CN108908650A - 用于生物陶瓷无丝3d打印的雾化加湿系统和3d打印系统 - Google Patents

Abstract

为解决无丝3D打印技术的生物陶瓷浆料在打印过程中易出现模型表面龟裂的问题，本发明提供了一种用于生物陶瓷无丝3D打印的雾化加湿系统和3D打印系统，雾化加湿系统包括自动雾化加湿控制器、湿度传感器、净化气源、超声波驱动器、储水罐和导向管；湿度传感器设置在3D打印腔室内；储水罐包括可拆卸连接的罐盖和罐体；罐体底部安装有超声雾化振子；罐盖上方可拆卸地设置有与罐体连通的导向管，导向管端部可拆卸地设置有雾化喷头；超声波驱动器用于驱动超声雾化振子工作；净化气源通过进气管道与储水罐的罐体连通；进气管道上设置有电磁阀；自动雾化加湿控制器与电磁阀、超声波驱动器以及湿度传感器均相连；储水罐、导向管、雾化喷头用不锈钢材料制成。

Description

用于生物陶瓷无丝3D打印的雾化加湿系统和3D打印系统

技术领域

本发明属于生物陶瓷3D打印技术领域，涉及一种用于生物陶瓷无丝3D打印的雾化加湿系统和3D打印系统。

背景技术

生物陶瓷因具有良好的生物相溶性，可作为骨缺损修复材料植入人体内，在诱导人体骨组织生长的同时，生物陶瓷能够降解或以物质交换的方式排出体外，因此生物陶瓷在骨科方面有广泛的应用。随着当前3D打印技术的发展，通过3D打印机可将生物陶瓷打印成各种形状的多孔立体结构，并能够按照病人的骨缺损形状进行定制化制作，可满足不同病人的需求。

在目前的生物陶瓷3D打印领域，有光固化和无丝打印两种技术类型，其中主要以光固化3D打印技术为主。

光固化打印首先通过在陶瓷材料中加入树脂、光引发剂、分散剂等物质形成具有光敏特性的陶瓷浆料，然后在3D打印过程中利用紫外光对生物陶瓷材料进行逐层光照、固化而形成三维立体结构。然而，光固化打印中必须加入的树脂、光引发剂、分散剂等材料不具有生物相溶性，无法满足生物医疗的安全性要求，不能植入人体内。

无丝3D打印技术对生物陶瓷中加入的辅助材料要求较少，可以选用具有生物相溶性的PVA等材料，能够满足生物医疗的安全性要求。

但是，目前采用无丝3D打印技术的生物陶瓷浆料在打印过程中，经常会出现模型表面龟裂的现象，在后期的模型处理中龟裂处容易破损。

发明内容

为了解决无丝3D打印技术的生物陶瓷浆料在打印过程中易出现模型表面龟裂的技术问题，本发明提供了一种用于生物陶瓷无丝3D打印的雾化加湿系统和3D打印系统。

本发明的发明构思：

经过大量试验和反复验证，排除了生物陶瓷和PVA材料本身的收缩、浆料驱动气压在压力释放时造成的胀裂等原因，最终确定为模型表面的水分蒸发后导致龟裂。在北方地区，冬季较干燥，夏季相对湿润一些，经过对比冬季和夏季测试结果、试验环境，也进一步佐证了环境湿度与生物陶瓷打印的龟裂现象有直接影响。经大量试验验证，发现将3D打印腔室内的相对湿度控制在75％～85％范围内，生物陶瓷打印的成型效果最佳。

由于植入人体的生物陶瓷在生产加工环节对环境要求非常严格，需要在洁净度等级为百级净化车间中开展，每次使用前都需要对所有设备进行消毒、杀菌处理，并且设备本身不得对百级净化车间造成污染，需要满足百级环境的要求。而传统加湿器设备中含有风扇，其发尘量较大，无法满足净化车间的要求，并且其内部结构封闭或存在难以清理、消毒的死角，无法做到全面清理、消毒处理；医用加湿器多是保证雾化加湿通道的洁净度，但设备本体对环境洁净度的影响却无法避免。

基于以上发明构思，为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种用于生物陶瓷无丝3D打印的雾化加湿系统，其特殊之处在于：包括自动雾化加湿控制器、湿度传感器、净化气源、超声波驱动器、储水罐和导向管；

