CN104441655A

CN104441655A - 静电拉丝三维打印系统

Info

Publication number: CN104441655A
Application number: CN201410587053.8A
Authority: CN
Inventors: 谭志凯; 王洪杰; 谭拥军
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2014-10-28
Filing date: 2014-10-28
Publication date: 2015-03-25

Abstract

本发明属于材料打印和三维成型技术领域，整套系统由以下部分构建组成(1)材料挤出装置；(2)可更换打印喷头；(3)高压电场控制装置；(4)三维移动平台；(5)环境控制装置；(6)喷嘴辅热装置；(7)摄像头和光源。不同于传统的以产生液滴为目的打印方法，该系统直接利用高压静电场配合气动挤出、三维收集和环境控制等辅助手段，直接产生连续的细丝状材料进行打印。在采用同样尺寸喷嘴工作的情况下，打印产物尺寸远小于传统喷墨和熔融挤出法，成型精度能提高一个量级以上，而且喷头不易堵塞。通过三维联动，能对材料进行精密三维打印堆积成型。

Description

静电拉丝三维打印系统

技术领域

该系统可用于用于多种材料的高精度、无损和快速三维打印；

可应用于组织工程的快速制备，进行人工组织(血管、软骨等)的个性化三维成型；

可用于生物材料支架的3D打印，生化芯片的快速制备，细胞培养基的打印等。

背景技术

目前常用的打印技术有挤出成型、喷墨打印过程和静电喷雾打印。其中挤出成型、喷墨打印过程液体直接挤出，不施加高压静电场，所得产物为液滴，尺寸与管径相仿或略大。(b)静电喷雾打印时，虽施加高压静电场，不需要挤出压，但所得产物为不同尺寸的小液滴，比管径低一个量级。因此急需解决打印产物直径受针头尺寸影像的问题。同时传统打印技术无法加载活性单元的问题也急需解决。

发明内容

而静电拉丝三维打印，在过程施加高压静电场，需要挤出压以及拉丝收集底座，产物为尺寸均匀的细丝，比管径小一个量级以上。因此解决了丝的直径受管径限制的影响。

针对现有技术的不足，本发明旨在发明一种可以控制拉丝尺寸并实现三维成型的技术。该拉丝均是一些带电的生物相容性好的材料，可以混入细胞实现细胞三维打印。也可打印培养基，实现为3D培养的细胞提供营养物质。同时也可以加入药物和细胞，检测药物对单个细胞的影响。

与现有技术相比，本发明的优势在于:

1.可以控制产物的尺寸，解决了传统材料打印和挤出成型法中挤出丝的直径受针头直径限制和易堵塞的问题；

2.解决了传统材料打印方法不能使用以细胞为代表的活体材料的问题；

3.解决了在已知组织器官的三维数字模型的基础上，不能定位装配活细胞/材料单元，制造活体组织或器官的问题。

附图说明

图1是本系统的结构示意图；

图2是对不同打印方法的比较研究(采用同样的喷嘴系统，内径约为100微米)。(a)挤出成型和喷墨打印过程，(b)静电喷雾打印过程，(c)是静电拉丝打印过程。

图3所示是针管内径为210微米，用聚氧乙烯(分子量约为30万)乙酸溶液时打印的图形。(a)施加高压静电场为2000V。(b)调节电压得到拉丝直径不同的三维图形。

具体实施方式

下面结合实例对本发明技术进行进一步说明。

如图1所述本发明发明包括：1.气压控制材料挤出装置，用于定速输出打印材料；2.可更换的，用于不同材料打印的打印喷头；3.高压控制源，在打印过程中，提供高压静电场，使从针头挤出的材料受电场力，同时在重力和表面张力等力的作用下拉丝成型，并使拉出的细丝比喷嘴内径小一个数量级以上；4.三维移动平台，用于材料堆积成型的控制，使材料堆积形成不同的图形，以及三维复杂成型。5.环境控制装置，用于材料的前期处理和打印成型件的后处理，并使打印过程处于合适的温度和湿度中。6.喷嘴辅热装置，用于温度控制，调节打印温度至活性材料最适温度。

打印过程中，首先通过1的作用，将含有带电离子的生物材料从打印喷头2中挤出。同时高压控制源3在打印喷头和接收平台之间形成高压静电场。因此打印出的材料收到电场力、表面张力、电场力等力的共同作用。各力达到平衡后便形成了内径比针头内径小一个尺寸以上的细丝。同时三维移动平台4由电脑控制移，形成不同图案和立体图形。在整个过程中6用来达到合适的喷嘴温度，5来控制整个环境的温度和湿度。7来实时观察打印状态。如图3所示是针管内径为210微米，用聚氧乙烯(分子量约为30万)乙酸溶液用上述方法打印的图形。

上述以较佳实例公开了本静电拉丝3D打印系统，然其并非用以限制本发明技术，凡采用等同替换或者等效替换方式所获得的技术方案，均落在本发明打印技术的保护范围之内。

Claims

1.本材料打印成型系统包括(1)材料挤出装置，用于定速输出打印材料；(2)可更换打印喷头，用于不同材料的打印，可打印单种材料，也可以同时打印多种材料；(3)高压电场控制装置，用于打印过程的控制，克服打印材料的表面张力，形成细丝。(4)三维移动平台，用于材料堆积成型的控制；(5)环境控制装置，用于材料的前期处理和打印成型件的后处理：(6)喷嘴辅热装置，用于控制喷嘴温度，调节喷嘴温度至活性材料最适温度。(7)摄像头和光源，用于实时观察打印情况。

2.根据权利要求1所述的材料打印成型系统，其特征是，利用高压静电场配合气动挤出、三维收集和环境控制等辅助手段，直接产生连续的精细丝状材料进行打印。在采用同样尺寸喷嘴工作的情况下，打印产物尺寸远小于传统喷墨和熔融挤出法，成型精度能提高一个量级以上，而且喷头不易堵塞。

3.根据权利要求1所述的材料打印成型系统的材料挤出装置，其特征是可将以细胞为代表的活体材料进行直接打印成型，不损害材料本身活性。

4.根据权利要求1所述的材料打印成型系统的三维移动平台，其特征是，在已知的三维数字模型的基础上(如活体组织或器官)，可以形成不同速度、形状的三维复杂移动，定位装配活细胞/材料单元，进行三维打印成型。