CN108456803A - 一种生物材料3d打印机多进一出喷头的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生物材料3D打印机多进一出喷头的制备方法，所述喷头采用钛合金制备；所述制备方法包括采用激光同步送粉增材制造技术成型坯料；包括如下步骤：S1：输入STL模型文件；S2：装粉；S3：抽真空通入氩气；S4：设置成型参数，S5：成型坯料；S6：热等静压处理；S7：机械加工；S8：进料孔、出料孔内壁研磨、抛光加工。本发明的喷头结构为多进一出，解决了现有生物材料3D打印机在打印多种材料时需要多个针筒，衔接处打印不平稳，材料不连续的问题。所述喷头采用激光同步送粉增材制造技术成型，成型精度高。

Description

一种生物材料3D打印机多进一出喷头的制备方法
技术领域
本发明涉及材料领域，具体涉及一种生物材料3D打印机多进一出喷头的制备方法。
背景技术
3D打印是在激光熔覆和快速原型技术基础上发展起来的，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。它是将计算机中设计的三维模型进行分层，得到二维平面图形，再利用各种材质的材料逐层打印二维图形，堆叠成为具有快速凝固组织特征的三维实体。
近年来，3D打印成为全球瞩目的一项新兴技术。目前已经广泛应用于制造业，航天工业等领域。3D打印在生物医学领域的应用目前多以制造解剖模型、外科器械、植入体和假体为主。
3D生物打印技术的发展为活体组织打印及器官打印带来了希望和曙光。3D打印被誉为“第三次工业革命”的代表性技术，而3D生物打印是3D打印技术最前沿和最富生命力的研究领域。3D生物打印可定义为以特制生物打印机为主要手段，以加工活性材料包括细胞、生长因子、生物材料等为主要内容，以重建人体组织和器官为主要目标的跨学科和领域的新型再生医学工程技术。
由于被打印材料的特殊性，特别是其中涉及细胞、凝胶等等生物材料，对与这些材料接触的打印器具表面的兼容性、生物相容性、长期物理化学稳定性等提出了更高的要求。传统的生物材料3D打印机喷头(针管)很多采用铜合金材料制作，随着技术的发展，越来越不能满足使用需求。而普通的钛合金材料，比如Ti-6Al-4V合金，由于该合金含有元素V，对人体有潜在的毒性，也不能完全满足要求。
并且，传统的生物材料3D打印机多采用多针筒设计，每个针筒内装有一种材料，然后根据设计要求分别打印，这种设计虽然简单便捷，但在切换不同材料时，容易造成衔接处的不均匀，不连续，导致被打印材料的一致性不好。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种生物材料3D打印机多进一出喷头的制备方法，可以解决现有技术中喷头的上述问题。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种生物材料3D打印机多进一出喷头的制备方法，所述喷头采用钛合金制备，所述钛合金由下列组分组成：Al3.5-4.5wt％，Zr 1.0-1.4wt％，Cr2.5-3.5wt％，Mn13-15wt％，Si19-21wt％，Fe1.8-2.2wt％，Cu2.2-2.4wt％，Ce0.1-0.2wt％，余量为Ti和不可避免的杂质；所述粉末为球形形貌，所述粉末的松状密度为3.25-3.35g/cm3，所述粉末流动性为12-18s/50g；所述制备方法包括采用激光同步送粉增材制造技术成型坯料；包括如下步骤：
S1：将喷头的STL模型文件输入与激光同步送粉设备相连的计算机中；
S2：将上述钛合金粉末装入料仓中；
S3：成型室抽真空至10-2Pa，然后通入氩气；
S4：设置成型参数，激光线能量密度3.8-4.2kw/mm；扫描速度4-6mm/s，层高为0.4-0.6mm，送粉速率8-12g/min；搭接率26-30％，保护气体流量8-10L/min；光斑直径20-25μm，扫描间距20-30μm，工作室氧浓度＜40ppm；
S5：按照STL模型文件执行激光扫描，完成三维模型的每一分层截面成型后，工作平台沿Z向下降一个层厚，再进行下一分层截面的成型，重复上述过程，得到坯料；
还包括：
S6：将坯料在温度为980-1020℃和压力为150-160MPa下进行热等静压处理，然后随炉冷却至200-300℃后出炉；
然后进行机械加工，制作螺纹和进料孔，然后进料孔、出料孔内壁研磨、抛光加工，具体包括：
