CN110450413B - 制造复杂曲面空心结构的喷墨式3d打印方法 - Google Patents

Abstract

制造复杂曲面空心结构的喷墨式3D打印方法，该方法包括以下操作：建立底模的数字模型，制作底模的实体模型；在底模的数字模型上，获得待成型件的数字模型；对待成型件的数字模型进行3D打印路径规划，使用挤出式以底模的成型面为支撑，采用喷墨打印将液体生物墨水喷涂在底模表面，喷墨打印的喷头向底模喷涂纳米液滴，喷头的喷墨范围为固定值。本发明的优点在于本发明的优点在于能够通过自动化3D打印制作出表面光洁度高、厚度精度高的具有复杂曲面的空心结构。

Description

制造复杂曲面空心结构的喷墨式3D打印方法

技术领域

本发明涉及一种能够精确成型出具有复杂曲面的空心结构的3D打印方法及打印机。

背景技术

随着生物制造技术的发展，3D打印技术已经成为组织器官修复、移植和重大疾病治疗、研究的重要方法之一。角膜、心房、肾小球、卵巢等，都是具有复杂曲面的空心结构，以角膜为例说明。

角膜移植供体短缺是国际上眼盲治疗领域的重大挑战，其中我国就超过500万，而且每年至少增加10万例新患，其中94.7%的角膜盲患者可以通过移植角膜恢复，但每年供体捐献仅能维持月5000个移植术。供体严重不足导致角膜患者与日俱增，因此，角膜体外生物制造方法研究有待突破。传统组织工程、脱细胞等方法由于难以实现精确多层成型、屈光度不可控以及功能差异性一直未得到广泛应用。

角膜是眼球壁外层前部透明部分，其结构如图1所示，承担人眼主要保护和屈光功能（角膜屈光功能占总屈光力的70~75%），屈光功能主要和角膜的形状、曲率、厚度等形貌参数有关，角膜损伤会导致角膜盲，形貌控制不好容易产生屈光不正、散光等多种角膜疾病。因此，屈光度可控的定制化角膜替代物才能有效保障角膜的光学功能。角膜替代物体外构建主要是依据其结构和屈光特性进行构建，角膜分为5层：上皮细胞层、Bowman层、基质层、Descemet膜、内皮细胞层。上皮层具有3~5层上皮细胞，起到保护内部结构作用，基质层占角膜总厚度的90%，由角膜基质细胞及高透明度胶原板层构成，角膜的透明度、形状的完整性、厚度以及曲率半径是影响角膜屈光能力的关键因素。

传统角膜替代物制造方法主要分为两类，非生物假体机械加工法，生物膜类细胞和组织工程制备法。非生物假体机械加工法采用不可降解的非生物材料制造，分为光学镜柱和支架两部分，中央光学镜柱要求光学性能好，提供眼视光通道，常为透明塑料制品，无法屈光，支架主要用来固定光学部件，与受体组织相结合，通常采用金属或自体骨。假体部分主要依靠机械加工方法制备，可实现一定光学功能，目前均按照统一参数制备，由于采用硬质材料导致自体组织产生严重磨损，移植手术过程极其复杂，术后视野受限，无法与自体组织结合，外观十分不理想，仅适用于终末期角膜病患者。Dohlman等学者首次报道的波士顿型角膜假体以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）镜柱和钛背板支架结合，镜柱和支架结合方式类似螺母，然而这种方法通常产生微小缝隙，容易导致术后感染。Strampelli等学者首次报道的骨-角膜瓣假体以患者自身的牙根和牙槽骨支撑光学圆柱体，需要手术取用自体组织，制备方法非常复杂。因此，角膜假体局限性很大，难以推广。

生物膜类制备法通常采用生物材料，接近天然角膜，但由于膜结构去逛能力不可控。常规组织工程的方法主要存在以下问题：1、平面膜结构，其变曲率曲面形貌难以精确控制，仅能获得有一定透光率的平面角膜，无法提供任何屈光能力；应用到临床中，只能为患者提供光亮，无法提供清晰的视觉。2、动物角膜脱落细胞基质：制备过程难以完全脱除有毒试剂，具有排斥反应，并且其结构无法与受体眼球完全匹配，导致屈光问题。3、制备工艺复杂、周期长，难以根据个体形貌差异定制、舒适度差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够制造出复杂曲面空心结构的生物3D打印方法，该打印方法先制作出底模，底模具有复杂曲面；再将液相生物墨水涂在底模表面，使生物墨水固化，获得具有具有复杂曲面的空心结构。空心结构的内表面与底模的外表面吻合，在成型空心结构时，底模对生物墨水起到支撑作用，因此球壳不会坍塌，并且具有精确的曲面形状。本发明还提供一种能实现上述打印方法的3D打印机。

本发明的第一方面，提供一种能够高效率实现个性化定制打印具有复杂曲面空心结构的生物组织，复杂曲面的曲率可调的3D打印方法。

复杂曲面空心结构的3D打印方法，包括以下步骤：

步骤1、建立底模的数字模型，制作底模的实体模型；

步骤2、在底模的数字模型的表面之上，获得待成型件的数字模型；

步骤3、对待成型件的数字模型进行3D打印路径规划，使用挤出式以底模的成型面为支撑、进行增材打印。挤出式打印获得待成型件实体模型，待成型件实体模型的底面与底模的成型面吻合，为复杂曲面。

作为优选的方案，步骤1中，底模为患者的眼球，获得患者的眼球数据，重建患者的眼球模型，该眼球模型具有与角膜贴合的面，眼球模型作为底模的数字模型；

步骤2中，待成型件为角膜，角膜的参数包括角膜的曲率半径和厚度；角膜参数可以是通过自然人角膜的统计数据获得。

底模为半球形，底模的底面为平面，与角膜贴合的面位于底模的顶部。

作为优选的方案，步骤1中，使用DLP成型法制作底模的实体模型；步骤2中，使用挤出法成型待成型件；在完成底模的实体模型制作后，挤出法的挤出料筒与底模实体模型进程依次对刀，挤出法的底模实体模型与DLP成型法中底模实体模型的坐标系统一，针筒对准挤出法成形的起点位置。

