CN109261970A - 3d打印设备及使用该设备制备医用多孔钽金属植入材料的方法 - Google Patents

3d打印设备及使用该设备制备医用多孔钽金属植入材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种3D打印设备，包括支架、工作台、升降机构、加热机构、3D打印单元和平面传动机构，所述工作台水平设置在所述支架上方，所述加热机构设置在所述工作台上，所述升降机构设置在所述支架内，并与所述工作台传动连接，所述升降机构驱动所述工作台上下移动，还包括回收槽，所述回收槽为内部中空且上端开口的长方体形，所述回收槽水平设置在所述支架的上端，且其底壁上开有供所述工作台穿过的缺口，所述平面传动机构设置在所述支架上方，并与设置在所述回收槽上方的所述3D打印单元传动连接，所述平面传动机构驱动3D打印单元在所述回收槽上方沿所述回收槽的长度方向或宽度方向移动，以通过所述3D打印单元在所述工作台内打印制样。

Description

3D打印设备及使用该设备制备医用多孔钽金属植入材料的 方法
技术领域
本发明涉及医用多孔金属材料及其制备方法领域。更具体地说，本发明涉及一种3D 打印设备及使用该设备制备医用多孔钽金属植入材料的方法。
背景技术
当前，随着人口老龄化加剧，骨组织损伤、股骨头组织坏死、髋关节受损等常见骨科疾病大幅增加，但是传统方法的治疗效果不佳，手术后恢复缓慢，手术造成的二次伤害也较大，且大部分植入物的手术效果具有一定时效性。达到一定使用年限后，有些病人还需要对植入物进行手术翻修，给病人增加了痛苦和经济负担。
面对骨组织创伤和股骨组织坏死等治疗方案存在力学及骨诱导性能不佳的问题，随着多孔材料在体内的重要性被揭示后，这一问题得到较好的解决。经研究发现多孔材料的孔隙率和孔的大小是决定植入物成功与否的重要因素，增加孔隙率或减少“死腔”将有利于骨长入。一般认为空隙率大于60％，空隙直径大于150μm，将有利于骨的长入，当孔隙大小为200μm-400μm的最有利于新骨生长。同时，较大的空隙率可以减少植入材料的重量，并可使其在生物力学指标上与人体骨骼接近。但对材料的加工提出较高的要求。制备孔隙率大，孔隙形状规则均匀，孔隙联通率高的医用植入材料是研发的目标。
目前常用的这类医学植入材料以多孔金属钛等为主。而高熔点金属钽，由于它具有更加优秀的生物相容性和力学性能，其多孔材料可以作为替代前述等传统医用金属生物材料，为病人提供更加优异的手术效果。
医用多孔钽金属材料的制备方法主要有粉末松装烧结法、泡沫浸渍烧结法，浆料发泡法等，这些方法都需要提前制备好承载细小钽金属粉末颗粒攀附的模具支架。模具支架一旦生产就无法对孔隙率、弹性模量这些进行干预和调控。而且每个病人的病症和生理特征都是有着很大差异，提前预制好的模具支架，无法做到与病人的完美的匹配。不能高度匹配带来的直接后果就是让手术效果和病人康复效果大打折扣。
而增材制造(3D打印)技术的出现，有效的改变了多孔金属钽的制作流程、工艺和产品质量，再也不需要提前预制好模具支架。这样不仅可以根据病人个体特征提供定制化的多孔医用金属钽，提升治疗的效果。还可以大幅降低生产成本，减轻病人和社会的整体负担。
目前还有间接3D打印方法制作多孔钽金属的方法，是用粘接剂将钽金属粉末粘接成型，这种方法相对来说对材料的浪费较大，且精度不高。
本发明所采用三维印刷(3DP)技术，直接喷射含有钽金属纳米颗粒的墨水，当打印完成后，打印平台会通过加热将多余的液体蒸发，只留下金属部分。并可以人为调整孔隙率和孔径，并增加了钽金属层的厚度，只需要再通过后续的高温烧结，从而使材料获得足够的机械强度，且完全具备了应用化学气相沉积的方法制备得到的多孔钽金属材料的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种3D打印设备及利用3D打印技术打印医用多孔钽金属植入材料的制备方法。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种3D打印设备，包括支架、工作台、升降机构、加热机构、3D打印单元和平面传动机构，所述工作台水平设置在所述支架上方，所述加热机构设置在所述工作台上，所述升降机构设置在所述支架内，并与所述工作台传动连接，所述升降机构驱动所述工作台上下移动，还包括回收槽，所述回收槽为内部中空且上端开口的长方体形，所述回收槽水平设置在所述支架的上端，且其底壁上开有供所述工作台穿过的缺口，所述平面传动机构设置在所述支架上方，并与设置在所述回收槽上方的所述3D打印单元传动连接，所述平面传动机构驱动3D打印单元在所述回收槽上方沿所述回收槽的长度方向或宽度方向移动，以通过所述3D打印单元在所述工作台内打印制样。