湿度传感器设置在3D打印腔室内，用于采集3D打印腔室内的湿度；

储水罐包括可拆卸连接的罐盖和罐体；罐体底部开孔，在开孔处安装有超声雾化振子；罐盖上方可拆卸地设置有与罐体相连通的导向管，导向管的端部可拆卸地设置有雾化喷头；

超声波驱动器用于驱动所述超声雾化振子工作，使储水罐中的水雾化；

净化气源通过进气管道与储水罐的罐体连通；

进气管道上设置有电磁阀；

自动雾化加湿控制器与所述电磁阀、超声波驱动器以及湿度传感器均相连；

储水罐、导向管、雾化喷头均采用不锈钢材料制成。

进一步地，所述雾化喷头内设置有不锈钢材料制成的分散装置，用于使雾化气体均匀、缓慢喷出。

进一步地，所述分散装置包括叠加设置的多层30-50目的不锈钢孔网。

进一步地，所述雾化喷头为可拆分式，包括喷头主体和螺接在喷头主体出口端处的锁紧套。

进一步地，所述导向管采用波纹管。

进一步地，所述湿度传感器有多个，分布式布设在3D打印腔室内。

进一步地，所述罐盖和罐体采用螺纹连接。

进一步地，所述罐盖和罐体之间设置有密封圈。

进一步地，所述罐盖与导向管采用螺纹连接，导向管与雾化喷头采用螺纹连接。

进一步地，净化气源为空气源或氮气源。

本发明同时提供了一种生物陶瓷无丝3D打印系统，包括打印腔室和打印机控制系统；其特殊之处在于：所述打印腔室内设置有上述的雾化加湿系统；所述雾化加湿系统中的自动雾化加湿控制器通过通讯总线与所述打印机控制系统相连，打印机控制系统可以通过通讯总线程控设置加湿湿度阈值，并实时接收、显示、保存打印腔室内的湿度值。

本发明的优点是：

1)将本发明应用到现有的无丝3D打印机中，能够有效解决生物陶瓷材料在3D打印过程中易发生表面龟裂的问题；本发明采用净化气源驱动雾化后的小水滴形成雾化气流，与传统采用风扇驱动气流的加湿器等相比，系统中没有了机械运动的风扇，也就消除了风扇所产生的粉尘，可满足百级净化车间的环境要求；雾化气流所接触的零部件均选用不锈钢，发尘量低，满足医疗器械对设备材质的要求。

2)在雾化喷头内设置分散装置，能够增加导向管内阻力，抑制层流现象，使得雾化气体均匀、缓慢地向四周自由扩散，有利于3D打印腔室内的均匀加湿。

3)储水罐、导向管、雾化喷头等接触纯净水和雾化气流的组件，均设计为可拆卸式，方便清洁、消毒处理，满足百级净化车间里设备的日常维护、清洁要求。

4)导向管采用波纹管，具有一定柔性，既能随意变换方向，也能通过波纹管自身的阻尼支撑雾化喷头的重量，实现雾化喷头任意位置、任意方向的调节，可在生物陶瓷3D打印过程中，给打印模型定点、定向加湿，操作灵活，使用方便。

5)湿度传感器有多个，分布式布设于打印腔式内，提高了检测精度，进而提高了湿度调节灵敏度。

6)导向管和罐盖、喷头的连接均采用螺纹连接，方便拆卸。

附图说明

图1是本发明自动雾化加湿系统的原理框图；

图2是本发明自动雾化加湿系统的结构示意图；

图3是本发明中喷头主体、分散装置和锁紧套的装配关系图；

附图标记说明：1-超声波驱动器，2-罐盖，3-导向管，4-超声雾化振子，5-罐体，6-进气管道，7-分散装置，8-雾化喷头，9-自动雾化加湿控制器，10-电磁阀，81-喷头主体，82-锁紧套。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明所提供的雾化加湿系统，包括自动雾化加湿控制器9、湿度传感器、储水罐、超声波驱动器1、超声雾化振子4、净化气源(例如空气源、氮气等惰性气体源)、导向管3和分散装置7。

湿度传感器设置在3D打印腔室内，用于采集3D打印腔室内的湿度；湿度传感器可以有多个，分布在3D打印腔室的不同位置，以提高湿度检测精度。

为满足医疗器械的相关要求，将储水罐设计为可拆卸连接的罐体5和罐盖2，并且罐体5和罐盖2均采用不锈钢材料制成，以便于清洗和消毒处理；罐体5和罐盖2之间可以采用螺纹连接，并利用橡胶密封圈进行密封；也可以采用卡扣连接的方式；罐体5底部开孔，在开孔处安装超声雾化振子4；在罐盖2上方设置与罐体5相连通的导向管3，导向管3的端部设置有雾化喷头8；导向管3采用不锈钢波纹管，既能随意变换方向，也能通过不锈钢波纹管自身的阻尼支撑雾化喷头8的重量，实现雾化喷头8任意位置、任意方向的调节；在打印过程中，将导向管3调整为水平方向，喷头靠近打印托盘并微微向上倾斜，防止雾化气流冷凝后流到3D打印机中；