DLP成型法采用上提升式，光源在液槽之下，装载实体模型的载物台位于液槽内，DLP成型过程中，载物台步进式上升，每次上升一个层厚；DLP成型法和挤出法共用一个载物台，挤出法的料筒位于液槽之上；底模打印完成后，载物台上升到脱离液槽，之后载物台翻转180°、朝向挤出法的料筒，载物台自转前后、载物台的中心位置不变。

DLP光源的中心对准载物台中心，挤出法的挤出路径中心与载物台中心重合。

步骤2中，使用生物可降解材料作为生物墨水。

步骤2中，角膜的数字模型表面分为4个部分，第一部分为角膜视轴正中央半径2mm的圆形区域，该区域曲率变化范围小于0.25D，厚度均匀；第二部分是旁中央区，旁中央区为距角膜视轴正中央半径2~4mm的环形区域，旁中央区的曲率半径从内向外逐渐增大，从中心球面平滑过渡到边缘类平面；第三部分为周边区，周边区为距角膜视轴正中央半径4~5mm的环形区域，周边区为趋近扁平面；第四部分为角膜缘区，角膜缘区为角膜过渡到巩膜的环形区域，角膜缘区的厚度从周边区向巩膜平滑均匀过渡。

本发明的第二方面，目的在于提供一种制作出表面光滑度精度高，通过连续挤出液滴打印出来的角膜连续性好的挤出式角膜打印方法。

本方案采用底模固定，挤出料筒相对底模运动的方式，完成被挤出的液滴与底模之间的相对位移，实现液滴旋涂。液滴被连续挤出，涂在底模的表面。挤出料筒的移动速度越快，则旋涂形成的膜厚度越小。挤出料筒的移动速度越慢，则旋涂形成的膜厚度越大。因此，控制挤出料筒的运动速度和、或挤出的液滴量，即可控制待成型件的厚度。

作为优选的方案，采用液相旋涂法将液体生物墨水涂在底模表面，生物墨水在挤出时处于液相范围内。生物墨水采用现有的打印材料。

待成型件模型沿高度方向切片，挤出料筒在每一个层厚的路径为一个完整的圆。挤出料筒在每一层只走一个圆形轨迹，液滴被挤出后，涂在底模表面，挤出料筒在每一层对底模涂上一圈液料。打印路线的圆心为底模的中心。

液相旋涂过程中为避光打印或红光打印环境，旋涂结束后，对涂在底模上的生物墨水进行光固化。

挤出打印过程中，载物台的温度处于生物墨水的液相温度范围内，但低于挤出料筒内生物墨水的温度。只需要挤出式打印机的载物台上具有温控机构，即可实现对载物台、底模和旋涂在底模上的生物墨水的温度控制。

生物墨水在料筒内保持液相状态，以液相旋涂于底模之后，要避免液滴在重力的作用下往下流动，因此，使载物台的温度低于挤出料筒的温度，从而提高生物墨水的粘度。但为了使相邻层之间的生物墨水自然融合，又需要使底模上的生物墨水保持液相，因此载物台的温度要处于生物墨水的液相温度范围内，但要低于挤出料筒的温度。

为了实现上述打印方法，需要提供一种3D打印机。这种3D打印机具有两个打印模块，一个模块用于成型底模，另一个模块用于在底模上成型具有空心结构的待成型件。

一种3D打印机，包括基座，基座上设置底模成型模块和待打印件成型模块，底模成型模块和挤出式成型模块共用一个载物台，底模成型模块和挤出式成型模块具有将载物台的工作面从底模成型模块转换到挤出式成型模块的切换机构。

底模成型模块可以是液槽式光固化3D打印，如，液槽在下、光源在上的SLA成型模块；或者，液槽在上、光源在下的DLP成型模块；或者是挤出式打印模块。

底模成型模块和待成型件模型位于同一个基座上，并且使用同一个载物台，通过对载物台的位置切换实现两个成型模块的坐标系融合或标定，可以使两个成型模块处于同一个世界坐标系下；实现底模数据模型和待打印件数据模型的融合。

本发明的第三方面，目的在于提供一种用DLP光固化成型方式实现底模成型，用挤出打印方式实现待打印件在底模上的成型，从而实现具有复杂曲面的空心结构快速成型的3D打印机。

一种生物3D打印机，包括基座，基座上设有上提升式DLP成型模块、挤出式成型模块，载物台和载物台驱动件，DLP成型模块在下，挤出式成型模块在上；DLP成型模块包括光源和液槽，挤出式成型模块包括挤出料筒和挤出控制机构；DLP成型模块与挤出式成型模块共用载物台，载物台驱动件包括载物台升降机构和使载物台的工作面从朝向DLP成型模块的光源翻转到针对挤出料筒的载物台旋转机构。载物台旋转机构实现从DLP成型模块向挤出式成型模块的切换。

翻转前的载物台和翻转后的载物台对中。以载物台的工作面作为XOY平面，以载物台或挤出料筒的升降方向作为Z轴，DLP成型和挤出成型共用一个载物台，当翻转前的载物台和翻转后的载物台对中时，DLP成型模块和挤出成型模块X轴和Y轴一致，两个成型模块的Z轴位于同一直线上，只有Z轴方向和坐标值发生改变。因此，在挤出打印的路径规划时，能够直接使用DLP成型模块的三维数据信息，实现底模和待成型件的两次打印成型。

上提升式载物台的DLP成型模块，光源在液槽下方，载物台的工作面朝下；以DLP方式完成底模打印，然后使载物台带着底模翻转朝上，使底模朝向挤出料筒。挤出料筒进行一次对刀，即可进行挤出打印。

