC机（27）上的iFIX组态软件通讯；单片机（29）连接步进电机（1），控制步进电机（1）启停、转速和转向，通过串口方式与PC机（27）通讯；PC机（27）通过以太网和PLC（28）连接及通过串口方式与单片机（29）连接，用于运行iFIX组态软件及与单片机（29）通讯。

所述供料检测模块（23），包括所述称重传感器（19）和2个限位开关（30），所述称重传感器（19）一端通过连接螺母（18）与活塞轴（17）连接，另一端再通过一个螺母（20）与光杆连接推板（5）连接，用于检测推进压力值；2个限位开关（30），一个安装在前支撑板（4）上，另一个安装在后支撑板（9）上，用于推进机构（24）的极限位置的检测。

本实施例结合附图，具体操作步骤详述如下：

1）制备活塞挤出供料装置：活塞挤出供料装置由供料推进机构（24）、喷头机构（25）、加热保温机构（26）、供料控制器模块（22）、供料检测模块（23）装配组成。其中供料推进机构（24）由步进电机（1）、电机连接法兰（2）、联轴器（3）、前支撑板（4）、光杆连接推板（5）、丝杠螺母（6）、基板（7）、滚珠丝杠（8）、后支撑板（9）、轴承（10）、连接板（15）、连接螺母（18）、称重传感器（19）、螺母（20）组成；喷头机构（25）和加热保温机构（26）由金属注射器（16）、全钢喷嘴（13）、加热棒（12）、温控器的热电偶（11）、加热罩（14）、活塞轴（17）组成；活塞挤出供料装置的所有部件的装配关系如说明书附图6所示。供料控制器模块（22）包括：PC（27）机、PLC（28）和单片机（29）；供料检测模块（23）包括称重传感器（19）和限位开关（30），活塞挤出供料装置组成如说明书附图3所示。活塞挤出供料装置各部件的型号如下表1所示。

 

表1 活塞挤出供料装置各部件的型号

名称	步进电机	滚珠丝杠	金属注射器	联轴器	全钢针头
						型号	42BYGH4417	THK1002-3	φ25mm	BF-D20L30-5*5	22号 外径0.7mm
名称	电加热棒	温控器热电偶	单片机	称重传感器	限位开关
						型号	φ6.0mm*L20.0mm	RKCREX-C700	LY-51S	JLBM-50kg	欧姆龙SS-5GL2

2）搭建活塞挤出供料装置控制部分：活塞挤出供料装置的称重传感器（19）和限位开关（30）的控制器为PLC（28），型号为通用电气公司的RX3i，驱动步进电机（1）的控制器为单片机（29），型号为LY-51S，活塞挤出供料装置控制示意图如说明书附图4所示。

3）制造活塞挤出供料装置与数控铣床的锥柄的专用连接件：通过测量6540型号数控铣床锥柄的几何尺寸以及活塞挤出供料装置的尺寸，设计的专用连接件为带有与数控铣床锥柄外螺纹相匹配的内螺纹的管状件（31）和支撑板（32）连接组成，其材料为铝合金，易于加工，同时要能满足供料装置的要求，专用连接件示意图如说明书附图5所示。

4）组装成一套生物3D打印试验平台：把制造好的活塞挤出供料装置，装配好专用连接件（如说明书附图2所示），然后通过专用连接件的内螺纹孔与锥柄的外螺纹孔连接，就组成了一套生物3D打印试验平台，如说明书附图1所示。

上述只是本发明优选的实施方式，但不构成对本发明的限制，只要是采用与本发明等同的技术方案也应当在本发明的保护范围之内。 

Claims (8)

1.基于数控铣床的生物3D打印试验平台，包括：一台数控铣床（Ⅰ），其特征在于：还有一台活塞挤出供料装置（Ⅱ）和一个专用连接件（Ⅲ），通过所述专用连接件（Ⅲ）把活塞挤出供料装置与数控铣床（Ⅰ）的锥柄以螺纹形式连接，从而得到一种生物3D打印试验平台，能够充分利用数控铣床（Ⅰ）的CNC系统，使活塞挤出供料装置（Ⅱ）通过数控铣床的编程精确地沿X/Y/Z三个方向走出形状复杂的路径，同时由单片机（29）控制活塞挤出供料装置（Ⅱ）而挤出生物材料沉积在接收台上，从而实现制备出理想的组织工程支架。