净化气源通过进气管道6与储水罐的罐体5连通；进气管道6上设置有电磁阀10；

自动雾化加湿控制器9与电磁阀10、超声波驱动器1以及湿度传感器均相连。

经超声雾化后产生的微小水滴，在净化气源所提供气流的驱动作用下从导向管3中吹到雾化喷头8处；由于导向管3管壁的阻力作用，导向管3内的雾化气体流动时会出现层流现象(雾化气流在管内流动时，由于管壁阻力，流速呈现出抛物面状，靠近管路中心的速度快，靠近管壁的速度慢，即此处的层流现象)，因此，在雾化喷头8中设置分散装置7，以抑制层流现象，使雾化气体从雾化喷头8均匀、缓慢地喷出雾化气体，有利于3D打印腔室内的均匀加湿；具体的，分散装置7可采用多层不锈钢致密孔网，优选随机叠加的3层30-50目的孔网。为了固定分散装置同时方便拆卸、清洗、消毒，将雾化喷头8设计为两部分，包括喷头主体81和螺接在喷头主体出口端处的锁紧套82；如图3所示，安装时，先将分散装置7放置于带有内螺纹的锁紧螺套82中，然后再将锁紧螺套82套装在喷头主体81出口端部外，锁紧螺套与喷头主体81螺纹连接，从而将分散装置夹紧并固定，这样拆卸、清洗、消毒都很方便；雾化喷头8也采用不锈钢材质制成。

本发明工作过程：

自动雾化加湿控制器9通过湿度传感器实时采集3D打印腔室内的湿度值：

当湿度值低于设定的湿度阈值时，自动雾化加湿控制器9向超声波驱动器1发出加湿控制信号，该加湿控制信号经过超声波驱动器1进行功率放大后，驱动超声雾化振子4，使储水罐中的水雾化。同时，自动雾化加湿控制器9打开电磁阀10，使净化气源提供的净化气源进入储水罐中，使得雾化后的微小液滴在气流驱动下沿着导向管3从雾化喷头8喷出，达到打印腔室内，实现加湿的目的。

当湿度值达到设定的湿度阈值时，自动雾化加湿控制器9停止发送加湿控制信号，从而停止雾化加湿；同时，自动雾化加湿控制器9关闭电磁阀10，阻断净化气源气流进入储水罐。

综上，本发明能够使得3D打印系统中3D打印腔体内的湿度保持在设定湿度范围内。

本发明同时还提供了一种生物陶瓷无丝3D打印系统，包括打印腔室和打印机控制系统；打印腔室内设置有上述的雾化加湿系统；雾化加湿系统中的自动雾化加湿控制器通过通讯总线与打印机控制系统相连，打印机控制系统通过通讯总线程控设置加湿湿度阈值,并实时接收、显示打印腔室内的湿度值。在打印过程中，打印机控制系统能够实时保存打印腔室内的湿度值；在打印结束后，可将模型打印过程中的打印腔室内湿度范围自动写入打印报告中。

Claims (10)

1.用于生物陶瓷无丝3D打印的雾化加湿系统，其特征在于：包括自动雾化加湿控制器、湿度传感器、净化气源、超声波驱动器、储水罐和导向管；

湿度传感器用于采集3D打印腔室内的湿度；

储水罐包括可拆卸连接的罐盖和罐体；罐体底部开孔，在开孔处安装有超声雾化振子；罐盖上方可拆卸地设置有与罐体相连通的导向管，导向管的端部可拆卸地设置有雾化喷头；

超声波驱动器用于驱动所述超声雾化振子工作，使储水罐中的水雾化；

净化气源通过进气管道与储水罐的罐体连通；

进气管道上设置有电磁阀；

自动雾化加湿控制器与所述电磁阀、超声波驱动器以及湿度传感器均相连；

储水罐、导向管、雾化喷头均采用不锈钢材料制成。

2.根据权利要求1所述的雾化加湿系统，其特征在于：所述雾化喷头内设置有不锈钢材料制成的分散装置，用于使雾化气体均匀、缓慢喷出。

3.根据权利要求2所述的雾化加湿系统，其特征在于：所述分散装置包括叠加设置的多层30-50目的不锈钢孔网。

4.根据权利要求1-3任一所述的雾化加湿系统，其特征在于：所述雾化喷头为可拆分式，包括喷头主体和螺接在喷头主体出口端处的锁紧套。

5.根据权利要求4所述的雾化加湿系统，其特征在于：所述导向管采用波纹管。

6.根据权利要求5所述的雾化加湿系统，其特征在于：所述湿度传感器有多个，分布式布设在3D打印腔室内。

7.根据权利要求6所述的雾化加湿系统，其特征在于：所述罐盖和罐体采用螺纹连接。

8.根据权利要求7所述的雾化加湿系统，其特征在于：所述罐盖和罐体之间设置有密封圈。

9.根据权利要求8所述的雾化加湿系统，其特征在于：所述罐盖与导向管采用螺纹连接，导向管与雾化喷头采用螺纹连接。

10.生物陶瓷无丝3D打印系统，包括打印腔室和打印机控制系统；其特征在于：所述打印腔室内设置有权利要求1-9任一所述的雾化加湿系统；所述雾化加湿系统中的自动雾化加湿控制器通过通讯总线与所述打印机控制系统相连，打印机控制系统可通过通讯总线程控设置加湿湿度阈值，并实时接收、显示、保存打印腔室内的湿度值。