作为优选的方案，DLP光源和液槽支架固定于基座，液槽固定于液槽支架上，DLP光源设置于液槽之下，液槽的底板为透光板；打印机开始工作时，载物台位于液槽内。DLP光源与液槽之间设置反射镜，DLP光源对准反射镜，反射镜的输出的光线对准液槽。这样，通过反射镜改变DLP光源的光路、使降低DLP光源占用的高度空间。

基座上设有三轴向平移机构，三轴向平移机构包括X轴向移动单元，Y轴向移动单元和Z轴向移动单元，每个移动单元包括各自的驱动电机和传动机构，挤出料筒设置于Z轴向移动单元上，Z轴向移动单元同时与X轴向移动单元、Y轴向移动单元相连。

Z轴向移动单元实现挤出料筒在切片层的切换，X轴向移动单元和Y轴向移动单元实现挤出料筒在当前切片层的任意点移动，完成圆形轨迹打印。传动机构为丝杠螺母机构，驱动电机与丝杠相连，螺母与移动块相连，移动块上设有限制移动块转动自由度的限位件。丝杠转动，螺母沿丝杠轴向移动的机构是现有结构。

基座上设有高度方向的纵向框架和水平向的横向框架，横向框架设置于纵向框架顶部；X轴向移动单元设置于横向框架内，Y轴向移动单元设置于纵向框架内。载物台的工作面位于XOY平面或者是与XOY平面平行，X轴向和Y轴向是相对的，其中一个方向为X轴向，则与之正交的轴向就是Y轴向。

载物台升降机构安装于纵向框架内，载物台升降机构包括升降电机、传动机构和连接载物台的连接臂。传动机构为丝杠螺母机构，螺母被限制转动自由度、仅沿丝杠轴向平移，螺母与连接臂固定。传动机构也可以使用其他形式，如齿轮齿条、导轨滑块等方式，只要能够将升降电机的动力转换为载物台的升降即可。载物台的连接臂有一对，连接臂对称地设置于载物台两侧。两个连接臂同时连接载物台，使载物台受力均匀，位置稳定。

Z轴向移动单元具有Z轴支架，Z轴向移动单元的驱动电机和传动机构分别设置于Z轴支架上，Z轴支架同时与X轴向移动单元的螺母和Y轴向移动单元的螺母相连。由此，Z轴向移动单元能够实现在XOY平面的任意点位置迁移。

载物台的第一种翻转结构限定：

作为优选的方案，载物台的翻转轴为载物台的中线。以载物台的中线为转轴翻转，所需的翻转空间最小。

其中一个连接臂上固定旋转电机，旋转电机的输出轴与载物台固定、且对准载物台的中线；另一个连接臂与载物台之间设置旋转支点。这种情况下，旋转电机设置在载物台之外，载物台可以做成薄板，旋转电机需要密封封装，做防水处理。旋转电机与连接臂固定，旋转电机的输出轴带动载物台相对连接臂转动，实现载物台的翻转。旋转支点具有轴承。

或者，载物台包括具有密封内腔的外壳，外壳的上表面为工作面；内腔内固定旋转电机，载物台设置转轴，转轴位于载物台的中轴线上；旋转电机通过旋转传动机构与转轴相连，转轴的两端分别于连接臂固定。旋转电机与载物台固定，转轴与连接臂固定，旋转电机输出扭矩时，转轴固定，旋转电机带着载物台绕转轴转动，实现载物台的翻转。载物台的温控模块也可以设置于该密封的内腔中。旋转电机被封装在载物台内部，转轴不动，容易实现载物台的防水封装。但旋转电机输出的扭矩相比旋转电机在载物台外的方案要更大。

载物台的第二种翻转方式是载物台绕支臂上的一点翻转，载物台的第二种翻转结构限定：

作为优选的方案，连接臂与载物台升降装置的螺母之间设置旋转电机，旋转电机的电机座与螺母固定，旋转电机的输出轴与连接臂固定。这种方式也可以实现载物台的正反翻转，但是需要的翻转空间与翻转轴在中线位置的方案要大。需要使载物台上升到底模高于液槽的位置后，才能进行翻转。

或者，载物台的正面为工作面，载物台的背面设有旋转电机，载物台两侧设有连接侧板，每个连接侧板对应一个连接臂，旋转电机设置于连接侧板与连接臂之间；旋转电机的电机座与连接臂固定时，输出轴与载物台固定；旋转电机的电机座与连接侧板固定时，输出轴与连接臂固定。连接侧板的延伸方向为向背面方向延伸。这种方案，可以将旋转电机设置在高于液槽的液面位置，旋转电机不浸入液槽内，使载物台以连接侧板为半径旋转，相比以连接支臂为半径旋转的方案，载物台翻转所需的空间减小。

连接臂上设有与旋转电机的电机座间隙配合的通孔，电机座位于通孔内，通孔内设置旋转轴承。这样设置，可以利用旋转电机的电机座来支撑载物台和连接臂的重量，使旋转电机的输出轴只承受转动力矩，不承受重力方向的剪切力矩。

本发明的第四方面，目的在于提供一种用SLA光固化成型方式实现底模成型，用挤出打印方式实现待打印件在底模上的成型，从而实现具有复杂曲面的空心结构快速成型的3D打印机。

作为优选的方案，一种生物3D打印机，包括基座，基座上设有下降式SLA成型模块、挤出式成型模块；SLA成型模块与挤出式成型模块共用载物台，载物台和载物台驱动件相连；SLA成型模块包括光源和液槽，载物台驱动件包括升降电机和连接臂，连接部与载物台固定；挤出式成型模块包括挤出料筒和挤出控制装置，SLA成型模块完成打印任务后，挤出式成型模块开启；处于SLA打印过程时，光源固定、载物台步进式下降；处于挤出式打印过程时，载物台固定，挤出料筒位移。

