CN108312292B - 一种3d打印喷头及包括该喷头的3d打印装置以及用于该3d打印装置的生物陶瓷浆料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3D打印喷头及包括该喷头的3D打印装置以及用于该3D打印装置的生物陶瓷浆料，还公开了一种3D打印方法；所述3D打印喷头可以实现精确挤出精细的物料。所述3D打印喷头包括滚珠结构的接触式喷嘴，滚珠结构的接触式喷嘴优选用于打印实体的、无跨度的结构；所述3D打印喷头还包括非接触式喷嘴，非接触式喷嘴优选用于打印有跨度的结构。所述3D打印装置可以实现精确走位，打印较为精细和致密的结构。所述3D打印方法包括喷头、以及包含该喷头的3D打印装置和3D打印工艺的选择。所述3D打印工艺的选择包含喷嘴的理论推导和实验验证。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印装置及3D打印材料技术领域，特别涉及一种用于生物陶瓷浆料的3D打印喷头及包括该喷头的3D打印装置以及用于该3D打印装置的生物陶瓷浆料。
背景技术
由于疾病和意外事故所导致的骨缺失给患者的生理上带来很大的痛苦和生活上极大的不便。此时，就需要对骨缺失部位进行修复，而修复就需要植入体修复材料。人造植入体根据材料的不同可分为金属植入体，陶瓷植入体，高分子植入体及它们之间的复合材料植入体。金属材料具有良好的机械性能，耐腐蚀性和生物相容性，是惰性骨修复材料的首选。不锈钢，钴铬合金和钛合金是较为常见的金属植入体材料。但这些材料的模量较高，易发生应力遮挡效应而导致骨修复失败。另外金属材料是惰性材料，有一定的服役年限，后期的取出和再次植入会对患者造成二次痛苦。高分子材料有可降解类材料或惰性类材料，但是高分子材料的机械性能不够理想而不能满足人体植入体的需要，并且高分子材料不具有骨诱导性，不利于骨组织的再生。生物陶瓷材料，如羟基磷灰石，因其与人体骨成分一致而具有良好的生物相容性，骨传导性和骨诱导性。尤其是骨诱导性，将对于骨组织再生和重建有着重要和积极的促进作用。
但是，陶瓷材料的本征脆性决定了单一的陶瓷难以胜任骨修复植入体，而必须引入第二种或第三种骨修复材料。高分子材料，如聚己内酯已经被证明具有良好生物相容性，可降解性和较好的机械性能。因此，将具有骨诱导性的生物陶瓷材料和较好机械性能的高分子材料复合成为骨修复材料极佳的选择。为了促进骨组织的再生和重建，常常将骨修复材料做成支架材料。因为骨细胞如果能快速在支架内黏附，生长和分化，一方面能保证骨修复材料的成功制备，另一方面能加快骨组织的再生和重建。
传统的生物陶瓷材料的成型主要包括干压成型、半干压成型、可塑成型、注浆成型法、流延成型和等静压成型等。除了可塑成型和注浆成型外，其他成型工艺难以形成复杂的形状，例如镂空结构。
增材制造-3D打印技术的快速发展，使制备高精度的生物陶瓷材料制品成为可能。3D打印技术是通过首先建立模型，然后做切片和最后通过分层制造来实现打印的增材制造技术。其可以按照设计制备出形状复杂，尺寸可控和有序的空间结构，因此3D打印技术是制备支架材料最合适的技术。依据3D打印技术原理可将3D打印技术分为熔融沉积成型(FDM)、喷嘴挤压成型、立体光刻成型、粘结剂喷射成型、激光光固化成型、选择性激光烧结和熔融成型等。其中，激光光固化成型是利用激光固化陶瓷浆料中的光敏树脂，但目前光敏树脂生物相容性较差，利用光固化后往往还是通过后期烧结制备，这种方式会使生物陶瓷材料变脆。激光烧结和熔融成型中的激光具有较高的能量密度，与生物陶瓷材料作用时由于陶瓷材料的本征脆性会导致微裂纹的产生。喷墨打印喷出的粘结剂能够将陶瓷粉粘结起来，但这种方式制备的结构粗糙，致密度不高。熔融沉积成型也可以用来制备陶瓷复合材料，可实现陶瓷材料与高分子材料复合达到制备生物陶瓷的目的。但是在制备线材时难以使陶瓷粉均匀分散，同时该技术是将材料熔化，而喷嘴处温度降低容易发生堵塞。喷嘴挤压式基于熔融沉积制造，亦可实现陶瓷材料与高分子材料复合达到制备生物陶瓷的目的。该技术能够实现陶瓷粉体很好的分散，同时可以通过调节溶剂的含量来调节浆料粘度，进而获得最佳比例的浆料和3D打印效果。
目前主流的FDM主要有RepRap的prusa i3式、kossel delta三角洲式、ultimaker式等，其中，prusa i3式工作台大幅运动会导致未凝固的陶瓷浆料变形，ultimaker式工作台较高打印所引起的震动会影响陶瓷浆料成型，kossel delta式工作台不动但精度不高。由于喷嘴较为细小，且陶瓷浆料具有高粘度低流动性的特点，因此很难将浆料从喷嘴中挤出；并且挤出后也难以精确控制浆料的走位，所以目前基于挤压式的喷头，精度普遍较低。
发明内容
为了改善现有技术的不足，本发明针对目前生物陶瓷浆料在喷嘴挤压式3D打印设备打印时精度较低和致密度不足等缺点，提出了一种滚珠结构的接触式喷嘴、用于生物陶瓷浆料的包括该接触式喷嘴的3D打印喷头、包括该喷头的3D打印装置以及用于该3D打印装置的生物陶瓷浆料。
本发明提供如下技术方案：
一种滚珠结构的接触式喷嘴，所述滚珠结构的接触式喷嘴包括固定喷嘴螺纹，进料通道，喷嘴支撑架，出料口，进料孔和滚珠；所述进料通道设置在所述喷嘴支撑架内部，所述固定喷嘴螺纹设置在进料通道顶部侧壁，用于与可提供物料的料筒相连，所述出料口设置在进料通道底部；在靠近出料口处设置进料孔，在出料口和进料孔之间设置滚珠，用于通过滚珠的滚动带出进料通道内的物料。
在本发明的一个方案中，所述进料通道的的内径尺寸为0.05～1mm；所述滚珠的直径为0.05～1mm。
本发明提供一种用于生物陶瓷浆料的3D打印喷头，所述喷头包括上述的滚珠结构的接触式喷嘴和供料系统。
