CN105881908A - 光热复合固化3d打印设备及其曲面原位打印方法 - Google Patents

光热复合固化3d打印设备及其曲面原位打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光热复合固化3D打印设备及其曲面原位打印方法。该设备由两套喷头系统、三维运动平台、两套送料装置以及计算机组成。进一步，两套喷头系统分别为光固化成形喷头系统和温度固化成形喷头系统，可以实现两种成形工艺的协同打印。曲面原位打印方法中曲面是指采用与传统3D打印平面分层方法不同的曲面分层方法，在曲面上的打印；原位打印是指在义肢曲面缺损处直接打印。通过扫描义肢曲面缺损建立缺损三维模型，根据缺损的大小和形状生成打印路径，进而控制喷头进行三轴联动，实现喷头沿缺损面运动，完成原位打印。进一步，该设备及方法可用于曲面原位打印类皮肤结构和类软骨结构方面的研究。

Description

光热复合固化3D打印设备及其曲面原位打印方法
技术领域：
本发明属于机械自动化与生物技术和组织工程的交叉领域，具体涉及一种光热复合固化3D打印设备及其曲面原位打印方法。
背景技术：
随着3D打印技术的发展，其在生物工程领域的应用越来越得到重视。因此使用于生物工程的3D打印机也渐渐问世。已有的双喷头打印设备基本采用相同工艺，只是增加喷头个数，而不能实现不同成型工艺材料的协同打印，这并不能满足逐渐发展起来的生物打印的需求。
传统的3D打印时通过在水平面内将模型分层，实现逐层打印。打印过程中只需在平面内实现XY两轴运动，这在传统的应用领域是满足需求的。但将其应用于生物打印领域，就需要实现结构更加特殊和精确的打印，因此需要一种能实现在曲面分层，三轴联动的原位打印方法，可以在特定的部位直接打印成型。
以皮肤打印为例，根据美国军方统计，战场上10％-30％的伤情为皮肤损伤，而现有的人造皮肤的不足之处在于，没有根据病人的具体部位定制皮肤的大小及形状。人体皮肤受损部位的表面形状一般都为曲面，且凹凸不一，因此平面人造皮肤，虽然具有一定的弹性，但在颈部、肩部等表面曲率较大的部位，人造皮肤较难完全覆盖贴合。并且在进行人造皮肤移植时，需要进行反复的裁剪修剪，材料利用率低，皮肤损伤不能立即处理修复，病人的治疗周期较长，过程痛苦。
发明内容：
本发明的目的在于克服以上不足，提出了一种光热复合固化3D打印设备及其曲面原位打印方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：
光热复合固化3D打印设备，包括两套喷头系统、三维运动平台、两套送料装置以及计算机组成；其中，
两套喷头系统分别为光固化工艺喷头系统和温度固化工艺喷头系统，且两套喷头系统的喷头均安装在三维运动平台上，实现X/Y/Z三轴运动；两套送料装置分别用于为两套喷头系统供料；计算机用于控制三维运动平台实现曲面原位打印。
本发明进一步的改进在于：光固化工艺喷头系统包括微量电磁阀、光固化紫外灯、储液箱和氮气罐，其中，氮气罐的出口通过储液箱和微量电磁阀的入口相连，微量电磁阀和光固化紫外灯均安装在三维运动平台上，且微量电磁阀的喷头出口朝下。
本发明进一步的改进在于：光固化工艺喷头系统还包括设置在氮气罐与储液箱之间的管路上的减压阀，通过减压阀调节微量电磁阀的背压，且背压范围在0.01-0.1MPa。
本发明进一步的改进在于：微量电磁阀用来打印光固化材料，其液滴直径在300-500μm，光固化紫外灯使液滴在打印后0.5-2s固化。
本发明进一步的改进在于：温度固化工艺喷头系统包括安装在三维运动平台上的温度固化喷头，与温度固化喷头相连的注射器，以及用于为注射器提供动力的注射泵。
本发明进一步的改进在于：温度固化喷头包括由加热层形成的密封腔体，与密封腔体相连通的针头，以及设置在密封腔体内用于将密封腔体分为两部分的隔离活塞，其中，靠近针头的密封腔体内用来填充温度固化材料，另一部分密封腔体、注射器内以及连接两部分的管道内均用于填充超纯水。
本发明进一步的改进在于：温度固化工艺中通过控制加热层的温度，挤出半成胶状态的温度固化材料，直径在200-500μm。