SLA成型方式是光源在上，载物台在下，载物台步进式下移的光固化3D打印模式；载物台浸入液槽内，载物台上的液体厚度为一个成型层厚。SLA成型模块与挤出成型模块共用一个载物台，两个成型模块的XOY平面共用，SLA光源的Z轴和挤出料筒的Z轴平行，两种打印方式在进行切换时，只需要进行一次对刀，使SLA光源的Z轴和挤出料筒的Z轴重合即可将两种打印模式的坐标系统一。

SLA光源为点光源，挤出料筒在点光源的照射区域外。因此，SLA打印模式下，光源不会对挤出料筒内的料液造成固化。

基座上设有三轴向平移机构，三轴向平移机构包括X轴向移动单元，Y轴向移动单元和Z轴向移动单元，每个移动单元包括各自的驱动电机和传动机构，Z轴向移动单元同时与X轴向移动单元、Y轴向移动单元相连；SLA光源和挤出料筒均安装于Z轴向移动单元。SLA光源与挤出料筒相对固定，也就是说，SLA光源的Z轴和挤出料筒的Z轴之间的距离已知，只需要做微调即可实现两种打印方式的坐标系统一。

载物台升降机构安装于纵向框架内，载物台升降机构包括升降电机、传动机构和连接载物台的连接臂。传动机构为丝杠螺母机构，螺母被限制转动自由度、仅沿丝杠轴向平移，螺母与连接臂固定。传动机构也可以使用其他形式，如齿轮齿条、导轨滑块等方式，只要能够将升降电机的动力转换为载物台的升降即可。

载物台的连接臂有一对，连接臂对称地设置于载物台两侧，其中一个连接臂上设置升降电机，另一个连接臂为从动件。两个连接臂同时连接载物台，使载物台受力均匀，位置稳定。或者，载物台只有一个连接臂，连接臂固定于载物台一侧，连接臂与载物台之间有加强肋。只要连接臂与载物台的连接刚度、载物台自身的刚度足够，也能实现载物台的稳定升降，达到3D打印所需要的载物台位移精度。

Z轴向移动单元具有Z轴支架，Z轴向移动单元的驱动电机和传动机构分别设置于Z轴支架上，Z轴支架同时与X轴向移动单元的螺母和Y轴向移动单元的螺母相连；传动机构为丝杠转动、螺母平移的丝杠螺母机构，挤出料筒和SLA光源固定于Z轴向移动单元的螺母上。由此，Z轴向移动单元能够实现在XOY平面的任意点位置迁移。

使用SLA载物台下降式打印模式结合挤出式打印模式，光源和挤出料筒均位于载物台之上，只需要调整Z轴的位置即可实现两种打印模式的融合，对刀简化，载物台及载物台升降机构的结构简化。

本发明的第五方面，目的在于提供一种喷墨打印方式制作出表面光滑度精度高，打印出来的角膜连续性好的挤出式角膜打印方法。

作为优选的方案，采用喷墨打印将液体生物墨水喷涂在底模表面，喷墨打印的喷头向底模喷涂纳米液滴，喷头的喷墨范围为固定值。喷墨打印的喷头的喷射区域在打印任务开始前调好以后就固定不变。

待成型件在厚度方向对复杂曲面进行分层形成多层厚度相同的曲面模型，每一层曲面模型的厚度为喷墨打印时纳米液滴的厚度；对每一层曲面模型进行切片，切片的厚度为纳米液滴覆盖的有效高度；挤出料筒在每一个切片层的路径为一个圆。在喷涂时，喷墨喷头依次序从内向外完成每一层曲面模型的打印，喷头根据每一层曲面模型的切片路径进行位移。

液相旋涂过程中为避光打印或红光打印环境，喷墨结束后，对底模上的生物墨水进行光固化。

挤出打印过程中，载物台的温度处于生物墨水的液相温度范围内，但低于挤出料筒内生物墨水的温度。只需要挤出式打印机的载物台上具有温控机构，即可实现对载物台、底模和旋涂在底模上的生物墨水的温度控制。

本发明的优点在于，通过两种打印模式的结合，先成型出具有复杂曲面的底模，底模为实心件，因此能够精确控制其表面参数、如曲率等，再以底模为基底，在底模的复杂曲面上成型出与复杂曲面贴合的待打印件。以底模为支撑、以液相的生物墨水涂在底模的复杂曲面的方式实现待成型件的增材，利用生物墨水的液相流动和融合的特性，利用液面张力实现各个切片层或厚度层的生物墨水的自然融合，快速制作出表面光滑度高、屈光度精确可控，具有稳定的复杂曲面的空心结构。

附图说明

图1是角膜的示意图。

图2是DLP成型复合挤出成型模式的第一种3D打印机的示意图。

图3是DLP成型的光源和液槽的位置示意图。

图4是第一种3D打印机的挤出料筒与载物台之间的位置示意图。

图5是载物台的结构示意图。

图6是三轴向平移机构的示意图。

图7是SLA成型复合挤出成型模式的第二种3D打印机的示意图。

图8是SLA成型的光源和液槽的位置示意图。

图9是SLA光源与挤出料筒之间的位置示意图。

具体实施方式

下面对本发明涉及的结构或这些所使用的技术术语做进一步的说明，如果没有特别指明，按照本领域的通用的一般属于进行理解和解释。

成型

DLP是Digital Light Processing的缩写，即数字光学处理，这种技术要先把影响信号经过数字处理，再把光投影出来。如图3所示，本文中所述的DLP成型指的是用DLP投影机向光敏材料照射光线，载物台2浸入装有光敏材料的液槽3内，每次成型或聚合一整层图形的打印方式。本文中的DLP成型模式采用载物台2上提升式步进。但当DLP光源4设置于载物台2之上时，可以采用载物台2下降式驱动载物台2步进，实现3D打印时的增材。