在本发明的一个方案中，所述供料系统包括加料装置，步进电机，喷头支撑架，螺杆，活塞连杆组和料筒；所述喷头支撑架为中空结构且下方设置有T型卡槽；所述步进电机固定在所述喷头支撑架上方，且通过设置在喷头支撑架内部的螺杆带动活塞连杆组运动；所述料筒固定在喷头支撑架下方的T型卡槽内，且用于固定和引导活塞连杆组；
所述料筒侧壁设有至少一个第一开口，用于与加料装置相连，所述加料装置用于为料筒提供待打印的物料；
所述料筒底部设有至少一个第二开口，所述第二开口与滚珠结构的接触式喷嘴连通。
在本发明的一个方案中，所述3D打印喷头还包括至少一个第一电控开关和至少一个第二电控开关；在靠近料筒侧壁上的第一开口处设置第一电控开关，用于控制通过所述第一开口的物料量；在靠近料筒底部的第二开口处设置第二电控开关，用于控制通过所述第二开口的物料量。
在本发明的一个方案中，所述3D打印喷头还包括设置在料筒底部的至少一个第三开口，所述第三开口与非接触式喷嘴连通；所述非接触式喷嘴包括固定喷嘴螺纹，出料口，进料通道和喷嘴支撑架；所述进料通道设置在所述喷嘴支撑架内部，所述固定喷嘴螺纹设置在进料通道顶部侧壁，用于与可提供物料的料筒相连，所述出料口设置在进料通道底部；
在本发明的一个方案中，所述3D打印喷头还包括至少一个第三电控开关；在靠近料筒底部的第三开口处设置第三电控开关，用于控制通过所述第三开口的物料量。
在本发明的一个方案中，所述至少一个滚珠结构的接触式喷嘴和至少一个非接触式喷嘴彼此独立，且共用供料系统。
在本发明的一个方案中，所述非接触式喷嘴的进料通道的内径尺寸为0.05～1mm。
在本发明的一个方案中，所述3D打印喷头还包括自动进料系统，所述自动进料系统包括设置在活塞连杆组顶部的限位传感器，用于监测料筒内的物料余量，实现自动进料过程。
在本发明的一个方案中，所述第一电控开关和第二电控开关分别与自动进料系统信号连接，所述自动进料系统控制所述第一电控开关和第二电控开关的开启与关闭，用于实现所述喷头的自动进料过程。
在本发明的一个方案中，所述第一电控开关、第二电控开关和第三电控开关分别与自动进料系统信号连接，所述自动进料系统控制所述第一电控开关、第二电控开关和第三电控开关的开启与关闭，用于实现所述喷头的自动进料过程。
本发明还提供上述3D打印喷头的用途，其用于3D打印，或用于制备3D打印装置。
优选地，其用于生物陶瓷浆料的3D打印。
本发明还提供一种3D打印装置，所述3D打印装置包括固定支架，设置在固定支架底部的3D打印平台，设置在固定支架内部的可移动支架以及设置在可移动支架上的X轴方向运动机构，Y轴方向运动机构和Z轴方向运动机构；
所述3D打印装置还包括上述的3D打印喷头，所述X轴方向运动机构，Y轴方向运动机构和Z轴方向运动机构用于带动3D打印喷头沿X、Y和Z轴方向运动。
在本发明的一个方案中，所述3D打印装置还包括在3D打印平台和3D打印喷头之间设置的静电纺丝机构，用于降低所述喷头挤出丝的细度和提高打印精度。优选地，所述静电纺丝机构设置在3D打印平台和非接触式喷嘴之间。
在本发明的一个方案中，所述静电纺丝的电压为5～30KV。
在本发明的一个方案中，所述3D打印装置还包括在3D打印平台上设置的加热板和旁侧热风系统，用于提高打印物料中有机溶剂的挥发速度。
在本发明的一个方案中，所述3D打印装置还包括控制系统，所述控制系统与3D打印喷头信号连接，用于控制3D打印喷头并保证物料的及时供给。
本发明还提供上述3D打印装置的用途，其用于3D打印，优选地，其用于生物陶瓷浆料的3D打印。
本发明还提供一种3D打印方法，所述方法是使用上述的3D打印喷嘴，或者使用上述的3D打印喷头，或者使用上述的3D打印装置。
在本发明的一个方案中，所述方法包括将物料置于3D打印喷嘴，或者3D打印喷头，或者3D打印装置中，进行3D打印。
在本发明的一个方案中，所述方法包括：当进行实体结构的3D打印或无跨度的3D打印，选用滚珠结构的接触式喷嘴；当进行镂空多孔结构的3D打印或有跨度的3D打印，选用非接触式喷嘴。
在本发明的一个方案中，所述方法包括：当进行实体结构的3D打印或无跨度的3D打印，选用滚珠结构的接触式喷嘴；在滚珠的滚动下，进料通道内的物料被滚珠带出，粘结到基台或上一层制造的物料表面上，待溶剂迅速挥发后物料变硬，继续下一层打印，直至打印完成。
在本发明的一个方案中，所述方法包括：当进行镂空多孔结构的3D打印或有跨度的3D打印，选用非接触式喷嘴，步进电机根据接收到的信号实现螺杆和活塞连杆组的给进和后退；给进时，通过螺杆和活塞连杆组将物料从料筒处挤压至喷嘴处，然后沉积到基台或上一层制造的陶瓷面上，待溶剂迅速挥发后物料变硬，继续下一层打印，直至打印完成；当从一个点大跨度运动至另一点或在路径的拐弯处，需要后退以组织物料继续挤出。
本发明还提供一种用于上述3D打印喷嘴，或者上述3D打印喷头，或者上述3D打印装置的生物陶瓷浆料，所述生物陶瓷浆料包括如下百分含量的组分：纳米羟基磷灰石，10～30wt.％；高分子材料，5～20wt.％；有机溶剂，40～80wt.％；增塑剂，3～7wt.％。
本发明的有益效果：
1.本发明的滚珠结构的接触式喷嘴适用于实体结构的3D打印，或无跨度的3D打印。其主要工作原理是在滚珠的滚动下，进料通道内的物料被滚珠带出，粘结到基台或上一层制造的物料表面上，待溶剂迅速挥发后物料变硬，为下一层成型做准备。所述物料在被滚珠带出后，会被滚珠碾压，因此可以制备出较为密实的结构。
2.本发明的3D打印喷头可以实现精确挤出精细的物料。所述3D打印喷头包括至少一个滚珠结构的接触式喷嘴，滚珠结构的接触式喷嘴优选用于打印实体的、无跨度的结构；所述3D打印喷头包括至少一个非接触式喷嘴，非接触式喷嘴优选用于打印有跨度的结构。
3.本发明的3D打印装置可以实现精确走位，打印较为精细和致密的结构。
4.本发明的生物陶瓷浆料中溶剂能够快速蒸发，提高打印速率。
附图说明
图1显示的为本发明的一个优选方案中喷头的结构图。
图2显示的为本发明的一个优选方案中基于滚珠的接触式喷嘴结构的剖面图。