S7：将喷头外表面进行粗车，精车加工，然后磨削加工至表面粗糙度为Ra1.6-3.2；进料孔、出料孔内壁表面进行镗加工；然后进料口攻M8螺纹；出料口攻M4螺纹；
S8：进料孔、出料孔内壁进行研磨、抛光至表面粗糙度为Ra0.1-Ra0.2。
所述喷头包括上面的一个圆柱体及圆柱体下部渐变的一个圆锥体，圆柱体中沿圆周均布多个进料孔，圆柱体的侧面具有固定喷头的安装孔，圆锥体中心有一个出料孔，每个进料孔包括直线段和倾斜过渡段，并通过倾斜过渡段与出料孔连通，并且各个进料孔在与出料孔连通处也彼此独立、互不连通；所述出料孔的下端连接喷嘴；所述打印机喷头采用钛合金制作，。
进一步，所述圆柱体的直径为Φ38-42mm，高度为20-30mm，圆锥体的高度为25-30mm，进料孔直线段的孔径为Φ8mm，出料孔的孔径为Φ4mm，倾斜过渡段的孔径逐渐变小，每个进料孔的倾斜过渡段与出料孔连接处的最小孔径为Φ1.5mm，所述喷嘴的孔径为Φ0.50mm。
由于该喷头的内孔结构复杂，特别是倾斜过渡段与出料孔连通处尺寸较小，且孔的分布密集，因此，控制激光同步送粉增材制造技术的加工工艺参数比较关键，特别是打印速度4-6mm/s，层高为0.4-0.6mm，送粉速率8-12g/min；搭接率26-30％，光斑直径20-25μm这几个工艺参数要相互配合，才能保证打印平稳、连续；打印出的坯料表面光滑、尺寸精度高，上述参数不在上述范围内时，可能产生孔隙，重打瘤(重复堆叠)，表面不平整，孔的尺寸不准确等缺陷，影响后续的使用，严重的将产生报废件。
进一步，所述多进一出喷头的进料孔为2-8个。
进一步，所述多进一出喷头的进料孔为6个。
所述生物材料包括细胞，水凝胶等材料。
优选，所述钛合金由下列组分组成：Al4.0wt％，Zr 1.2wt％，Cr3.0wt％，Mn14wt％，Si20wt％，Fe2.0wt％，Cu2.3wt％，Ce0.15wt％，余量为Ti和不可避免的杂质；
所述粉末为球形形貌，粒径D50为80-90μm，粒径D90为180-200μm；所述粉末的松状密度为3.25-3.35g/cm3，所述粉末流动性为12-18s/50g
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
1.本发明的生物材料3D打印机多进一出喷头采用激光同步送粉增材制造技术成型，实质上，其本身的成型工艺也属于金属材料的3D打印技术，具备3D打印技术可成型结构复杂零件的特点，成型精度高。
2.本发明研制的钛合金材料的力学性能好，抗拉强度可达1100-1200MPa，且耐压能力高，可经受往复压力循环，室温伸长率可达20％以上，因此，韧性好，并且耐高温和抗腐蚀性能优异。
3.本发明的喷头结构为多进一出，解决了现有生物材料3D打印机在打印多种材料时需要多个针筒，衔接处打印不平稳，材料不连续的问题。
4.本发明的喷头结构的尺寸设计充分虑到材料流动顺畅性，圆柱体和圆锥体的高度尺寸决定了切换材料时的平稳性，尺寸高出上述范围的最大值时，容易断料，尺寸低于上述范围的最小值时，难于控制；进料孔和出料孔的孔径以及内壁光洁度不在上述范围内时，生物材料不能流畅流出。决定了推进被打印材料的速度和流量符合3D打印需要。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了本发明的喷头的外部形态示意图；
图2示出了本发明的喷头的截面剖视图。
具体实施方式
下面将参照更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
根据本发明的具体实施方式，提出一种生物材料3D打印机多进一出喷头100，所述喷头100包括上面的一个圆柱体101及圆柱体下部渐变的一个圆锥体102，圆柱体中沿圆周均布6个进料孔106，圆柱体的侧面具有固定喷头的安装孔(未示出)，圆锥体中心有一个出料孔108，每个进料孔106包括直线段109和倾斜过渡段110，并通过倾斜过渡段110与出料孔108连通，并且各个进料孔106在与出料孔108连通处也彼此独立、互不连通；所述出料孔108的下端连接喷嘴103；所述打印机喷头采用钛合金制作，所述钛合金由下列组分组成：Al4.0wt％，Zr 1.2wt％，Cr3.0wt％，Mn14wt％，Si20wt％，Fe2.0wt％，Cu2.3wt％，Ce0.15wt％，余量为Ti和不可避免的杂质。