本发明进一步的改进在于：三维运动平台通过三个步进电机实现三轴运动，通过编码器或光栅实现位置反馈；根据两个喷头具有固定的相对位置，实现两套喷头系统的协同打印；打印过程中转换喷头时，将需要的喷头按照固定的距离运动到打印部位即可。
基于上述光热复合固化3D打印设备的曲面原位打印方法，打印设备架于义肢的曲面缺损之上，两套喷头系统的喷头沿曲面缺损的轮廓形状运动，直接将修复材料打印在曲面缺损处，其中，实现曲面原位打印方法的基本步骤为：
1)三维扫描设备扫描义肢缺损部位，建立曲面缺损的三维模型；
2)通过计算机对曲面缺损的三维模型进行修正，确定打印边界和打印层数，以及两套喷头系统的运动起始点；
3)固定义肢，调整两套喷头系统的喷头位置至设定起始点，两套喷头系统的喷头与曲面缺损保持10mm距离，控制两套喷头系统的喷头三轴联动，按照设定好的打印路径将修复材料打印在缺损部位，一次打印一层，直到填满曲面缺损，形成3D打印曲面结构。
本发明进一步的改进在于：当曲面缺损面积大于400mm2时，为保证缺损的完整覆盖，通过计算机将曲面缺损进行分块打印，分块形状及大小经调整后进行逐块打印，且最大方格分块尺寸为20mm×20mm。
相对于现有技术，本发明具有如下的优点：
光热复合固化3D打印设备，两套喷头系统组成，可实现两种不同材料，不同成型原理的协同打印，应用范围更广。进行曲面打印时可实现单层打印，也可实现多层多材料打印，单层材料厚度在500μm以下，厚度均匀。
进一步，打印的材料可以是光固化材料，如光固化PEGDA、光固化明胶，也可以是温度固化材料，如明胶、壳聚糖等，已经证实这些生物材料具有很好的生物相容性，在材料中混入活体细胞和营养物质可保证打印后细胞活性，可用于组织学研究。
进一步，温度固化喷头系统中，管路内采用超纯水传递压力，由于超纯水具有非常小的可压缩性，与传统的气压相比，可保证压力的稳定传递，大大增加了材料挤出时的可控性。
本发明提供的曲面原位打印方法，是一种全新的打印方法，与传统的3D打印平面分层方式不同，其实现的是曲面分层。根据曲面缺损的形状直接进行原位修复。实现曲面缺损的定制化的修补。
进一步，原位打印技术是直接将修复材料打印在义肢曲面缺损处，根据缺损程度不同，可定制打印方案。打印设备一次打印一层，同一层也可实现不同材料的混合打印。
进一步，原位打印方法对曲面缺损的修复过程周期较短，基本通过计算机完成，人工操作过程少，效率高。
进一步，当面积较大时，为保证打印材料线与线之间的融合，以及打印后的材料均匀性，将缺损面分块打印。
进一步，曲面原位打印方法在义肢上进行曲面打印，不仅可以打印类皮肤结构，也可以打印出类软骨结构，可用于相关研究。
综上所述，本发明提出了一种光热复合固化3D打印设备及其曲面原位打印方法。其可以提供光固化成形和温度固化成形的协同打印，应用范围更广。其提出的曲面原位打印方法可在义肢上直接进行曲面缺损的修复打印。
附图说明：
图1为本发明提出的光热复合固化3D打印设备及其曲面原位打印方法示意图。
图中：1为计算机，2为微量电磁阀，3为三维运动平台，4为光固化紫外灯，5为3D打印曲面结构，6为义肢，7为曲面缺损，8为温度固化喷头，9为储液箱，10为管路，11为注射器，12为注射泵，13为氮气罐，14为减压阀。
图中虚线框Ⅰ为控制系统，Ⅱ为送料系统，Ⅲ为双喷头打印平台，Ⅳ为原位打印过程示意
图2为温度固化喷头系统及其供料装置示意图。
图中：15为超纯水，16为隔离活塞，17为加热层，18为温度固化材料，19为针头。
图3为曲面原位分块打印和喷头路径示意图。
图中：20为分块边界线，21为喷头曲面打印路径。
具体实施方式：
以下结合附图以皮肤打印为例对本发明进一步说明。
如图1所示，光热复合固化3D打印设备由两套喷头系统、三维运动平台3、两套送料装置以及计算机1组成。其中，计算机1组成控制系统Ⅰ，两套送料装置组成送料系统Ⅱ，两套喷头系统和三维运动平台3组成双喷头打印平台Ⅲ。