图3显示的为本发明的一个优选方案中非接触式喷嘴结构的剖面图。
图4显示的为本发明的一个优选方案中3D打印装置图。
图5显示的为本发明的一个优选方案中生物陶瓷浆料在圆管形进料通道内流动模型图。
图6显示的为本发明的一个优选方案中由3D打印装置所制备生物陶瓷支架。
附图1-4中所示的附图标记如下：1-1-步进电机，1-2-喷头支撑架，1-3-螺杆，1-4-活塞连杆组，1-5-料筒，1-6-第三电控开关，1-7-非接触式喷嘴，1-8-滚珠结构的接触式喷嘴，1-9-第二电控开关，1-10-储料管，1-11-第一电控开关，1-12-储料筒，1-13-限位传感器；
2-1-固定喷嘴螺纹，2-2-进料通道，2-3-喷嘴支撑架，2-4-进料孔，2-5-滚珠，2-6-出料口；
3-1-固定喷嘴螺纹，3-2-喷嘴支撑架，3-3-进料通道，3-4-出料口；
4-1-支撑光轴，4-2-Z轴丝杆，4-3-支撑光轴，4-4-固定支架，4-5-3D打印喷头，4-6-Y轴传送带，4-7-可移动支架，4-8-Y轴直线导轨，4-9-加热板，4-10-Z轴步进电机，4-11-静电纺丝机构，4-12-3D打印平台，4-13-Z轴步进电机，4-14-支撑光轴，4-15-Z轴丝杆，4-16-支撑光轴，4-17-传送轴，4-18-Y轴直线导轨，4-19-X轴直线导轨，4-20-X轴传送带，4-21-X轴步进电机，4-22-Y轴传送带，4-23-Y轴步进电机。
具体实施方式
[3D打印喷嘴]
如前所述，本发明提供一种滚珠结构的接触式喷嘴，所述滚珠结构的接触式喷嘴包括固定喷嘴螺纹，进料通道，喷嘴支撑架，出料口，进料孔和滚珠；所述进料通道设置在所述喷嘴支撑架内部，所述固定喷嘴螺纹设置在进料通道顶部侧壁，用于与可提供物料的料筒相连，所述出料口设置在进料通道底部；在靠近出料口处设置进料孔，在出料口和进料孔之间设置滚珠，用于通过滚珠的滚动带出进料通道内的物料。
在本发明的一个方案中，所述喷嘴用于物料的3D打印，优选地，所述喷嘴用于生物陶瓷浆料的3D打印。
在本发明的一个方案中，所述滚珠结构的接触式喷嘴的材质没有具体的限定，只要满足其不与待喷出的物料(优选为生物陶瓷浆料)发生反应的材质即可，优选地，所述滚珠结构的接触式喷嘴为不锈钢材料加工而成。
在本发明的一个方案中，所述滚珠结构的接触式喷嘴中滚珠的大小没有具体的限定，其可以根据待打印试样的大小和要求的精确度进行合理的选择。本领域技术人员可以理解，通过调节所述滚珠结构的接触式喷嘴和滚珠的大小来实现尺寸与精度的平衡，如要制备大尺寸试样且精度要求不高可采用大滚珠和大内径尺寸的进料通道；如要制备小尺寸试样且精度要求高可采用小滚珠和小内径尺寸的进料通道。优选地，所述进料通道的内径尺寸为0.05～1mm；优选地，所述滚珠的直径为0.05～1mm。
在本发明的一个方案中，结合所述滚珠结构的接触式喷嘴，通过控制所述滚珠结构的接触式喷嘴的进料通道的内径尺寸和滚珠的大小，用于实际的3D打印过程中。本领域技术人员同样可以理解，根据试样的大小和工艺等参数，可以设置至少一个滚珠结构的接触式喷嘴，在保证精度的同时提高打印效率。
[3D打印喷头]
如前所述，本发明提供一种3D打印喷头，所述喷头包括上述的滚珠结构的接触式喷嘴和供料系统。
在本发明的一个方案中，所述供料系统包括加料装置，步进电机，喷头支撑架，螺杆，活塞连杆组和料筒；
所述喷头支撑架为中空结构且下方设置有T型卡槽；
所述步进电机固定在所述喷头支撑架上方，且通过设置在喷头支撑架内部的螺杆带动活塞连杆组运动；
所述料筒固定在喷头支撑架下方的T型卡槽内，且用于固定和引导活塞连杆组；所述料筒侧壁设有至少一个第一开口，用于与加料装置相连，所述加料装置用于为料筒提供待打印的物料；所述料筒底部设有至少一个第二开口，所述第二开口与滚珠结构的接触式喷嘴连通。
在本发明的一个方案中，所述加料装置的结构没有具体的限定，其可以是本领域技术人员知晓的任一种与所述3D打印喷头相适配的，可以为所述3D打印喷头提供物料的装置即可；优选地，所述加料装置包括储料筒和进料管。还优选地，所述储料筒用于存放待供给的物料，所述进料管连通所述储料筒和料筒。进一步优选地，所述加料装置是自动加料的。
在本发明的一个方案中，所述步进电机通过六角螺栓固定在喷头支撑架上方。所述的步进电机本领域技术人员可以理解，其可以是现有技术中已知的任一种可以实现或带动螺杆和活塞连杆组运动的步进电机，能够保证所述螺杆和活塞连杆组在步进电机的带动下发生移动。
在本发明的一个方案中，所述喷头支撑架可为铝合金(3D打印制造或切削制造)或ABS塑料(3D打印成型或注塑成型)。本领域技术人员可以理解，所述喷头支撑架主要用于固定步进电机和料筒，并引导所述螺杆和活塞连杆组，为实现进料提供保障。
在本发明的一个方案中，本领域技术人员可以理解，所述的螺杆是可以实现带动活塞连杆组运动的任一种螺杆即可，故所述螺杆的材质并没有特别的限定；优选地，所述螺杆为不锈钢材料加工而成。
在本发明的一个方案中，所述的活塞连杆组为现有技术中已知的任一种活塞连杆组，其只要满足在螺杆的带动下，实现活塞连杆组的目的，即通过移动实现物料的供给的目的即可。本领域技术人员同样可以理解，所述活塞连杆组的材质也为本领域公知的任一种即可；优选地，所述活塞连杆组中的活塞为橡胶材料加工而成，所述活塞连杆组中的连杆为不锈钢材料加工而成。
在本发明的一个方案中，所述料筒为T型结构的料筒，所述T型结构的料筒固定在喷头支撑架下方的T型卡槽内，所述T型结构的料筒与喷头支撑架下方的T型卡槽相适配。本领域技术人员可以理解，所述料筒的材质没有具体的限定，只要满足其不与内装的物料(优选为生物陶瓷浆料)发生反应的材质即可，优选地，所述料筒为PP塑料加工而成。优选地，所述T型结构的料筒下部为圆筒型结构。