SLA成型

SLA是Stereolithography的简写，是将激光通过快速移动的反射镜5检测器偏转照射到适当的点，定点诱导光敏材料聚合，其成型方式是由点到面完成一层特定的形状和图像的构建之后，如图8所示，载物台2再步进一个层厚，实现下一个切片层的固化。本文中详细记载的SLA成型模式采用SLA光源4在上、载物台2下降式步进。但是，本文的方案也同样可以采用SLA光源4在下、载物台2上升式步进，只需要改变SLA光源4的位置即可。

挤出式成型

挤出成型式通过读取待成型件的不同层厚的横截面信息，用液体状的材料向这些横截面逐层的增材、实现逐层打印，以各层截面叠堆的方式制造出一个实体。本文中的挤出式成型以液滴的形式挤出光敏材料，实现对每个切片层的增材。

喷墨打印成型

喷墨打印时将液体光敏材料镜喷嘴变成纳米微粒或纳米颗粒喷涂在载体上（本文中为底模），喷头的喷涂范围和喷涂厚度可以通过有限次实验获得。

生物墨水

在本发明里所述的生物墨水或光敏材料指的是用于被打印机进行加工的一种材料或者混合物。当用本发明的3D打印机进行加工的时候，现有的一些生物材料可以被用来进行打印。例如，许多材料包括天然聚合物：胶原，丝纤维，明胶，海藻酸盐和合成聚合物：聚乙二醇（PEG）或者它们任意一种混合可以被用于本发明的打印机进行加工。这些作为生物3D打印的材料，也称为“生物墨水”。虽然材料本身属于传统材料，但是都可以采用被本发明的打印设备和方法进行打印。

复杂曲面空心结构的3D打印方法

在生物3D打印领域，有很多生物结构具有复杂曲面的空心结构，如角膜A、心房、肾小球、卵巢等，都是具有复杂曲面的空心结构，常规的打印方法无法精确的成型出这些空心结构，并且在打印过程中会出现组织坍塌的问题。因此，需要提供一种能够高效率实现个性化定制打印具有复杂曲面空心结构的生物组织，复杂曲面的曲率可调的3D打印方法。

复杂曲面空心结构的3D打印方法，包括以下步骤：

步骤1、建立底模的数字模型，制作底模的实体模型；

步骤2、在底模的数字模型的表面之上，获得待成型件的数字模型；

步骤3、对待成型件的数字模型进行3D打印路径规划，使用挤出式以底模的成型面为支撑、进行增材打印；。

在一些实施例中，步骤1中，底模为患者的眼球，获得患者的眼球数据，重建患者的眼球模型，该眼球模型具有与角膜A贴合的面，眼球模型作为底模的数字模型；

步骤2中，待成型件为角膜A，角膜A的参数包括角膜A的曲率半径和厚度；角膜A参数可以是通过自然人角膜A的统计数据获得。

如图1所示，底模B为半球形，底模B的底面为平面，与角膜A贴合的面位于底模B的顶部。

步骤1中，使用DLP成型法制作底模B的实体模型；步骤2中，使用挤出法成型待成型件；在完成底模B的实体模型制作后，挤出法的挤出料筒7与底模B实体模型进程依次对刀，挤出法的底模B实体模型与DLP成型法中底模B实体模型的坐标系统一，针筒对准挤出法成形的起点位置。

DLP成型法采用上提升式，如图3所示，光源4在液槽3之下，装载实体模型的载物台2位于液槽3内，DLP成型过程中，载物台2步进式上升，每次上升一个层厚；DLP成型法和挤出法共用一个载物台2，挤出法的料筒位于液槽3之上；底模B打印完成后，载物台2上升到脱离液槽3，之后载物台2翻转180°、朝向挤出法的料筒，载物台2自转前后、载物台2的中心位置不变。

DLP光源4的中心对准载物台2中心，挤出法的挤出路径中心与载物台2中心重合。

步骤2中，使用生物可降解材料作为生物墨水。

步骤2中，角膜A的数字模型表面分为4个部分，第一部分为角膜A视轴正中央半径2mm的圆形区域，该区域曲率变化范围小于0.25D，厚度均匀；第二部分是旁中央区，旁中央区为距角膜A视轴正中央半径2~4mm的环形区域，旁中央区的曲率半径从内向外逐渐增大，从中心球面平滑过渡到边缘类平面；第三部分为周边区，周边区为距角膜A视轴正中央半径4~5mm的环形区域，周边区为趋近扁平面；第四部分为角膜A缘区，角膜A缘区为角膜A过渡到巩膜的环形区域，角膜A缘区的厚度从周边区向巩膜平滑均匀过渡。

旋涂法挤出打印

本方案采用底模B固定，如图4和图9所示，挤出料筒7相对底模B运动的方式，完成被挤出的液滴与底模B之间的相对位移，实现液滴旋涂。液滴被连续挤出，涂在底模B的表面。挤出料筒7的移动速度越快，则旋涂形成的膜厚度越小。挤出料筒7的移动速度越慢，则旋涂形成的膜厚度越大。因此，控制挤出料筒7的运动速度和、或挤出的液滴量，即可控制待成型件的厚度。

在一些实施例中，采用液相旋涂法将液体生物墨水涂在底模B表面，生物墨水在挤出时处于液相范围内。生物墨水采用现有的打印材料。

待成型件模型沿高度方向切片，如图4和图9所示，挤出料筒7在每一个层厚的路径为一个完整的圆。挤出料筒7在每一层只走一个圆形轨迹，液滴被挤出后，涂在底模B表面，挤出料筒7在每一层对底模B涂上一圈液料。打印路线的圆心为底模B的中心。

液相旋涂过程中为避光打印或红光打印环境，旋涂结束后，对涂在底模B上的生物墨水进行光固化。

挤出打印过程中，如图5所示，载物台2的温度处于生物墨水的液相温度范围内，但低于挤出料筒7内生物墨水的温度。只需要挤出式打印机的载物台2上具有温控机构，即可实现对载物台2、底模B和旋涂在底模B上的生物墨水的温度控制。