优选的是，所述平面传动机构包括第一直线移动机构、第二直线移动机构、安装板、导轨和滑动组件，所述第一直线移动机构沿所述回收槽的长度方向设置在其一侧侧壁上，所述导轨与所述第一直线移动机构相对设置，并水平设置在所述回收槽的的另一侧侧壁上，所述安装板为条形板，其沿所述回收槽的宽度方向设置在所述回收槽的上方，其一端与所述第一直线移动机构传动连接，其另一端通过所述滑动组件可滑动的安装在所述导轨上；所述第二直线移动机构安装在所述安装板上，并与所述3D打印单元传动连接，所述第二直线移动机构驱动所述3D打印单元沿所述回收槽的宽度方向移动。
优选的是，所述滑动组件包括连接件，所述连接件固定在所述安装板远离所述第一直线移动机构的一端，其靠近所述导轨的一侧沿所述安装板的长度方向水平设有两个偏心轴和与两个所述偏心轴分别对应的滚轮，所述滚轮分别可转动的套设在对应的所述偏心轴上，其中一个所述偏心轴位于所述导轨上方，且与其对应的所述滚轮的下部与所述导轨的上端面接触，另一个所述偏心轴位于所述导轨下方，且与其对应的所述滚轮的上部与所述导轨的下端面具有跳动间隙。
优选的是，所述第一直线移动机构包括第一丝杠、第一滑座、安装座和第一电机，所述第一丝杠与所述导轨平行设置沿所述回收槽的长度方向设置，其两端分别通过与其转动配合的轴承座固定在所述安装座的上端面，所述第一滑座上设有与所述第一丝杠对应的螺纹通孔，所述第一滑座与所述第一丝杠螺纹连接，所述第一电机与所述第一丝杠传动连接，所述安装板远离所述导轨的一端与所述第一滑座连接固定，所述第一滑座下端与所述安装座接触。
优选的是，所述第二直线移动机构包括第二丝杠、第二滑座和第二电机，所述第二丝杠沿所述安装板的长度方向水平设置沿所述回收槽的宽度方向设置，并与所述导轨垂直，其两端分别通过与其转动配合的轴承座固定在所述安装板的上端，所述安装板的上端面为水平面，所述第二滑座上设有与所述第二丝杠对应的螺纹通孔，所述第二滑座与所述第二丝杠螺纹连接，且其下端面与所述安装板的上端面接触，所述第二电机与所述第二丝杠传动连接，所述3D打印单元安装在所述第二滑座上。
优选的是，所述3D打印单元包括支架和喷头，所述支架安装在所述第二滑座上，所述喷头安装在所述支架上。
采用上述进一步方案的有益效果是：(1)本发明所述一种用于3D打印设备的平面传动机构采用丝杠传动，避免了皮带传动产生的振动和打滑导致的传动精度低的问题；且丝杠能驱动3D打印单元往复运动，传动精度高，重复定位精度高；(2)本发明所述滑动组件降低了所述安装板的加工精度和安装精度需求，取代了传统的法兰，消除了3D打印单元平面移动的卡顿，降低所述安装板沿所述导轨移动的阻力，使所述3D打印单元移动更平稳。
优选的，一种基于上述的3D打印设备打印医用多孔钽金属植入材料的制备方法，其主要包括以下步骤：
步骤一、制墨：配置25-42重量份的纳米金属钽粉、2-5重量份的聚氨酯改性环氧树脂、0.5-3重量份的二氧化硅、50-72.5重量份的超纯水，备用；
步骤二、搅拌：在真空反应釜中预先加入超纯水后进行低速搅拌后，再依次加入步骤一中各原材料进行混合搅拌，得到含有金属钽的墨水，备用；
步骤三、导入STL文件：提前将设计好的多孔钽立体三维模型的STL文件导入3D 打印设备中，进行切片处理，得到当前需要打印的截面图形；
步骤四、送墨：将步骤二中制得的含有金属钽的墨水送入3D打印设备中；
步骤五、启动系统：启动3D打印设备，通过加热机构对3D打印设备的所述工作台基面进行预热；
步骤六、利用3D打印系统进行多孔钽打印：3D打印设备的喷头根据截面图像在所述工作台基面进行扫描，并直接喷射含有金属钽的墨水，以对多孔钽进行逐层打印；每完成一层打印后，工作台基面下降0.1mm，并进行下一层的打印，直至完成整个多孔钽的制造过程；
步骤七、烘干：多孔钽打印完成后，加热机构继续对所述工作台的基面进行加热，直至墨水中其他成分完全蒸发，得到初成型的多孔钽制品后，加热停止；