在本发明的一个方案中，所述3D打印喷头还包括至少一个第一电控开关和至少一个第二电控开关；在靠近料筒侧壁上的第一开口处设置第一电控开关，用于控制通过所述第一开口的物料量；在靠近料筒底部的第二开口处设置第二电控开关，用于控制通过所述第二开口的物料量。
在本发明的一个方案中，所述3D打印喷头还包括设置在料筒底部的至少一个第三开口，所述第三开口与非接触式喷嘴连通；本领域技术人员可以理解，所述非接触式喷嘴为本领域技术人员知晓的任一种适用于本发明所述的3D打印喷头的非接触式喷嘴；示例性地，所述非接触式喷嘴包括固定喷嘴螺纹，出料口，进料通道和喷嘴支撑架；所述进料通道设置在所述喷嘴支撑架内部，所述固定喷嘴螺纹设置在进料通道顶部侧壁，用于与可提供物料的料筒相连，所述出料口设置在进料通道底部；所述非接触式喷嘴为螺杆驱动的，所述螺杆优选为供料系统中的螺杆，即所述非接触式喷嘴是在供料系统中的螺杆的挤压下实现物料的打印，故所述非接触式喷嘴又可称为螺杆挤压结构的非接触式喷嘴。
在本发明的一个方案中，所述3D打印喷头还包括至少一个第三电控开关；在靠近料筒底部的第三开口处设置第三电控开关，用于控制通过所述第三开口的物料量。
其中，本领域技术人员可以理解，所述第一电控开关、第二电控开关和第三电控开关的选择没有具体的限定，三者可以相同也可以不同，三者只需要满足对靠近各自开口处的物料量的控制即可。同样地，本领域技术人员可以理解，通过控制所述第一电控开关、第二电控开关和第三电控开关的开启与关闭，可以实现物料的供给，进而实现物料从喷嘴处的喷出。
在本发明的一个方案中，本领域技术人员可以理解，为了节省成本和减小打印喷头的空间大小，所述至少一个滚珠结构的接触式喷嘴和至少一个非接触式喷嘴彼此独立，且共用供料系统。所述至少一个滚珠结构的接触式喷嘴和至少一个非接触式喷嘴彼此独立的设计理念是针对需要打印的物体的不同结构来进行打印，滚珠结构的接触式喷嘴优选用于打印实体的、无跨度的结构，而非接触式喷嘴优选用于打印镂空多孔的、有跨度的结构。
在本发明的一个方案中，所述非接触式喷嘴的材质没有具体的限定，只要满足其不与待喷出的物料(优选为生物陶瓷浆料)发生反应的材质即可，优选地，所述非接触式喷嘴为不锈钢材料加工而成。
在本发明的一个方案中，所述非接触式喷嘴的尺寸没有具体的限定，其可以根据待打印试样的大小和要求的精确度进行合理的选择。优选地，所述非接触式喷嘴的进料通道的内径尺寸为0.05～1mm。
在本发明的一个方案中，结合所述非接触式喷嘴和所述滚珠结构的接触式喷嘴，通过控制所述滚珠结构的接触式喷嘴的进料通道的内径尺寸和滚珠的大小，以及非接触式喷嘴的进料通道的内径尺寸，将两种喷嘴交替使用于实际的3D打印过程中。本领域技术人员同样可以理解，根据试样的大小和工艺等参数，可以设置至少一个非接触式喷嘴和至少一个滚珠结构的接触式喷嘴，在保证精度的同时提高打印效率。
在本发明的一个方案中，所述3D打印喷头还包括自动进料系统，所述自动进料系统包括设置在活塞连杆组顶部的限位传感器，用于监测料筒内的物料余量，实现自动进料过程。
在本发明的一个方案中，所述第一电控开关和第二电控开关分别与自动进料系统信号连接，所述自动进料系统控制所述第一电控开关和第二电控开关的开启与关闭，用于实现所述喷头的自动进料过程。
在本发明的一个方案中，所述第一电控开关、第二电控开关和第三电控开关分别与自动进料系统信号连接，所述自动进料系统控制所述第一电控开关、第二电控开关和第三电控开关的开启与关闭，用于实现所述喷头的自动进料过程。
在本发明的一个方案中，当活塞连杆组顶部的限位传感器触碰至喷头支撑架底部时表示料筒中的物料即将用完，自动进料系统通过信号控制第一电控开关处于开启状态，加料装置内处于正压，此时第二电控开关和第三电控开关处于关闭状态，步进电机控制螺杆和活塞连杆组快速回退，在料筒内产生一个负压。在加料装置内的正压和由螺杆和活塞连杆组产生的负压的作用下一同将物料挤入料筒中，待限位传感器随活塞连杆组向上移动再次触碰喷头支撑架顶部时表示进料完成，控制第一电控开关处于关闭状态，继续3D打印或准备下一次打印。
在本发明的一个方案中，所述滚珠结构的接触式喷嘴的进料通道为圆管形；所述非接触式喷嘴的进料通道为圆管形。
在本发明的一个方案中，所述滚珠结构的接触式喷嘴适用于实体结构的3D打印，或无跨度的3D打印。其主要工作原理是在滚珠的滚动下，进料通道内的物料被滚珠带出，粘结到基台或上一层制造的物料表面上，待溶剂迅速挥发后物料变硬，为下一层成型做准备。所述物料在被滚珠带出后，会被滚珠碾压，因此可以制备出较为密实的结构。
在本发明的一个方案中，所述非接触式喷嘴可以通过螺杆实现精确的给进和后退，较目前较多采用的空气动力装置更为敏感，适用于有跨度的3D打印，特别适用于具有复杂结构的镂空多孔结构。其工作原理如下，步进电机根据接收到的信号实现螺杆和活塞连杆组的给进和后退，如给进，则通过螺杆和活塞连杆组将物料从料筒处挤压至喷嘴处，然后沉积到基台或上一层制造的物料表面上。在某些情况下，需要部分后退以组织物料继续挤出，如从一个点大跨度运动至另一点或在路径的拐弯处等。
在本发明的一个方案中，无论是非接触式喷嘴还是滚珠结构的接触式喷嘴都可以认为粘性流体，即物料(优选为生物陶瓷浆料)流过喷嘴内的进料通道(形状为圆管形)，因而适合使用柱坐标系标记其运动轨迹。我们建立了一个模型，用来计算螺杆施加的压力与进料通道内物料流速之间的关系，从而为打印工艺提供参考，具体分析如下所述：
柱坐标(r,θ,z)中，连续方程为：
动量方程为：
其中v为速度，r为曲率半径，ρ为密度，τ为剪切应力，p为料筒内压强，θ为角度，z表示z轴方向。
圆管形进料通道内流动模型：
物料在该圆管形进料通道内流动模型图，见图4。设圆管形进料通道的半径为a，连续方程(1)简化后仍然是(1)，动量方程简化后为：
边界条件为：
由(3)式可知，p只能是r,z的函数，p＝p(r,z)。τ(rz)只是r的函数，因此只是关于r的函数，设
p＝f1z+f(r)