生物墨水在料筒内保持液相状态，以液相旋涂于底模B之后，要避免液滴在重力的作用下往下流动，因此，使载物台2的温度低于挤出料筒7的温度，从而提高生物墨水的粘度。但为了使相邻层之间的生物墨水自然融合，又需要使底模B上的生物墨水保持液相，因此载物台2的温度要处于生物墨水的液相温度范围内，但要低于挤出料筒7的温度。

3D打印机

为了实现上述打印方法，需要提供一种3D打印机。这种3D打印机具有两个打印模块，一个模块用于成型底模B，另一个模块用于在底模B上成型具有空心结构的待成型件。

一种3D打印机，包括基座1，基座1上设置底模B成型模块和待打印件成型模块，底模B成型模块和挤出式成型模块共用一个载物台2，底模B成型模块和挤出式成型模块具有将载物台2的工作面从底模B成型模块转换到挤出式成型模块的切换机构。

如图8所示，底模B成型模块可以是液槽3式光固化3D打印，液槽3在下、光源4在上的SLA成型模块；如图3所示，或者，液槽3在上、光源4在下的DLP成型模块；或者是挤出式打印模块。

底模B成型模块和待成型件模型位于同一个基座1上，并且使用同一个载物台2，通过对载物台2的位置切换实现两个成型模块的坐标系融合或标定，可以使两个成型模块处于同一个世界坐标系下；实现底模B数据模型和待打印件数据模型的融合。

DLP成型和挤出式成型复合的3D打印机

用DLP光固化成型方式实现底模B成型，用挤出打印方式实现待打印件在底模B上的成型，从而实现具有复杂曲面的空心结构快速成型的3D打印机。

如图2所示，一种生物3D打印机，包括基座1，基座1上设有上提升式DLP成型模块、挤出式成型模块，载物台2和载物台2驱动件，DLP成型模块在下，挤出式成型模块在上；DLP成型模块包括光源4和液槽3，挤出式成型模块包括挤出料筒7和挤出控制机构；DLP成型模块与挤出式成型模块共用载物台2，载物台2驱动件包括载物台2升降机构和使载物台2的工作面从朝向DLP成型模块的光源4翻转到针对挤出料筒7的载物台2旋转机构。载物台2旋转机构实现从DLP成型模块向挤出式成型模块的切换。

翻转前的载物台2和翻转后的载物台2对中。如图6所示，以载物台2的工作面作为XOY平面，以载物台2或挤出料筒7的升降方向作为Z轴17，DLP成型和挤出成型共用一个载物台2，当翻转前的载物台2和翻转后的载物台2对中时，DLP成型模块和挤出成型模块X轴15和Y轴16一致，两个成型模块的Z轴17位于同一直线上，只有Z轴17方向和坐标值发生改变。因此，在挤出打印的路径规划时，能够直接使用DLP成型模块的三维数据信息，实现底模B和待成型件的两次打印成型。

上提升式载物台2的DLP成型模块，如图5所示，光源4在液槽3下方，载物台2的工作面朝下；以DLP方式完成底模B打印，然后使载物台2带着底模B翻转朝上，使底模B朝向挤出料筒7。挤出料筒7进行一次对刀，即可进行挤出打印。

在一些实施例中，如图3所示，DLP光源4和液槽支架6固定于基座1，液槽3固定于液槽支架6上，DLP光源4设置于液槽3之下，液槽3的底板为透光板；打印机开始工作时，载物台2位于液槽3内。如图3所示，DLP光源4与液槽3之间设置反射镜5，DLP光源4对准反射镜5，反射镜5的输出的光线对准液槽3。这样，通过反射镜5改变DLP光源4的光路、使降低DLP光源4占用的高度空间。

基座1上设有三轴向平移机构，如图6所示，三轴向平移机构包括X轴15向移动单元，Y轴16向移动单元和Z轴17向移动单元，每个移动单元包括各自的驱动电机9和传动机构，挤出料筒7设置于Z轴17向移动单元上，Z轴17向移动单元同时与X轴15向移动单元、Y轴16向移动单元相连。

如图6所示，Z轴17向移动单元实现挤出料筒7在切片层的切换，X轴15向移动单元和Y轴16向移动单元实现挤出料筒7在当前切片层的任意点移动，完成圆形轨迹打印。传动机构为丝杠10螺母机构，驱动电机9与丝杠10相连，螺母与移动块12相连，移动块12上设有限制移动块12转动自由度的限位件。丝杠10转动，螺母沿丝杠10轴向移动的机构是现有结构。

基座1上设有高度方向的纵向框架和水平向的横向框架，横向框架设置于纵向框架顶部；X轴15向移动单元设置于横向框架内，Y轴16向移动单元设置于纵向框架内。载物台2的工作面位于XOY平面或者是与XOY平面平行，X轴15向和Y轴16向是相对的，其中一个方向为X轴15向，则与之正交的轴向就是Y轴16向。

如图6所示，载物台2升降机构安装于纵向框架内，载物台2升降机构包括升降电机、传动机构和连接载物台2的连接臂11。传动机构为丝杠10螺母机构，螺母被限制转动自由度、仅沿丝杠10轴向平移，螺母与连接臂11固定。传动机构也可以使用其他形式，如齿轮齿条、导轨滑块等方式，只要能够将升降电机的动力转换为载物台2的升降即可。载物台2的连接臂11有一对，连接臂11对称地设置于载物台2两侧。两个连接臂11同时连接载物台2，使载物台2受力均匀，位置稳定。

Z轴17向移动单元具有Z轴17支架，Z轴17向移动单元的驱动电机9和传动机构分别设置于Z轴17支架上，Z轴17支架同时与X轴15向移动单元的螺母和Y轴16向移动单元的螺母相连。由此，Z轴17向移动单元能够实现在XOY平面的任意点位置迁移。