如图1所示，两套喷头系统分别为光固化工艺喷头系统和温度固化工艺喷头系统，且两套喷头系统的喷头均安装在三维运动平台3上，实现X/Y/Z三轴运动；两套送料装置分别用于为两套喷头系统供料；计算机主要用于控制三维运动平台实现曲面原位打印，以及完成三维建模，曲面路径规划，加热层的温度控制，打印参数设置以及微量电磁阀和注射泵的控制。
如图1所示，光固化工艺喷头系统包括微量电磁阀2、光固化紫外灯4、储液箱9和氮气罐13，其中，氮气罐13的出口通过储液箱9和微量电磁阀2的入口相连，微量电磁阀2和光固化紫外灯4均安装在三维运动平台3上，且微量电磁阀2的喷头出口朝下。
如图1所示，光固化工艺喷头系统还包括设置在氮气罐13与储液箱9之间的管路上的减压阀14，通过减压阀14调节微量电磁阀2的背压，且背压范围在0.01-0.1MPa。微量电磁阀2用来打印光固化材料，其液滴直径在300-500μm，光固化紫外灯3使液滴在打印后0.5-2s固化。
如图1所示，温度固化工艺喷头系统包括安装在三维运动平台3上的温度固化喷头8，与温度固化喷头8相连的注射器11，以及用于为注射器11提供动力的注射泵12。
如图2所示，温度固化喷头8包括由加热层17形成的密封腔体，与密封腔体相连通的针头19，以及设置在密封腔体内用于将密封腔体分为两部分的隔离活塞16，其中，靠近针头19的密封腔体内用来填充温度固化材料18，另一部分密封腔体、注射器11内以及连接两部分的管道内均用于填充超纯水15。通过注射泵12可精确控制注射器11的流量，进而将压力通过管路10内的超纯水15和隔离活塞16传递给温度固化喷头8内的温度固化材料18。
温度固化工艺中通过控制加热层17的温度，挤出半成胶状态的温度固化材料18，直径在200-500μm。
三维运动平台3通过三个步进电机实现三轴运动，通过编码器或光栅实现位置反馈；根据两个喷头具有固定的相对位置，实现两套喷头系统的协同打印；打印过程中转换喷头时，将需要的喷头按照固定的距离运动到打印部位即可。
如图1所示，原位打印过程示意Ⅳ中打印设备架于义肢6的曲面缺损7之上，两套喷头系统的喷头沿曲面缺损7的轮廓形状运动，直接将修复材料打印在曲面缺损7处，其中，实现曲面打印方法的基本步骤为：
1)三维扫描设备扫描缺损部位，建立曲面缺损7的三维模型；
2)通过计算机对曲面缺损7的三维模型进行修正，确定打印边界和打印层数，以及两套喷头系统的运动起始点；
3)固定义肢6，调整两套喷头系统的喷头位置至设定起始点，两套喷头系统的喷头与曲面缺损7保持10mm左右距离，控制两套喷头系统的喷头三轴联动，按照设定好的打印路径将修复材料打印在缺损部位，一次打印一层，直到填满曲面缺损7，形成3D打印曲面结构5。
如图3所示，当曲面缺损7面积大于400mm2时，为保证缺损的完整覆盖，通过计算机1将曲面缺损7以分块边界线20进行分块打印，分块形状及大小经调整后进行逐块打印，且最大方格分块尺寸为20mm×20mm。在每个方格中，喷头曲面打印路径21根据缺损处曲面形状由计算机1生成，图中的箭头表示打印的起始点和终止点。
为了防止未完全固化的液体流动，选择打印到曲面缺损7后可快速固化，或流动性不大的液体材料。光固化工艺喷头可实现粘度较小材料的打印，如光固化PEGDA和光固化明胶等光固化材料。温度固化工艺喷头可实现粘度较大的材料打印，如明胶材料，使其挤出后不再流动。
实施案例一：
类皮肤结构打印：使用两套喷头系统。光固化工艺喷头系统的材料为光固化PEDGA溶液，配置方法：将PEDGA和光引发剂溶于去离子水使它们的浓度分别为5％(w/v)-25％(w/v)、0.5％(w/v)-2％(w/v)。控制参数：电磁阀控制器的频率为2Hz-10Hz，步距为0.5-1mm，运动速率为2-10mm/s，减压阀气压为0.01-0.1MPa。；温度固化工艺喷头系统的打印材料为明胶，浓度为5％(w/v)-40％(w/v)。控制参数：加热层温度24-28℃，注射泵流量为0.5-2ml/min，步距为0.2-0.5mm，运动速率为2-10mm/s。可在曲面上打印出厚度为0.1-1mm的光固化水凝胶和厚度为0.1-1mm的明胶材料，厚度均匀。
实施案例二：