由(3)式可知，f1(r)只能是常数，因此τ(ij)只能是r的函数，设f1(r)＝-C0＝const。则
由于该流动的速度假设，沿着线速度u(r)不变，要维持此流动，上游压强必须大于下游压强，则故压强沿z方向单位长度下降率，即压强梯度C0>0。
p＝-C0z+f(r) (6)
将(6)式代入(3)，同时应用式(4)，有
剪切率为：
其中，λ是与流量相关的量，λ＝Q/πa3，实验可先测出流量Q，测得压强梯度，从而求出C0，再由算出/>取若干组Q，/>算出/>然后可求粘度。
粘度函数为：
对于非牛顿流体接近常量，可将其设为m，则/>(K1为常数)并代入(8)式，可得，
设则
τk＝Kkn (11)
剪切率则/>
两边由u(r)至u(a)积分可得，
对于滚珠模型中
u1(r1)＝u(r1) (13)
其中，u为流速函数，n、m、K和K1为定义的常数，为剪切率，η(k)为粘度函数，r1为滚珠的尺寸。
实际压力是通过步进电机的运动来提供，因此有
步进电机的功率为w＝V×A (14)
所施加的压力
其中，V为电压，A为电流，s为料筒横截面积，v为料筒内物料流速。
因此，建立了步进电机的电压电流与流量和压力之间的关系。
[3D打印喷头的用途]
如前所述，本发明还提供上述3D打印喷头的用途，其用于3D打印，或用于制备3D打印装置。
优选地，其用于生物陶瓷浆料的3D打印。
[3D打印装置]
如前所述，本发明还提供一种3D打印装置，所述3D打印装置包括固定支架，设置在固定支架底部的3D打印平台，设置在固定支架内部的可移动支架以及设置在可移动支架上的X轴方向运动机构，Y轴方向运动机构和Z轴方向运动机构；所述3D打印装置还包括上述的3D打印喷头，所述X轴方向运动机构，Y轴方向运动机构和Z轴方向运动机构用于带动3D打印喷头沿X、Y和Z轴方向运动。
在本发明的一个方案中，所述3D打印装置还包括在3D打印平台和3D打印喷头之间设置的静电纺丝机构，用于降低所述喷头挤出丝的细度和提高打印精度。本领域技术人员可以理解，所述静电纺丝机构没有特别的限定，其可以是现有技术中已知的任一种静电纺丝机构，优选地，所述静电纺丝的电压为5～30KV。所述静电纺丝机构是将从喷嘴中被挤出的物料在静电场(例如几千伏电压)的作用下，产生静电力而被拉伸，从而变细，最后在重力和静电力作用下沉积在特定位置上，随着溶剂挥发而固定成型。
优选地，所述静电纺丝机构设置在3D打印平台和非接触式喷嘴之间。
在本发明的一个方案中，所述3D打印装置还包括在3D打印平台上设置的加热板和旁侧热风系统，用于提高打印物料中有机溶剂的挥发速度。本发明的3D打印平台上设置有加热板，并且在3D打印平台旁侧设置旁侧热风系统，实现在3D打印过程中有热风从旁侧吹过，优选热风从旁侧吹到打印试样表面；所述加热板和旁侧热风系统均可保证有机溶剂的快速挥发。但是由于有机溶剂的挥发所导致的收缩，会对打印试样尺寸有影响，此需要在模型设计时进行补偿，以消除此误差。
在本发明的一个方案中，所述X轴方向运动机构包括X轴直线导轨、X轴传送带和X轴步进电机；所述3D打印喷头设置在所述X轴直线导轨上；
所述X轴直线导轨沿X轴方向设置；所述X轴直线导轨上设置X轴传送带，所述X轴步进电机与X轴传送带连接，所述X轴步进电机用于控制所述X轴传送带沿X轴直线导轨运动，进而用于控制3D打印喷头沿X轴直线导轨运动。
在本发明的一个方案中，所述Y轴方向运动机构包括Y轴步进电机、Y轴传送带和两个平行设置的Y轴直线导轨；
所述X轴直线导轨的两端分别与所述两个平行设置的Y轴直线导轨相连且所述X轴直线导轨垂直于所述两个平行设置的Y轴直线导轨；所述两个平行设置的Y轴直线导轨上分别设置有Y轴传送带；所述Y轴步进电机与Y轴传送带连接，所述Y轴步进电机用于控制所述Y轴传送带沿Y轴直线导轨运动，进而用于控制3D打印喷头沿Y轴直线导轨运动。
优选地，所述两个平行设置的Y轴直线导轨旁侧还设置有传送轴，用于控制所述两个平行设置的Y轴直线导轨上的Y轴传送带保持同步运动。
在本发明的一个方案中，所述Z轴方向运动机构包括Z轴步进电机和Z轴丝杆；所述Z轴步进电机的一端与Z轴丝杆相连，一端与固定支架底部相连，所述Z轴步进电机用于控制Z轴丝杆沿Z轴方向运动，进而控制可移动支架沿Z轴方向运动，即控制3D打印喷头沿Z轴方向运动。
在本发明的一个方案中，所述固定支架的形状和尺寸没有具体的限定，其可以根据待打印的试样的大小，打印平台的大小以及打印喷头的大小等进行合理的设计，其能够实现对所述X轴方向运动机构，Y轴方向运动机构和Z轴方向运动机构的固定，并保证其在所述固定支架内可以实现移动的目的即可，本领域技术人员可以理解，所述固定支架的材质也没有具体的限定，采用现有技术中任一种可以实现上述固定功能的即可，示例性的，设置所述固定支架为铝合金框架结构，其中，边角以六角螺钉固定。
在本发明的一个方案中，所述可移动支架包括限制其在X轴方向和Y轴方向的运动的支撑光轴。
在本发明的一个方案中，所述3D打印装置还包括控制系统，所述控制系统与3D打印喷头信号连接，用于控制3D打印喷头并保证物料的及时供给。
在本发明的一个方案中，所述3D打印喷头在打印过程中，为了减少物料(优选为生物陶瓷浆料)由于有机溶剂的挥发而引起的收缩，最有效的方法是提高其固含量。因为物料包括无机的生物陶瓷粉与高分子材料，且高分子材料溶于有机溶剂中。因此所述物料是高粘度流体，可将物料视为密度不变的不可压缩粘性流体，并将该物料视为连续介质，另外由于物料属于非牛顿流体，因此可以忽略重力的影响。在实际的挤出过程中，料筒内径远大于喷嘴内进料通道的内径，故可以认为料筒中的物料没有相对运动，只有喷嘴处有物料运动。
[3D打印装置的用途]
如前所述，本发明还提供上述3D打印装置的用途，其用于3D打印，优选地，其用于生物陶瓷浆料的3D打印。
[3D打印方法]
如前所述，本发明还提供一种3D打印方法，所述方法是使用上述的3D打印喷嘴，或者使用上述的3D打印喷头，或者使用上述的3D打印装置。