载物台2的第一种翻转结构限定：

作为优选的方案，如图5所示，载物台2的翻转轴为载物台2的中线。以载物台2的中线为转轴翻转，所需的翻转空间最小。

如图5所示，其中一个连接臂11上固定旋转电机8，旋转电机8的输出轴与载物台2固定、且对准载物台2的中线；另一个连接臂与载物台2之间设置旋转支点。这种情况下，旋转电机8设置在载物台2之外，载物台2可以做成薄板，旋转电机8需要密封封装，做防水处理。旋转电机8与连接臂11固定，旋转电机8的输出轴带动载物台2相对连接臂11转动，实现载物台2的翻转。旋转支点具有轴承。

或者，如图5所示，载物台2包括具有密封内腔的外壳，外壳的上表面为工作面；内腔内固定旋转电机8，载物台2设置转轴，转轴位于载物台2的中轴线上；旋转电机8通过旋转传动机构与转轴相连，转轴的两端分别于连接臂11固定。旋转电机8与载物台2固定，转轴与连接臂11固定，旋转电机8输出扭矩时，转轴固定，旋转电机8带着载物台2绕转轴转动，实现载物台2的翻转。载物台2的温控模块也可以设置于该密封的内腔中。旋转电机8被封装在载物台2内部，转轴不动，容易实现载物台2的防水封装。但旋转电机8输出的扭矩相比旋转电机8在载物台2外的方案要更大。

载物台2的第二种翻转方式是载物台2绕支臂上的一点翻转，载物台2的第二种翻转结构限定：

在一些实施例中，连接臂11与载物台2升降装置的螺母之间设置旋转电机8，旋转电机8的电机座与螺母固定，旋转电机8的输出轴与连接臂11固定。这种方式也可以实现载物台2的正反翻转，但是需要的翻转空间与翻转轴在中线位置的方案要大。需要使载物台2上升到底模B高于液槽3的位置后，才能进行翻转。

在一些实施例中，如图5所示，载物台2的正面为工作面，载物台2的背面设有旋转电机8，载物台2两侧设有连接侧板13，每个连接侧板13对应一个连接臂11，旋转电机8设置于连接侧板13与连接臂11之间；旋转电机8的电机座与连接臂11固定时，输出轴与载物台2固定；旋转电机8的电机座与连接侧板13固定时，输出轴与连接臂11固定。连接侧板13的延伸方向为向背面方向延伸。这种方案，可以将旋转电机8设置在高于液槽3的液面位置，旋转电机8不浸入液槽3内，使载物台2以连接侧板13为半径旋转，相比以连接支臂为半径旋转的方案，载物台2翻转所需的空间减小。

如图5所示，连接臂11上设有与旋转电机8的电机座间隙配合的通孔，电机座位于通孔内，通孔内设置旋转轴承14。这样设置，可以利用旋转电机8的电机座来支撑载物台2和连接臂11的重量，使旋转电机8的输出轴只承受转动力矩，不承受重力方向的剪切力矩。

SLA成型复合挤出式成型的打印机

用SLA光固化成型方式实现底模B成型，用挤出打印方式实现待打印件在底模B上的成型，从而实现具有复杂曲面的空心结构快速成型的3D打印机。

在一些实施例中，一种生物3D打印机，如图7所示，包括基座1，基座1上设有下降式SLA成型模块、挤出式成型模块；SLA成型模块与挤出式成型模块共用载物台2，载物台2和载物台2驱动件相连；SLA成型模块包括光源4和液槽3，载物台2驱动件包括升降电机和连接臂11，连接部与载物台2固定；挤出式成型模块包括挤出料筒7和挤出控制装置，SLA成型模块完成打印任务后，挤出式成型模块开启；处于SLA打印过程时，光源4固定、载物台2步进式下降；处于挤出式打印过程时，载物台2固定，挤出料筒7位移。

如图8所示，SLA成型方式是光源4在上，载物台2在下，载物台2步进式下移的光固化3D打印模式；载物台2浸入液槽3内，载物台2上的液体厚度为一个成型层厚。SLA成型模块与挤出成型模块共用一个载物台2，两个成型模块的XOY平面共用，SLA光源4的Z轴17和挤出料筒7的Z轴17平行，两种打印方式在进行切换时，只需要进行一次对刀，使SLA光源4的Z轴17和挤出料筒7的Z轴17重合即可将两种打印模式的坐标系统一。

如图9所示，SLA光源4为点光源4，挤出料筒7在点光源4的照射区域外。因此，SLA打印模式下，光源4不会对挤出料筒7内的料液造成固化。

如图6所示，基座1上设有三轴向平移机构，三轴向平移机构包括X轴15向移动单元，Y轴16向移动单元和Z轴17向移动单元，每个移动单元包括各自的驱动电机9和传动机构，Z轴17向移动单元同时与X轴15向移动单元、Y轴16向移动单元相连；SLA光源4和挤出料筒7均安装于Z轴17向移动单元。SLA光源4与挤出料筒7相对固定，也就是说，SLA光源4的Z轴17和挤出料筒7的Z轴17之间的距离已知，只需要做微调即可实现两种打印方式的坐标系统一。

如图8所示，载物台2升降机构安装于纵向框架内，载物台2升降机构包括升降电机、传动机构和连接载物台2的连接臂11。传动机构为丝杠10螺母机构，螺母被限制转动自由度、仅沿丝杠10轴向平移，螺母与连接臂11固定。传动机构也可以使用其他形式，如齿轮齿条、导轨滑块等方式，只要能够将升降电机的动力转换为载物台2的升降即可。

在一些实施例中，载物台2的连接臂11有一对，连接臂11对称地设置于载物台2两侧，其中一个连接臂11上设置升降电机，另一个连接臂11为从动件。两个连接臂11同时连接载物台2，使载物台2受力均匀，位置稳定。

在另外一些实施例中，如图8所示，载物台2只有一个连接臂11，连接臂11固定于载物台2一侧，连接臂11与载物台2之间有加强肋。只要连接臂11与载物台2的连接刚度、载物台2自身的刚度足够，也能实现载物台2的稳定升降，达到3D打印所需要的载物台2位移精度。