步骤八、高温烧结：将烘干后的多孔钽制品放入真空微波烧结炉进行高温烧结，所述烧结按如下步骤进行：在真空度为10-4Pa～10-3Pa，以10～20℃/min升温至1500～1800℃、保温120～240min、随炉冷至200～300℃，再以10～20℃/min升温至1500～1800℃、保温180～240min，以5～10℃/min升温至2000～2200℃、保温120～360min；所述烧结后的冷却为真空度10-4Pa～10-3Pa；以10～20℃/min的速率冷却至1500～1600℃，保温30～ 60min；以12～20℃/min的速率冷却至1200～1250℃，保温60～90min；以10～20℃/min 的速率冷却至800℃，然后随炉冷却；所述冷却后还进行退火处理，所述退火处理步骤是真空度为10-4Pa～10-3Pa，以10～20℃/min升温至800～900℃、保温240～480min，再以2～5℃/min冷至400℃、保温120～300min，然后随炉冷却至室温，最终得到所需要的多孔钽医用植入材料。
优选的是，所述步骤二中，搅拌速度为200-300r/min，混合搅拌时间为3h，搅拌温度为55℃-65℃。
优选的是，所述步骤三中，所述工作台基面预热到110℃～120℃。
优选的是，所述步骤三中，所述工作台基面预热到110℃。
本发明的有益效果是：(1)相比气相法，本发明无需提前做好骨架，就可直接进行多孔钽的制造，且可根据是需要，人为调控多孔钽植入材料的孔径和孔隙率，提高多孔钽植入材料的适用性；(2)相比传统的3D打印采用钽粉末，本发明制备出含有钽金属的墨水进行多孔钽的制造，可减少对钽粉末的浪费，节约制造成本，且整个制备过程无害、无污染、无毒害粉尘，对人体无副作用；(3)本发明采用喷头直接喷射含有钽金属的墨水进行多孔钽植入材料的制造，具有更高的精度和更快的速度；(4)本发明的多孔钽植入材料孔隙率高，且孔隙均一，为互相连通的多孔结构，孔隙死腔少，与人体松质骨相似，可促进骨长入；(5)真空微波烧结过程使制件各个方向的力均匀，消除了3D打印带来的固有平行方向的剪切力影响；(7)本发明的多孔钽植入材料重量轻，强度适中，无细胞毒性，生物相容性好；(8)本发明全程均为数字化驱动，制件精度高。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明所述3D打印设备的结构示意图之一；
图2为本发明所述3D打印设备的结构示意图之二；
图3为本发明所述3D打印设备的结构示意图之三；
图4为本发明所述滑动组件的结构示意图之一；
图5为本发明所述滑动组件的结构示意图之二；
图6为本发明所述滑动组件的剖视图；
图7为本发明所述滑动组件的结构爆炸图；
图8为本发明所述支架的结构示意图。
具体的附图标记为：
1、支架；2、工作台；4、3D打印单元；41、支架；42、导滑块；5、平面传动机构； 51、第一直线移动机构；511、第一丝杠；512、第一滑座；513、安装座；514、；肋条； 515、滑块；52、第二直线移动机构；521、第二丝杠；522、第二滑座；523、第二电机； 524、滑轨；53、安装板；54、导轨；55、滑动组件；551、连接件；552、偏心轴；553、滚轮；6、回收槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
<实施例1>
一种3D打印设备，如图1-3所示，包括支架1、工作台2、升降机构、加热机构、3D 打印单元4和平面传动机构5，所述工作台2水平设置在所述支架1上方，所述加热机构设置在所述工作台2上端，所述升降机构设置在所述支架内，并与所述工作台2传动连接，所述升降机构驱动所述工作台2上下移动，还包括回收槽6，所述回收槽6为内部中空且上端开口的长方体形，所述回收槽6水平设置在所述支架1的上端，且其底壁上开有供所述工作台2穿过的缺口，所述平面传动机构5设置在所述支架1上方，并与设置在所述回收槽6上方的所述3D打印单元4传动连接，所述平面传动机构5驱动3D打印单元4在所述回收槽6上方沿所述回收槽6的长度方向或宽度方向移动，以通过所述3D打印单元 4在所述工作台2内打印制样。实施时，将通过步骤一和步骤二制得的含有金属钽的墨水盛装在墨盒里，并通过管道将墨盒内的墨水输送至3D打印单元4内，以供3D打印单元4 使用；所述加热机构为硅胶加热板，在实际使用过程中，通过将硅胶加热版粘贴到所述工作台2四周的外侧侧壁上，利用热传导效应实现对工作台2预热的功能，所述工作台2的上端面即为所述工作台2的基面；