2.如权利要求1所述的基于数控铣床的生物3D打印试验平台，其特征在于：所述活塞挤出供料装置（Ⅱ）包括挤出供料模块（21）、供料控制器模块（22）和供料检测模块（23），所述挤出供料模块（21）连接供料控制器模块（22）和供料检测模块（23），供料检测模块（23）连接供料控制器模块（22），形成控制环路系统。

3.如权利要求1所述的基于数控铣床的生物3D打印试验平台，其特征在于：所述专用连接件（Ⅲ），由一个内螺纹管状件（31）和一个支撑板（32）组成，所述内螺纹管状件（31）的一端通过4个螺栓与支撑板（32）的一端连接；内螺纹管状件（31）的另一端的螺纹孔与数控机床（Ⅰ）的锥柄螺纹端旋接，支撑板（32）的另一端与活塞挤出供料装置（Ⅱ）通过螺栓固定连接。

4.如权利要求2所述的基于数控铣床的生物3D打印试验平台，其特征在于：所述挤出供料模块（21）由推进机构（24）、喷头机构（25）和加热保温机构（26）组成，所述推进机构（24）联接传动喷头机构（24），加热保温机构对喷头机构（24）进行包裹保温。

5.如权利要求4所述的基于数控铣床的生物3D打印试验平台，其特征在于：所述推进机构（24）包括步进电机（1）、电机连接法兰（2）、联轴器（3）、前支撑板（4）、光杆连接推板（5）、丝杠螺母（6）、基板（7）、滚珠丝杠（8）、后支撑板（9）、轴承（10）、连接板（15）、连接螺母（18）、称重传感器（19）和螺母（20）；所述步进电机（1）安装在电机连接法兰（2）上，步进电机（1）的输出轴通过一个联轴器（3）与一根滚珠丝杠（8）连接，与该滚珠丝杠（8）旋配的一个丝杠螺母（6），该丝杠螺母（6）与光杆连接推板（5）连接；所述光杆连接推板（5）通过螺母（20）与称重传感器（19）连接；所述连接螺母（18）用于称重传感器（19）与一根活塞轴（17）相连接；所述电机（1）通过连接法兰（2）固定在基板（7）上；所述滚珠丝杠（8）两端分别通过轴承（10）支承于前支撑板（4）和后支撑板（9）上；所述连接板（15）固定在基板（7）上，活塞轴（17）为喷头机构（25）中一个金属注射器（16）的注射推杆。

6. 如权利要求5所述的基于数控铣床的生物3D打印试验平台，其特征在于：所述喷头机构（25）和加热保温机构（26）包括金属注射器（16）、温控器的热电偶（11）、电加热棒（12）、全钢喷嘴（13）和加热罩（14）；所述金属注射器（16）固定在连接板（15）上，全钢喷嘴（13）与金属注射器（16）出料口连接；所述加热罩（14）套在金属注射器（16）外面，并固定于连接板（15）上；所述温控器的热电偶（11）和电加热棒（12）固定在加热罩（14）上。

7.如权利要求5所述的基于数控铣床的生物3D打印试验平台，其特征在于：所述供料控制模块（22）包括PC机（27）、PLC（28）和单片机（29），PLC（28）连接称重传感器（19）和2个限位开关（30），用于实时采集拉压力信号和限位开关信号，通过以太网与PC机（27）上的iFIX组态软件通讯；单片机（29）连接步进电机（1），控制步进电机（1）启停、转速和转向，通过串口方式与PC机（27）通讯；PC机（27）通过以太网和PLC（28）连接及通过串口方式与单片机（29）连接，用于运行iFIX组态软件及与单片机（29）通讯。

8.如权利要求5所述的基于数控铣床的生物3D打印试验平台，其特征在于：所述供料检测模块（23），包括所述称重传感器（19）和2个限位开关（30）；所述称重传感器（19）一端通过连接螺母（18）与活塞轴（17）连接，另一端再通过一个螺母（20）与光杆连接推板（5）连接，用于检测推进压力值；2个限位开关（30），一个安装在前支撑板（4）上，另一个安装在后支撑板（9）上，用于推进机构（24）的极限位置的检测。

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