该实施方式中，所述圆柱体的直径为Φ40mm，高度为25mm，圆锥体的高度为27mm，进料孔直线段的孔径为Φ8mm，出料孔的孔径为Φ4mm，倾斜过渡段的孔径逐渐变小，每个进料孔的倾斜过渡段与出料孔连接处的最小孔径为Φ1.5mm，所述喷嘴的孔径为Φ0.5mm。所述圆柱体上表面的每个进料孔加工内螺纹107，用于与进料针筒104连接；针筒与用于驱动物料的进气管105连接。安装孔处加工有用于安装的内螺纹，出料孔的内壁也加工有内螺纹，并通过该螺纹与喷嘴连接。所述喷头为采用所述钛合金制备成的钛合金粉末，然后采用激光同步送粉增材制造技术成型坯料，然后进行表面机械加工，制作螺纹和进料孔、出料孔内壁研磨、抛光加工而成。控制所述喷头的进料孔、出料孔的内表面的粗糙度为Ra0.1-Ra0.2。具体制备方法包括如下步骤：
包括如下步骤：
S1：将喷头的STL模型文件输入与激光同步送粉设备相连的计算机中；
S2：将上述钛合金粉末装入料仓中；
S3：成型室抽真空至10-2Pa，然后通入氩气；
S4：设置成型参数，激光线能量密度3.8-4.2kw/mm；扫描速度4-6mm/s，层高为0.4-0.6mm，送粉速率8-12g/min；搭接率26-30％，保护气体流量8-10L/min；光斑直径20-25μm，扫描间距20-30μm，工作室氧浓度＜40ppm；
S5：按照STL模型文件执行激光扫描，完成三维模型的每一分层截面成型后，工作平台沿Z向下降一个层厚，再进行下一分层截面的成型，重复上述过程，得到坯料；
还包括：
S6：将坯料在温度为980-1020℃和压力为150-160MPa下进行热等静压处理，然后随炉冷却至200-300℃后出炉；
然后进行机械加工，制作螺纹和进料孔，然后进料孔、出料孔内壁研磨、抛光加工，具体包括：
S7：将喷头外表面进行粗车，精车加工，然后磨削加工至表面粗糙度为Ra1.6-3.2；进料孔、出料孔内壁表面进行镗加工；然后进料口攻M8螺纹；出料口攻M4螺纹；
S8：进料孔、出料孔内壁进行研磨、抛光至表面粗糙度为Ra0.1-Ra0.2。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种生物材料3D打印机多进一出喷头的制备方法，其特征在于，所述喷头采用钛合金制备；所述制备方法包括采用激光同步送粉增材制造技术成型坯料；包括如下步骤：
S1：将喷头的STL模型文件输入与激光同步送粉设备相连的计算机中；
S2：将上述钛合金粉末装入料仓中；
S3：成型室抽真空至10-2Pa，然后通入氩气；
S4：设置打印参数，激光线能量密度3.8-4.2kw/mm；打印速度4-6mm/s，层高为0.4-0.6mm，送粉速率8-12g/min；搭接率26-30％，保护气体流量8-10L/min；光斑直径20-25μm，扫描间距20-30μm，工作室氧浓度＜40ppm；
S5：按照STL模型文件执行打印程序，完成三维模型的每一分层截面打印后，工作平台沿Z向下降一个层厚，再进行下一分层截面的打印，重复上述过程，得到坯料；
还包括：
S6：将坯料在温度为980-1020℃和压力为150-160MPa下进行热等静压处理，然后随炉冷却至200-300℃后出炉；
然后进行机械加工，制作螺纹和进料孔，然后进料孔、出料孔内壁研磨、抛光加工，具体包括：
S7：将喷头外表面进行粗车，精车加工，然后磨削加工至表面粗糙度为Ra1.6-3.2；进料孔、出料孔内壁表面进行镗加工；然后进料口攻M8螺纹；出料口攻M4螺纹；
S8：进料孔、出料孔内壁进行研磨、抛光至表面粗糙度为Ra0.1-Ra0.2。
2.如权利要求1所述的生物材料3D打印机多进一出喷头的制备方法，其特征在于，所述钛合金由下列组分组成：Al3.5-4.5wt％，Zr 1.0-1.4wt％，Cr2.5-3.5wt％，Mn13-15wt％，Si19-21wt％，Fe1.8-2.2wt％，Cu2.2-2.4wt％，Ce0.1-0.2wt％，余量为Ti和不可避免的杂质。
3.如权利要求2所述的生物材料3D打印机多进一出喷头的制备方法，其特征在于，所述粉末为球形形貌，所述粉末的松状密度为3.25-3.35g/cm3，所述粉末流动性为12-18s/50g。
4.如权利要求1所述的生物材料3D打印机多进一出喷头的制备方法，其特征在于，所述多进一出喷头的进料孔为2-8个。
5.如权利要求4所述的生物材料3D打印机多进一出喷头的制备方法，其特征在于，所述多进一出喷头的进料孔为6个。
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