其中，所述回收槽6上端开口，并可拆卸的安装在所述支架1的上端，所述工作台2上端位于所述回收槽6上端的开口处，所述回收槽6可用于回收从所述工作台2中掉落的材料，拆卸所述回收槽6可集中回收掉落在所述回收槽6中材料。
本实施例中，所述平面传动机构5包括第一直线移动机构51、第二直线移动机构52、安装板53、导轨54和滑动组件55，所述第一直线移动机构51沿所述回收槽6的长度方向设置在其一侧侧壁上，所述导轨54与所述第一直线移动机构51相对设置，并水平设置在所述回收槽6的的另一侧侧壁上，所述安装板53为条形板，其沿所述回收槽6的宽度方向设置在所述回收槽6的上方，其一端与所述第一直线移动机构51传动连接，其另一端通过所述滑动组件55可滑动的安装在所述导轨54上；所述第二直线移动机构2安装在所述安装板53上，并与所述3D打印单元4传动连接，所述第二直线移动机构52驱动所述3D打印单元4沿所述回收槽6的宽度方向移动。
如图4-7所示，所述滑动组件55包括连接件551、两个偏心轴552和与两个所述偏心轴552分别对应的所述滚轮553，所述连接件551安装在所述安装板53远离所述第一滑座512的一端，两个所述偏心轴552分别沿所述回收槽6的宽度方向水平设置，且所述偏心轴552包括螺纹段和偏心段，其螺纹段贯穿所述连接件551，并通过与其螺纹配合的螺母与所述连接件551紧固住，所述偏心轴552的偏心段位于所述连接件551靠近所述导轨 54的一侧，且两个所述偏心轴552分别位于所述导轨54的上方和下方。
所述滚轮553分别套设在对应的所述偏心轴552的偏心段上，并可相对于所述偏心轴 552的偏心段转动，其中位于所述导轨54上方的所述偏心轴552上的所述滚轮553的下部与所述导轨54的上端面接触，位于所述导轨54下方的所述偏心轴552上的所述滚轮 553的上部与所述导轨54的下端面之间具有跳动间隙。
所述滚轮553为深沟滚子轴承。
两个所述偏心轴552在所述回收槽6的长度方向上水平交错设置，以保证所述3D打印单元4移动的平稳度。
本实施例中，所述第一直线移动机构51包括第一丝杠511、第一滑座512、安装座513 和第一电机，所述第一丝杠511沿所述回收槽6的长度方向设置，其两端分别通过与其转动配合的轴承座固定在所述安装座513的上端面，所述第一滑座512上设有与所述第一丝杠511对应的螺纹通孔，所述第一滑座512与所述第一丝杠511螺纹连接，所述第一电机与所述第一丝杠511传动连接，所述安装板53远离所述导轨54的一端与所述第一滑座512 连接固定，所述第一滑座512下端与所述安装座513接触。
本实施例中，所述安装座513的上端面对应所述第一滑座512的位置沿所述回收槽6 的长度方向设有肋条514，所述第一滑座512下端的两侧分别设有滑块515，两个所述滑块515相互靠近的一侧分别与所述肋条514的两侧接触，以使所述第一滑座512可沿所述第一丝杠511稳定移动。
所述导轨54沿所述回收槽6的长度方向安装在所述回收槽6背离所述安装座513的一侧，所述安装板53为条形板，其长度方向与所述回收槽6的宽度方向一致，并垂直于所述导轨54，所述安装板53位于所述回收槽6上方，其一端的下端与所述第一滑座512 的上端连接固定，另一端通过所述滑动组件55可滑动的安装在所述导轨54上。
所述第一电机可驱动所述第一丝杠511转动，并带动所述第一滑座512沿所述第一丝杠511的轴向移动，以带动所述安装板53沿所述回收槽6的长度方向往复移动。
本实施例中，所述第二直线移动机构52包括第二丝杠521、第二滑座522和第二电机523，所述第二丝杠521沿所述回收槽6的宽度方向设置，并与所述导轨54垂直，其两端分别通过与其转动配合的轴承座固定在所述安装板53的上端，所述安装板53的上端面为水平面，所述第二滑座522上设有与所述第二丝杠521对应的螺纹通孔，所述第二滑座522与所述第二丝杠521螺纹连接，且其下端面与所述安装板53的上端面接触，所述第二电机523与所述第二丝杠521传动连接，所述3D打印单元4安装在所述第二滑座522 上。
所述第二电机523可驱动所述第二丝杠521转动，以带动所述第二滑座522沿所述第二丝杠521的轴向往复移动，以带动所述3D打印单元4沿回收槽6的宽度方向往复移动。
如图8所示，所述3D打印单元4包括支架41和喷头(图中未示出)，所述支架41 呈L型，其竖直段与所述第二滑座522固定连接，所述喷头安装在所述支架41的水平段，所述喷头设有多个，多个所述喷头沿所述支架41的水平段的长度方向(此处为沿回收槽6的宽度方向)依次并列设置；实施时，所述喷头为压电喷头。