在本发明的一个方案中，所述方法包括将物料置于3D打印喷嘴，或者3D打印喷头，或者3D打印装置中，进行3D打印。
在本发明的一个方案中，所述方法包括：当进行实体结构的3D打印或无跨度的3D打印，选用滚珠结构的接触式喷嘴；当进行镂空多孔结构的3D打印或有跨度的3D打印，选用非接触式喷嘴。
在本发明的一个方案中，所述方法包括：当进行实体结构的3D打印或无跨度的3D打印，选用滚珠结构的接触式喷嘴；在滚珠的滚动下，进料通道内的物料被滚珠带出，粘结到基台或上一层制造的物料表面上，待溶剂迅速挥发后物料变硬，继续下一层打印，直至打印完成。
在本发明的一个方案中，所述方法包括：当进行镂空多孔结构的3D打印或有跨度的3D打印，选用非接触式喷嘴，步进电机根据接收到的信号实现螺杆和活塞连杆组的给进和后退；给进时，通过螺杆和活塞连杆组将物料从料筒处挤压至喷嘴处，然后沉积到基台或上一层制造的物料表面上，待溶剂迅速挥发后物料变硬，继续下一层打印，直至打印完成；当从一个点大跨度运动至另一点或在路径的拐弯处，需要后退以组织物料继续挤出。
在本发明的一个方案中，所述方法包括：结合喷嘴处理论计算指导3D打印工艺的选择。
[用于3D打印的生物陶瓷浆料]
如前所述，本发明还提供一种用于上述3D打印喷嘴，或者上述3D打印喷头，或者上述3D打印装置的生物陶瓷浆料，所述生物陶瓷浆料包括如下百分含量的组分：纳米羟基磷灰石，10～30wt.％；高分子材料，5～20wt.％；有机溶剂，40～80wt.％；增塑剂，3～7wt.％。
在本发明的一个方案中，所述高分子材料为本领域技术人员知晓的用于生物陶瓷浆料中的任一种高分子材料，优选为可降解的高分子材料，还优选为聚己内酯、聚乳酸。所述聚己内酯的分子量和聚合度没有具体的限定，可以为现有技术中已知的任一种聚己内酯。所述聚乳酸的分子量和聚合度没有具体的限定，可以为现有技术中已知的任一种聚乳酸。
在本发明的一个方案中，所述有机溶剂为本领域技术人员知晓的用于生物陶瓷浆料中的任一种有机溶剂，优选为经干燥或除水处理后的有机溶剂，还优选为二氯甲烷、三氯甲烷。
在本发明的一个方案中，所述有增塑剂为本领域技术人员知晓的用于生物陶瓷浆料中的任一种增塑剂，优选为柠檬酸酯醚、葡萄糖单醚、脂肪酸醚、低聚物聚乙二醇(PEG)、低聚物聚乳酸(OLA)、丙三醇、邻苯二甲酸二甲酯，还优选为邻苯二甲酸二甲酯。
在本发明的一个方案中，所述纳米羟基磷灰石作为生物陶瓷，本领域技术人员可以理解，所述纳米羟基磷灰石选自至少一维尺寸在纳米级的羟基磷灰石即可。作为示例性地，所述纳米羟基磷灰石选自粒径在1-100nm的纳米颗粒。
[用于3D打印的生物陶瓷浆料的制备方法]
本发明还提供上述生物陶瓷浆料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
1)密封条件下，将高分子材料、增塑剂和有机溶剂混合，搅拌1～2h，待高分子材料完全溶解搅拌完成后，加入羟基磷灰石粉，继续搅拌1～2h；
2)打开密封，待有机溶剂挥发后，调至合适粘度，制备得到所述生物陶瓷浆料。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。此外，应理解，在阅读了本发明所公开的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本发明所限定的保护范围之内。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用于描述目的，而并非指示或暗示相对重要性。
实施例1
1.用于3D打印的生物陶瓷浆料的制备
1)取8g聚己内酯粉末于烧杯中，加入邻苯二甲酸二甲酯2g。
2)加入约40g二氯甲烷溶剂，搅拌1h，此过程要密封，目的是防止二氯甲烷挥发；
3)待聚己内酯完全溶解，即表示搅拌完成，加入羟基磷灰石粉8g，继续搅拌1h；
4)待混合溶液均一稳定后，搅拌完成，边搅拌二氯甲烷边挥发；待二氯甲烷挥发后，调至羟基磷灰石、邻苯二甲酸二甲酯和聚己内酯之和占总质量的40wt.％，转移至下述的3D打印喷头的储料筒中，备用。
2.滚珠结构的接触式喷嘴结构和非接触式喷嘴结构
如图2所示，所述滚珠结构的接触式喷嘴包括固定喷嘴螺纹2-1，进料通道2-2，喷嘴支撑架2-3，进料孔2-4，滚珠2-5和出料口2-6；所述进料通道2-2设置在所述喷嘴支撑架2-3内部，所述固定喷嘴螺纹2-1设置在进料通道2-2顶部侧壁，用于与可提供浆料的料筒相连，所述出料口2-6设置在进料通道2-2底部；在靠近出料口2-6处设置进料孔2-4，在出料口2-6和进料孔2-4之间设置滚珠2-5，用于通过滚珠的滚动带出进料通道内的物料。
如图3所示，所述非接触式喷嘴包括固定喷嘴螺纹3-1，进料通道3-3，喷嘴支撑架3-2和出料口3-4；所述进料通道3-3设置在所述喷嘴支撑架3-1内部，所述固定喷嘴螺纹3-1设置在进料通道3-3顶部侧壁，用于与可提供物料的料筒相连，所述出料口3-4设置在进料通道3-3底部；物料从进料通道3-3流过，经出料口3-4排出。
3. 3D打印喷头
如图1所示，所述3D打印喷头包括上述的滚珠结构的接触式喷嘴1-8和供料系统；所述供料系统包括储料筒1-12，储料管1-10，步进电机1-1，喷头支撑架1-2(材质为铝合金(3D打印制造或切削制造)或ABS塑料(3D打印成型或注塑成型))，螺杆1-3(材质不锈钢)，活塞连杆组1-4(材质不锈钢)和料筒1-5(T型结构)；所述喷头支撑架1-2为中空结构且下方设置有T型卡槽；
所述步进电机1-1通过六角螺栓固定在所述喷头支撑架1-2上方，且通过设置在喷头支撑架1-2内部的螺杆1-3带动活塞连杆组1-4运动；所述料筒1-5固定在喷头支撑架1-2下方的T型卡槽内，且用于固定和引导活塞连杆组1-4；