Z轴17向移动单元具有Z轴17支架，Z轴17向移动单元的驱动电机9和传动机构分别设置于Z轴17支架上，Z轴17支架同时与X轴15向移动单元的螺母和Y轴16向移动单元的螺母相连；传动机构为丝杠10转动、螺母平移的丝杠10螺母机构，挤出料筒7和SLA光源4固定于Z轴17向移动单元的螺母上。由此，Z轴17向移动单元能够实现在XOY平面的任意点位置迁移。

如图9所示，使用SLA载物台2下降式打印模式结合挤出式打印模式，光源4和挤出料筒7均位于载物台2之上，只需要调整Z轴17的位置即可实现两种打印模式的融合，对刀简化，载物台2及载物台2升降机构的结构简化。

以喷墨式成型替代挤出式成型的喷墨打印方法

复杂曲面空心结构的3D打印方法，包括以下步骤：

步骤1、建立底模B的数字模型，制作底模B的实体模型；

步骤2、在底模B的数字模型基础上，以喷墨成型方式获得待成型件的数字模型；

步骤3、对待成型件的数字模型进行3D打印路径规划，使用液体的生物墨水根据打印路径涂在底模B的成型面上；。

喷墨打印方式制作出表面光滑度精度高，打印出来的角膜A连续性好的挤出式角膜A打印方法。

在一些实施例中，采用喷墨打印将液体生物墨水喷涂在底模B表面，喷墨打印的喷头向底模B喷涂纳米液滴，喷头的喷墨范围为固定值。喷墨打印的喷头的喷射区域在打印任务开始前调好以后就固定不变。

待成型件在厚度方向对复杂曲面进行分层形成多层厚度相同的曲面模型，每一层曲面模型的厚度为喷墨打印时纳米液滴的厚度；对每一层曲面模型进行切片，切片的厚度为纳米液滴覆盖的有效高度；挤出料筒7在每一个切片层的路径为一个圆。在喷涂时，喷墨喷头依次序从内向外完成每一层曲面模型的打印，喷头根据每一层曲面模型的切片路径进行位移。

液相旋涂过程中为避光打印或红光打印环境，喷墨结束后，对底模B上的生物墨水进行光固化。

挤出打印过程中，载物台2的温度处于生物墨水的液相温度范围内，但低于挤出料筒7内生物墨水的温度。只需要挤出式打印机的载物台2上具有温控机构，即可实现对载物台2、底模B和旋涂在底模B上的生物墨水的温度控制。

本发明的优点在于，通过两种打印模式的结合，先成型出具有复杂曲面的底模B，底模B为实心件，因此能够精确控制其表面参数、如曲率等，再以底模B为基底，在底模B的复杂曲面上成型出与复杂曲面贴合的待打印件。以底模B为支撑、以液相的生物墨水涂在底模B的复杂曲面的方式实现待成型件的增材，利用生物墨水的液相流动和融合的特性，利用液面张力实现各个切片层或厚度层的生物墨水的自然融合，快速制作出表面光滑度高、屈光度精确可控，具有稳定的复杂曲面的空心结构。

本发明说明书中提到的所有专利和出版物都表示这些是本领域的公开技术，本发明可以使用。这里所引用的所有专利和出版物都被同样列在参考文献中，跟每一个出版物具体的单独被参考引用一样。这里所述的本发明可以在缺乏任何一种元素或多种元素，一种限制或多种限制的情况下实现，这里这种限制没有特别说明。例如这里每一个实例中术语“包含”，“实质由……组成”和“由……组成”可以用两者之一的其余2个术语代替。这里采用的术语和表达方式所为描述方式，而不受其限制，这里也没有任何意图来指明此书描述的这些术语和解释排除了任何等同的特征，但是可以知道，可以在本发明和权利要求的范围内做任何合适的改变或修改。可以理解，本发明所描述的实施例子都是一些优选的实施例子和特点，任何本领域的一般技术人员都可以根据本发明描述的精髓下做一些更改和变化，这些更改和变化也被认为属于本发明的范围和独立权利要求以及附属权利要求所限制的范围内。

Claims (3)

1.制造复杂曲面空心结构的喷墨式3D打印方法，其特征在于：该方法包括以下操作：建立底模的数字模型，使用DLP成型模块制作底模的实体模型，底模具有复杂的曲面；在底模的数字模型上，获得待成型件的数字模型；对待成型件的数字模型进行3D打印路径规划，使用挤出式以底模的成型面为支撑，并且使用载物台驱动件以翻转底模，采用喷墨打印将液体生物墨水喷涂在底模表面，喷墨打印的喷头向底模喷涂纳米液滴，喷头的喷墨范围为固定值；

液相旋涂过程中为避光打印或红光打印环境，喷墨结束后，对底模上的生物墨水进行光固化，获得具有复杂曲面的空心结构；

DLP成型模块与挤出式成型模块共用载物台，载物台驱动件包括载物台升降机构和使载物台的工作面从朝向DLP成型模块的光源翻转到针对挤出料筒的载物台旋转机构，载物台旋转机构实现从DLP成型模块向挤出式成型模块的切换；

当翻转前的载物台和翻转后的载物台对中时，在挤出打印的路径规划时，能够直接使用DLP成型模块的三维数据信息，实现底模和待成型件的两次打印成型。

2.如权利要求1所述的制造复杂曲面空心结构的喷墨式3D打印方法，其特征在于：待成型件在厚度方向对复杂曲面进行分层形成多层厚度相同的曲面模型，每一层曲面模型的厚度为喷墨打印时纳米液滴的厚度；对每一层曲面模型进行切片，切片的厚度为纳米液滴覆盖的有效高度；挤出料筒在每一个切片层的路径为一个圆。

3.如权利要求1所述的制造复杂曲面空心结构的喷墨式3D打印方法，其特征在于：载物台的温度处于生物墨水的液相温度范围内，但低于挤出料筒内生物墨水的温度。

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