所述安装板53靠近所述支架41的一侧设有与所述第二丝杠521平行的滑轨524，所述支架41的竖直段上设有与所述滑轨524配合的导滑块42，所述导滑块42可滑动的安装在所述滑轨524上，以保证所述3D打印单元4沿所述回收槽6的宽度方向运动的稳定性。
所述第一电机可驱动所述第一丝杠511带动所述安装板53沿所述回收槽6的长度方向移动，所述3D打印单元4随所述安装板53沿所述回收槽6的长度方向往复移动，所述 3D打印单元4在往复移动的同时，其多个所述喷头同时喷射含有金属钽的墨水，已完成对多孔钽金属植入材料的打印制造；所述第二电机523可驱动所述第二丝杠521带动所述 3D打印单元4沿所述回收槽6的宽度方向往复移动，所述3D打印单元4在往复移动的同时，其多个所述喷头同时喷射含有金属钽的墨水，已完成对多孔钽金属植入材料的打印制造。
本发明所述平面传动机构利用所述第一电机(图中未示出)和所述第二电机523分别驱动所述第一丝杠511和所述第二丝杠521分别带动所述3D打印单元4沿所述回收槽6 的长度和宽度方向移动，可实现所述3D打印单元4的高精度传动，运行精度高，重复定位精度更准确；且所述第一电机(图中未示出)和所述第二电机523可实现所述3D打印单元4的匀加减速，保证所述3D打印单元4移动的稳定性，有利于保证3D打印设备的精度。
在装配所述安装板53时，所述安装板53的一端与所述第一滑座512上端连接固定，其另一端通过所述滑动组件55可滑动的安装在所述导轨54上，为保证所述3D打印单元 4平面移动，需水平安装所述安装板53，旋转所述偏心轴552可补偿所述安装板53水平度，降低了所述安装板53的加工精度和安装精度需求。
所述滑动组件55轴承取代了法兰，避免法兰在水平方向对导轨54产生夹持力，防止因所述安装板53远离所述第一直线移动机构51的一端的滞后导致的所述3D打印单元4卡顿，降低所述安装板53远离所述第一直线移动机构51的一端沿所述导轨54移动的阻力，保证所述安装板53的两端运动的同步性，使所述3D打印单元4移动更平稳。
一种基于上述任一实施例所述的3D打印设备打印医用多孔钽金属植入材料的制备方法，其主要包括以下步骤：
步骤一、制墨：配置25重量份的纳米金属钽粉、2重量份的聚氨酯改性环氧树脂、0.5重量份的二氧化硅、72.5重量份的超纯水，备用；
步骤二、搅拌：在真空反应釜中预先加入超纯水后以200r/min进行低速搅拌后，再依次加入步骤一中各原材料以200r/min，搅拌温度为55℃进行混合搅拌3h，得到含有金属钽的墨水，备用；
步骤三、导入STL文件：提前将设计好的多孔钽立体三维模型的STL文件导入3D 打印设备中，进行切片处理，得到当前需要打印的截面图形；
步骤四、送墨：将步骤二中制得的含有金属钽的墨水送入3D打印设备中；
步骤五、启动系统：启动3D打印设备，通过加热机构对3D打印设备的所述工作台2基面进行预热，预热至110℃；
步骤六、利用3D打印设备进行多孔钽打印：3D打印设备的喷头根据截面图像在所述工作台2基面进行扫描，并直接喷射含有金属钽的墨水，以对多孔钽进行逐层打印；每完成一层打印后，工作台2基面下降0.1mm，并进行下一层的打印，直至完成整个多孔钽的制造过程；
步骤七、烘干：多孔钽打印完成后，加热机构继续对所述工作台2基面进行加热，直至墨水中其他成分完全蒸发，得到初成型的多孔钽制品后，加热停止；
步骤八、高温烧结：将烘干后的多孔钽制品放入真空微波烧结炉进行高温烧结，所述烧结按如下步骤进行：在真空度为10-4Pa，以10℃/min升温至1500℃、保温120min、随炉冷至200℃，再以10℃/min升温至1500℃、保温180min，以5℃/min升温至2000℃、保温120min；所述烧结后的冷却为真空度10-4Pa；以10℃/min的速率冷却至1500℃，保温30min；以12℃/min的速率冷却至1200℃，保温60min；以10℃/min的速率冷却至800℃，然后随炉冷却；所述冷却后还进行退火处理，所述退火处理步骤是真空度为10-4Pa，以10℃ /min升温至800℃、保温240min，再以2℃/min冷至400℃、保温120min，然后随炉冷却至室温，最终得到所需要的多孔钽医用植入材料。