所述料筒1-5侧壁设有至少一个第一开口，用于与储料管1-10相连，所述储料筒1-12和储料管1-10用于为料筒1-5提供用于3D打印的生物陶瓷浆料；所述料筒1-5底部设有至少一个第二开口，所述第二开口与滚珠结构的接触式喷嘴1-8连通；所述料筒1-5底部的至少一个第三开口，所述第三开口与非接触式喷嘴1-7连通；滚珠结构的接触式喷嘴的进料通道的内径尺寸为0.6mm，所述滚珠的直径为0.5mm。
所述3D打印喷头还包括第一电控开关1-11、第二电控开关1-9和；第三电控开关1-6；在靠近料筒1-5侧壁上的第一开口处设置第一电控开关1-11，用于控制通过所述第一开口的物料量；在靠近料筒1-5底部的第二开口处设置第二电控开关1-9，用于控制通过所述第二开口的物料量；在靠近料筒1-5底部的第三开口处设置第三电控开关1-6，用于控制通过所述第三开口的物料量；非接触式喷嘴的进料通道的内径尺寸为0.6mm；
所述3D打印喷头还包括自动进料系统，所述自动进料系统包括设置在活塞连杆组顶部的限位传感器1-13，用于监测料筒内的物料余量，实现自动进料过程；
为了节省成本和减小打印喷头的空间大小，所述滚珠结构的接触式喷嘴和非接触式喷嘴彼此独立，且共用供料系统。所述滚珠结构的接触式喷嘴和非接触式喷嘴彼此独立的设计理念是针对需要打印的物体的不同结构来进行打印，滚珠结构的接触式喷嘴优选用于打印实体的、无跨度的结构，而非接触式喷嘴优选用于打印有跨度的结构。
4. 3D打印装置
所述3D打印装置包括固定支架4-4(所述固定支架的材质为铝合金框架，其边角以六角螺钉固定)，设置在固定支架4-4底部的3D打印平台4-12，设置在固定支架4-4内部的可移动支架4-7以及设置在可移动支架4-7上的X轴方向运动机构，Y轴方向运动机构和Z轴方向运动机构；所述3D打印装置还包括上述的3D打印喷头4-5，所述X轴方向运动机构，Y轴方向运动机构和Z轴方向运动机构用于带动3D打印喷头沿X、Y和Z轴方向运动；
所述X轴方向运动机构包括X轴直线导轨4-19、X轴传送带4-20和X轴步进电机4-21；所述3D打印喷头4-5设置在所述X轴直线导轨4-19上；
所述X轴直线导轨4-19沿X轴方向设置；所述X轴直线导轨4-19上设置X轴传送带4-20，所述X轴步进电机4-21与X轴传送带4-20连接，所述X轴步进电机4-21用于控制所述X轴传送带4-20沿X轴直线导轨运动，进而用于控制3D打印喷头4-5沿X轴直线导轨运动；
所述Y轴方向运动机构包括Y轴步进电机4-23、Y轴传送带4-6、4-22和两个平行设置的Y轴直线导轨4-8、4-18；
所述X轴直线导轨4-19的两端分别与所述两个平行设置的Y轴直线导轨4-8、4-18相连且所述X轴直线导轨4-19垂直于所述两个平行设置的Y轴直线导轨4-8、4-18；所述两个平行设置的Y轴直线导轨4-8、4-18上分别设置有Y轴传送带4-6、4-22；所述Y轴步进电机4-23与Y轴传送带4-6、4-22连接，所述Y轴步进电机4-23用于控制所述Y轴传送带4-6、4-22沿Y轴直线导轨运动，进而用于控制3D打印喷头4-5沿Y轴直线导轨运动；
为了控制所述两个平行设置的Y轴直线导轨4-8、4-18上的Y轴传送带4-6、4-22保持同步运动所述两个平行设置的Y轴直线导轨4-8、4-18旁侧还设置有传送轴4-17；
所述Z轴方向运动机构包括Z轴步进电机4-10、4-13和Z轴丝杆4-2、4-15；所述Z轴步进电机4-10、4-13的一端与Z轴丝杆4-2、4-15相连，一端与固定支架4-4底部相连，所述Z轴步进电机4-10、4-13用于控制Z轴丝杆4-2、4-15沿Z轴方向运动，进而控制可移动支架沿Z轴方向运动，即控制3D打印喷头4-5沿Z轴方向运动；
所述可移动支架包括限制其在X轴方向和Y轴方向的运动的支撑光轴4-1、4-3、4-14、4-16。
为了降低喷嘴挤出丝的细度和提高打印精度，在3D打印平台4-12和3D打印喷头4-5之间设置的静电纺丝机构4-11。静电纺丝的主要参数是电压，电压值一般设为5～30KV。
为了提高溶剂挥发速度，在3D打印平台4-12上加设加热板4-9和旁侧热风系统。所述3D打印装置还包括控制系统，所述控制系统与3D打印喷头4-5信号连接，用于控制3D打印喷头并保证物料的及时供给，确保整个打印过程顺利进行。
5.打印工艺设置
打印生物陶瓷支架尺寸为φ25×15mm，考虑20％收缩，将模型设为φ30×18mm。分别选择0.6mm尺寸的非接触式喷嘴和0.5mm滚珠结构的接触式喷嘴作为打印头。其中滚珠接触式喷嘴用来打印圆柱边界，非接触式喷嘴打印内部支架结构。非接触式喷嘴的打印速度为83.76mm/s，滚珠结构的接触式喷嘴的打印速度为35.98mm/s。相应的打印层厚0.2mm。设置静电纺丝机构电压为5KV。打印生物陶瓷样品见图6。
6.模型验证
实测一组进料步进电机1-1的电压V和电流，按照公式(1)～(15)，求得各个参数，来验证模型正确与否。其中l为圆管(进料通道2-2或3-3)形进料通道的长度。
表1模型参数值1
表2模型参数值2
则
圆管形进料通道内任意一点的速度就可以求出，当Q＝5.3mm3/s，C0＝0.06pa/mm时，圆管形进料通道中心的速度为27.92mm/s。实际打印速度需按照层厚进行折算。
83.76mm/s＝27.92×0.6/0.2mm/s
滚珠模型中，r1为0.25mm，因此有
u1(r1)＝u(r1)＝0.25(413.26C0)2.950.33.95(1-(3.33×0.25)3.95)＝14.39mm/s
实际打印速度需按照层厚进行折算为35.98mm/s＝14.39×0.5/0.2mm/s。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (18)
1.一种3D打印喷头，所述喷头包括滚珠结构的接触式喷嘴和供料系统；