类软骨结构打印：使用光固化工艺喷头系统，打印材料为光固化PEDGA溶液，配置方法：将PEDGA和光引发剂溶于去离子水使它们的浓度分别为25％(w/v)-50％(w/v)、0.5％(w/v)-2％(w/v)。控制参数：电磁阀控制器的频率为2Hz-10Hz，步距为0.5-1mm，运动速率为2-10mm/s，减压阀气压为0.05-0.1MPa。其打印出的类软骨结构经过力学性能测试，变形量可以达到50％，满足软骨的机械性能要求。

Claims (10)

1.光热复合固化3D打印设备，其特征在于，包括两套喷头系统、三维运动平台(3)、两套送料装置以及计算机(1)组成；其中，
两套喷头系统分别为光固化工艺喷头系统和温度固化工艺喷头系统，且两套喷头系统的喷头均安装在三维运动平台(3)上，实现X/Y/Z三轴运动；两套送料装置分别用于为两套喷头系统供料；计算机用于控制三维运动平台实现曲面原位打印。
2.根据权利要求1所述的光热复合固化3D打印设备，其特征在于：光固化工艺喷头系统包括微量电磁阀(2)、光固化紫外灯(4)、储液箱(9)和氮气罐(13)，其中，氮气罐(13)的出口通过储液箱(9)和微量电磁阀(2)的入口相连，微量电磁阀(2)和光固化紫外灯(4)均安装在三维运动平台(3)上，且微量电磁阀(2)的喷头出口朝下。
3.根据权利要求2所述的光热复合固化3D打印设备，其特征在于：光固化工艺喷头系统还包括设置在氮气罐(13)与储液箱(9)之间的管路上的减压阀(14)，通过减压阀(14)调节微量电磁阀(2)的背压，且背压范围在0.01-0.1MPa。
4.根据权利要求2所述的光热复合固化3D打印设备，其特征在于：微量电磁阀(2)用来打印光固化材料，其液滴直径在300-500μm，光固化紫外灯(3)使液滴在打印后0.5-2s固化。
5.根据权利要求1所述的光热复合固化3D打印设备，其特征在于：温度固化工艺喷头系统包括安装在三维运动平台(3)上的温度固化喷头(8)，与温度固化喷头(8)相连的注射器(11)，以及用于为注射器(11)提供动力的注射泵(12)。
6.根据权利要求5所述的光热复合固化3D打印设备，其特征在于：温度固化喷头(8)包括由加热层(17)形成的密封腔体，与密封腔体相连通的针头(19)，以及设置在密封腔体内用于将密封腔体分为两部分的隔离活塞(16)，其中，靠近针头(19)的密封腔体内用来填充温度固化材料(18)，另一部分密封腔体、注射器(11)内以及连接两部分的管道内均用于填充超纯水(15)。
7.根据权利要求6所述的光热复合固化3D打印设备，其特征在于：温度固化工艺中通过控制加热层(17)的温度，挤出半成胶状态的温度固化材料(18)，直径在200-500μm。
8.根据权利要求1所述的光热复合固化3D打印设备，其特征在于：三维运动平台(3)通过三个步进电机实现三轴运动，通过编码器或光栅实现位置反馈；根据两个喷头具有固定的相对位置，实现两套喷头系统的协同打印；打印过程中转换喷头时，将需要的喷头按照固定的距离运动到打印部位即可。
9.权利要求1所述的光热复合固化3D打印设备的曲面原位打印方法，其特征在于：打印设备架于义肢(6)的曲面缺损(7)之上，两套喷头系统的喷头沿曲面缺损(7)的轮廓形状运动，直接将修复材料打印在曲面缺损(7)处，其中，实现曲面原位打印方法的基本步骤为：
1)三维扫描设备扫描义肢缺损部位，建立曲面缺损(7)的三维模型；
2)通过计算机对曲面缺损(7)的三维模型进行修正，确定打印边界和打印层数，以及两套喷头系统的运动起始点；
3)固定义肢(6)，调整两套喷头系统的喷头位置至设定起始点，两套喷头系统的喷头与曲面缺损(7)保持10mm距离，控制两套喷头系统的喷头三轴联动，按照设定好的打印路径将修复材料打印在缺损部位，一次打印一层，直到填满曲面缺损(7)，形成3D打印曲面结构(5)。
10.根据权利要求9所述的光热复合固化3D打印设备的曲面原位打印方法，其特征在于：当曲面缺损(7)面积大于400mm2时，为保证缺损的完整覆盖，通过计算机(1)将曲面缺损(7)进行分块打印，分块形状及大小经调整后进行逐块打印，且最大方格分块尺寸为20mm×20mm。
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