发明人按GB/T5163-2006、GB/T5249-1985、GB/T6886-2001等标准对上述多孔钽成品材料密度、孔隙率及各种力学性能进行检测，经测试其密度为5.01g/cm3，孔隙度约为70％，孔径约在400μm，抗压强度51.6MPa，弯曲强度67.5MPa，弹性模量1.8Gpa；其多孔钽材料孔隙完全三维连通且均匀分布。
<实施例2>
一种3D打印设备，使用与实施例1中相同的3D打印设备进行打印制造多孔钽医用植入材料。
一种基于上述任一实施例所述的3D打印设备打印医用多孔钽金属植入材料的制备方法，其主要包括以下步骤：
步骤一、制墨：配置35重量份的纳米金属钽粉、3重量份的聚氨酯改性环氧树脂、2重量份的二氧化硅、60重量份的超纯水，备用；
步骤二、搅拌：在真空反应釜中预先加入超纯水后以250r/min进行低速搅拌后，再依次加入步骤一中各原材料以200r/min，搅拌温度为60℃进行混合搅拌3h，得到含有金属钽的墨水，备用。
步骤三、导入STL文件：提前将设计好的多孔钽立体三维模型的STL文件导入3D 打印设备中，进行切片处理，得到当前需要打印的截面图形；
步骤四、送墨：将步骤二中制得的含有金属钽的墨水送入3D打印设备中；
步骤五、启动系统：启动3D打印设备，通过加热机构对3D打印设备的所述工作台2基面进行预热，预热至110℃；
步骤六、利用3D打印设备进行多孔钽打印：3D打印设备的喷头根据截面图像在所述工作台2基面进行扫描，并直接喷射含有金属钽的墨水，以对多孔钽进行逐层打印；每完成一层打印后，工作台2基面下降0.1mm，并进行下一层的打印，直至完成整个多孔钽的制造过程；
步骤七、烘干：多孔钽打印完成后，加热机构继续对所述工作台2基面进行加热，直至墨水中其他成分完全蒸发，得到初成型的多孔钽制品后，加热停止；
步骤八、高温烧结：将烘干后的多孔钽制品放入真空微波烧结炉进行高温烧结，所述烧结按如下步骤进行：在真空度为10-4Pa，以15℃/min升温至1600℃、保温180min、随炉冷至250℃，再以15℃/min升温至1600℃、保温200min，以8℃/min升温至2100℃、保温240min；所述烧结后的冷却为真空度10-4Pa；以15℃/min的速率冷却至1550℃，保温40min；以16℃/min的速率冷却至1200℃，保温75min；以15℃/min的速率冷却至800℃，然后随炉冷却；所述冷却后还进行退火处理，所述退火处理步骤是真空度为10-4Pa，以15℃ /min升温至850℃、保温360min，再以3℃/min冷至400℃、保温180min，然后随炉冷却至室温，最终得到所需要的多孔钽医用植入材料。
发明人按GB/T5163-2006、GB/T5249-1985、GB/T6886-2001等标准对上述多孔钽成品材料密度、孔隙率及各种力学性能进行检测，经测试其密度为为5.23g/cm3，孔隙度约为60％，孔径约在300μm，抗压强度63.2MPa，弯曲强度70.4MPa，弹性模量2.3GPa；其多孔钽材料孔隙完全三维连通且均匀分布。
<实施例3>
一种3D打印设备，使用与实施例1中相同的3D打印设备进行打印制造多孔钽医用植入材料。
一种基于上述任一实施例式所述的3D打印设备打印医用多孔钽金属植入材料的制备方法，其主要包括以下步骤：
步骤一、制墨：配置42重量份的纳米金属钽粉、5重量份的聚氨酯改性环氧树脂、3重量份的二氧化硅、50重量份的超纯水，备用；
步骤二、搅拌：在真空反应釜中预先加入超纯水后以300r/min进行低速搅拌后，再依次加入步骤一中各原材料以300r/min，搅拌温度为65℃进行混合搅拌3h，得到含有金属钽的墨水，备用；
步骤三、导入STL文件：提前将设计好的多孔钽立体三维模型的STL文件导入3D 打印设备中，进行切片处理，得到当前需要打印的截面图形；
步骤四、送墨：将步骤二中制得的含有金属钽的墨水送入3D打印设备中；
步骤五、启动系统：启动3D打印设备，通过加热机构对3D打印设备的所述工作台2基面进行预热，预热至110℃；
步骤六、利用3D打印设备进行多孔钽打印：3D打印设备的喷头根据截面图像在所述工作台2基面进行扫描，并直接喷射含有金属钽的墨水，以对多孔钽进行逐层打印；每完成一层打印后，工作台2基面下降0.1mm，并进行下一层的打印，直至完成整个多孔钽的制造过程；
步骤七、烘干：多孔钽打印完成后，加热机构继续对所述工作台2基面进行加热，直至墨水中其他成分完全蒸发，得到初成型的多孔钽制品后，加热停止；