所述供料系统包括加料装置，步进电机，喷头支撑架，螺杆，活塞连杆组和料筒；所述喷头支撑架为中空结构且下方设置有T型卡槽；所述步进电机固定在所述喷头支撑架上方，且通过设置在喷头支撑架内部的螺杆带动活塞连杆组运动；所述料筒固定在喷头支撑架下方的T型卡槽内，且用于固定和引导活塞连杆组；
所述料筒侧壁设有至少一个第一开口，用于与加料装置相连，所述加料装置用于为料筒提供待打印的物料；所述料筒底部设有至少一个第二开口，所述第二开口与滚珠结构的接触式喷嘴连通；
所述滚珠结构的接触式喷嘴包括固定喷嘴螺纹，进料通道，喷嘴支撑架，进料孔，滚珠和出料口；所述进料通道设置在所述喷嘴支撑架内部，所述固定喷嘴螺纹设置在进料通道顶部侧壁，用于与可提供物料的料筒相连，所述出料口设置在进料通道底部；在靠近出料口处设置进料孔，在出料口和进料孔之间设置滚珠，用于通过滚珠的滚动带出进料通道内的物料；
所述3D打印喷头还包括设置在料筒底部的至少一个第三开口，所述第三开口与非接触式喷嘴连通；所述非接触式喷嘴包括固定喷嘴螺纹，出料口，进料通道和喷嘴支撑架；所述进料通道设置在所述喷嘴支撑架内部，所述固定喷嘴螺纹设置在进料通道顶部侧壁，用于与可提供物料的料筒相连，所述出料口设置在进料通道底部；
所述3D打印喷头还包括自动进料系统，所述自动进料系统包括设置在活塞连杆组顶部的限位传感器，用于监测料筒内的物料余量，实现自动进料过程。
2.根据权利要求1所述的3D打印喷头，其特征在于，所述进料通道的内径尺寸为0.05~1mm；所述滚珠的直径为0.05~1mm。
3.根据权利要求1所述的3D打印喷头，其特征在于，所述3D打印喷头还包括至少一个第一电控开关和至少一个第二电控开关；在靠近料筒侧壁上的第一开口处设置第一电控开关，用于控制通过所述第一开口的物料量；在靠近料筒底部的第二开口处设置第二电控开关，用于控制通过所述第二开口的物料量；
所述3D打印喷头还包括至少一个第三电控开关；在靠近料筒底部的第三开口处设置第三电控开关，用于控制通过所述第三开口的物料量。
4.根据权利要求1所述的3D打印喷头，其特征在于，所述至少一个滚珠结构的接触式喷嘴和至少一个非接触式喷嘴彼此独立，且共用供料系统；
所述非接触式喷嘴的进料通道的内径尺寸为0.05~1mm。
5.根据权利要求3所述的3D打印喷头，其特征在于，所述第一电控开关和第二电控开关分别与自动进料系统信号连接，所述自动进料系统控制所述第一电控开关和第二电控开关的开启与关闭，用于实现所述喷头的自动进料过程。
6.根据权利要求5所述的3D打印喷头，其特征在于，所述第一电控开关、第二电控开关和第三电控开关分别与自动进料系统信号连接，所述自动进料系统控制所述第一电控开关、第二电控开关和第三电控开关的开启与关闭，用于实现所述喷头的自动进料过程。
7.权利要求1-6任一项所述的3D打印喷头的用途，其用于3D打印，或用于制备3D打印装置。
8.根据权利要求7所述的用途，其特征在于，其用于生物陶瓷浆料的3D打印。
9.一种3D打印装置，其特征在于，所述3D打印装置包括固定支架，设置在固定支架底部的3D打印平台，设置在固定支架内部的可移动支架以及设置在可移动支架上的X轴方向运动机构，Y轴方向运动机构和Z轴方向运动机构；
所述3D打印装置还包括权利要求1-6任一项所述的3D打印喷头，所述X轴方向运动机构，Y轴方向运动机构和Z轴方向运动机构用于带动3D打印喷头沿X、Y和Z轴方向运动。
10.根据权利要求9所述的3D打印装置，其特征在于，所述3D打印装置还包括在3D打印平台和3D打印喷头之间设置的静电纺丝机构；
所述静电纺丝机构设置在3D打印平台和非接触式喷嘴之间；
所述静电纺丝的电压为5~30 KV；
所述3D打印装置还包括在3D打印平台上设置的加热板和旁侧热风系统；
所述3D打印装置还包括控制系统，所述控制系统与3D打印喷头信号连接，用于控制3D打印喷头。
11.权利要求9或10所述的3D打印装置的用途，其用于3D打印。
12.根据权利要求11所述的用途，其特征在于，其用于生物陶瓷浆料的3D打印。
13.一种3D打印方法，所述方法是使用权利要求1-6任一项所述的3D打印喷头，或者使用权利要求9或10所述的3D打印装置。
14.根据权利要求13所述的3D打印方法，其特征在于，所述方法包括将物料置于3D打印喷嘴，或者3D打印喷头，或者3D打印装置中，进行3D打印。
15.根据权利要求13所述的3D打印方法，其特征在于，所述方法包括：当进行实体结构的3D打印或无跨度的3D打印，选用滚珠结构的接触式喷嘴；当进行镂空多孔结构的3D打印或有跨度的3D打印，选用非接触式喷嘴。
16.根据权利要求13所述的3D打印方法，其特征在于，所述方法包括：当进行实体结构的3D打印或无跨度的3D打印，选用滚珠结构的接触式喷嘴；在滚珠的滚动下，进料通道内的物料被滚珠带出，粘结到基台或上一层制造的物料表面上，待溶剂迅速挥发后物料变硬，继续下一层打印，直至打印完成。
17.根据权利要求13所述的3D打印方法，其特征在于，所述方法包括：当进行镂空多孔结构的3D打印或有跨度的3D打印，选用非接触式喷嘴，步进电机根据接收到的信号实现螺杆和活塞连杆组的给进和后退；给进时，通过螺杆和活塞连杆组将物料从料筒处挤压至喷嘴处，然后沉积到基台或上一层制造的物料表面上，待溶剂迅速挥发后物料变硬，继续下一层打印，直至打印完成；当从一个点大跨度运动至另一点或在路径的拐弯处，需要后退以组织物料继续挤出。
18. 一种用于权利要求1-6任一项所述的3D打印喷头，或者权利要求9或10所述的3D打印装置的生物陶瓷浆料，所述生物陶瓷浆料包括如下百分含量的组分：纳米羟基磷灰石，10~30 wt. %；高分子材料，5~20 wt. %；有机溶剂，40~80 wt. %；增塑剂，3~7 wt. %。
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