步骤八、高温烧结：将烘干后的多孔钽制品放入真空微波烧结炉进行高温烧结，所述烧结按如下步骤进行：在真空度为10-3Pa，以20℃/min升温至1800℃、保温240min、随炉冷至300℃，再以20℃/min升温至1800℃、保温240min，以10℃/min升温至2200℃、保温360min；所述烧结后的冷却为真空度10-3Pa；以20℃/min的速率冷却至1600℃，保温60min；以20℃/min的速率冷却至1250℃，保温90min；以20℃/min的速率冷却至800℃，然后随炉冷却；所述冷却后还进行退火处理，所述退火处理步骤是真空度为10-3Pa，以20℃ /min升温至900℃、保温480min，再以5℃/min冷至400℃、保温300min，然后随炉冷却至室温，最终得到所需要的多孔钽医用植入材料。
发明人按GB/T5163-2006、GB/T5249-1985、GB/T6886-2001等标准对上述多孔钽成品材料密度、孔隙率及各种力学性能进行检测，经测试其密度测试其密度为5.01g/cm3，孔隙度约为80％，孔径约在500μm，抗压强度48.6MPa，弯曲强度91.5MPa，弹性模量 1.6GPa；其多孔钽材料孔隙完全三维连通且均匀分布。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例/实施例。

Claims (10)

1.一种3D打印设备，包括支架(1)、工作台(2)、升降机构、加热机构、3D打印单元(4)和平面传动机构(5)，所述工作台(2)水平设置在所述支架(1)上方，所述加热机构设置在所述工作台(2)上，所述升降机构设置在所述支架内，并与所述工作台(2)传动连接，所述升降机构驱动所述工作台(2)上下移动，其特征在于，还包括回收槽(6)，所述回收槽(6)为内部中空且上端开口的长方体形，所述回收槽(6)水平设置在所述支架(1)的上端，且其底壁上开有供所述工作台(2)穿过的缺口，所述平面传动机构(5)设置在所述支架(1)上方，并与设置在所述回收槽(6)上方的所述3D打印单元(4)传动连接，所述平面传动机构(5)驱动3D打印单元(4)在所述回收槽(6)上方沿所述回收槽(6)的长度方向或宽度方向移动，以通过所述3D打印单元(4)在所述工作台(2)内打印制样。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印设备，其特征在于，所述平面传动机构(5)包括第一直线移动机构(51)、第二直线移动机构(52)、安装板(53)、导轨(54)和滑动组件(55)，所述第一直线移动机构(51)沿所述回收槽(6)的长度方向设置在其一侧侧壁上，所述导轨(54)与所述第一直线移动机构(51)相对设置，并水平设置在所述回收槽(6)的的另一侧侧壁上，所述安装板(53)为条形板，其沿所述回收槽(6)的宽度方向设置在所述回收槽(6)的上方，其一端与所述第一直线移动机构(51)传动连接，其另一端通过所述滑动组件(55)可滑动的安装在所述导轨(54)上；所述第二直线移动机构(2)安装在所述安装板(53)上，并与所述3D打印单元(4)传动连接，所述第二直线移动机构(52)驱动所述3D打印单元(4)沿所述回收槽(6)的宽度方向移动。
3.根据权利要求2所述的一种3D打印设备，其特征在于，所述滑动组件(55)包括连接件(551)，所述连接件(551)固定在所述安装板(53)远离所述第一直线移动机构(51)的一端，其靠近所述导轨(54)的一侧沿所述安装板(53)的长度方向水平设有两个偏心轴(552)和与两个所述偏心轴分别对应的滚轮(553)，所述滚轮(553)分别可转动的套设在对应的所述偏心轴(552)上，其中一个所述偏心轴(552)位于所述导轨(54)上方，且与其对应的所述滚轮(553)的下部与所述导轨(54)的上端面接触，另一个所述偏心轴(552)位于所述导轨(54)下方，且与其对应的所述滚轮(553)的上部与所述导轨(54)的下端面具有跳动间隙。
4.根据权利要求2所述的一种3D打印设备，其特征在于，所述第一直线移动机构(51)包括第一丝杠(511)、第一滑座(512)、安装座(513)和第一电机，所述第一丝杠(511)与所述导轨(54)平行设置沿所述回收槽(6)的长度方向设置，其两端分别通过与其转动配合的轴承座固定在所述安装座(513)的上端面，所述第一滑座(512)上设有与所述第一丝杠(511)对应的螺纹通孔，所述第一滑座(512)与所述第一丝杠(511)螺纹连接，所述第一电机与所述第一丝杠(511)传动连接，所述安装板(53)远离所述导轨(54)的一端与所述第一滑座(512)连接固定，所述第一滑座(512)下端与所述安装座(513)接触。
5.根据权利要求2所述的一种3D打印设备，其特征在于，所述第二直线移动机构(52)包括第二丝杠(521)、第二滑座(522)和第二电机(523)，所述第二丝杠(521)沿所述安装板(53)的长度方向水平设置沿所述回收槽(6)的宽度方向设置，并与所述导轨(54)垂直，其两端分别通过与其转动配合的轴承座固定在所述安装板(53)的上端，所述安装板(53)的上端面为水平面，所述第二滑座(522)上设有与所述第二丝杠(521)对应的螺纹通孔，所述第二滑座(522)与所述第二丝杠(521)螺纹连接，且其下端面与所述安装板(53)的上端面接触，所述第二电机(523)与所述第二丝杠(521)传动连接，所述3D打印单元(4)安装在所述第二滑座(522)上。
6.根据权利要求5所述的一种3D打印设备，其特征在于，所述3D打印单元(4)包括支架(41)和喷头，所述支架(41)安装在所述第二滑座(522)上，所述喷头安装在所述支架(41)上。
7.一种医用多孔钽金属植入材料的制备方法，其特征在于，使用如权利要求1－6任一项所述的3D打印设备进行制备，所述制备方法主要包括以下步骤：
步骤一、制墨：配置25-42重量份的纳米金属钽粉、2-5重量份的聚氨酯改性环氧树脂、0.5-3重量份的二氧化硅、50-72.5重量份的超纯水，备用；
步骤二、搅拌：在真空反应釜中预先加入超纯水后进行低速搅拌后，再依次加入步骤一中各原材料进行混合搅拌，得到含有金属钽的墨水，备用；
步骤三、导入STL文件：提前将设计好的多孔钽立体三维模型的STL文件导入3D打印设备中，进行切片处理，得到当前需要打印的截面图形；
步骤四、送墨：将步骤二中制得的含有金属钽的墨水送入3D打印设备中；
步骤五、启动系统：启动3D打印设备，通过加热机构对3D打印设备的所述工作台(2)基面进行预热；
步骤六、利用3D打印系统进行多孔钽打印：3D打印设备的喷头根据截面图像在所述工作台(2)基面进行扫描，并直接喷射含有金属钽的墨水，以对多孔钽进行逐层打印；每完成一层打印后，工作台基面下降0.1mm，并进行下一层的打印，直至完成整个多孔钽的制造过程；
步骤七、烘干：多孔钽打印完成后，加热机构继续对所述工作台(2)的基面进行加热，直至墨水中其他成分完全蒸发，得到初成型的多孔钽制品后，加热停止；
步骤八、高温烧结：将烘干后的多孔钽制品放入真空微波烧结炉进行高温烧结，所述烧结按如下步骤进行：在真空度为10-4Pa～10-3Pa，以10～20℃/min升温至1500～1800℃、保温120～240min、随炉冷至200～300℃，再以10～20℃/min升温至1500～1800℃、保温180～240min，以5～10℃/min升温至2000～2200℃、保温120～360min；所述烧结后的冷却为真空度10-4Pa～10-3Pa；以10～20℃/min的速率冷却至1500～1600℃，保温30～60min；以12～20℃/min的速率冷却至1200～1250℃，保温60～90min；以10～20℃/min的速率冷却至800℃，然后随炉冷却；所述冷却后还进行退火处理，所述退火处理步骤是真空度为10-4Pa～10- 3Pa，以10～20℃/min升温至800～900℃、保温240～480min，再以2～5℃/min冷至400℃、保温120～300min，然后随炉冷却至室温，最终得到所需要的多孔钽医用植入材料。
8.根据权利要求7所述的一种医用多孔钽金属植入材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，搅拌速度为200-300r/min，混合搅拌时间为3h，搅拌温度为55℃-65℃。
9.根据权利要求7所述的一种医用多孔钽金属植入材料的制备方法，其特征在于，所述步骤五中，所述工作台(2)基面预热到110℃～120℃。
10.根据权利要求9所述的一种医用多孔钽金属植入材料的制备方法，其特征在于，所述步骤五中，所述工作台(2)基面预热到110℃。
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