CN110901059A

CN110901059A - 一种3d打印体模的装置和方法

Info

Publication number: CN110901059A
Application number: CN201911099974.9A
Authority: CN
Inventors: 曹艳平; 郑阳; 严炜锋
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2019-11-12
Filing date: 2019-11-12
Publication date: 2020-03-24

Abstract

本发明公开了一种3D打印体模的装置和方法，所述装置包括：控制终端、原料仓、挤出设备、打印底板和打印框架；所述打印框架包括打印软件，所述打印软件是三维建模软件。所述方法括以下步骤：1)调制体模各相打印材料的原液；2)将三维建模软件导入打印框架配套软件中，生成G代码；对G代码进行优化；3)启动挤出装置，令高温的体模原液充满挤出设备；4)对冷却平板进行预冷，将平板温度固定在4～10℃；5)按照优化的G代码进行打印。打印框架控制多个打印喷头实现多相体模材料的打印；6)打印结束，将打印好的体模从冷却平板取下，放置在4℃的环境中保存。

Description

一种3D打印体模的装置和方法

技术领域

本发明属于复合材料制造技术领域，具体涉及一种3D打印体模的装置和方法。

背景技术

体模是人工制造的材料，其某种属性(如几何结构、软硬程度)与生物体组织(包括正常组织和病变组织)相近。在科普等方面，体模能够清楚地显示人体组织三维结构；在医疗人员技能的教学训练中，体模的应用非常广泛，如超声引导穿刺的训练等；在医疗仪器的校准、教学中也广泛采用体模，如高强度聚焦超声(HIFU)仪器和超声弹性成像(SWE)仪器等；在医学相关的科学研究中，体模实验是实验验证的重要一环。综上所述，体模具有非常广泛的应用场景。从技术角度讲，制作外观、内部结构，物理性质能够与生物体各种组织足够相近的体模，是技术人员不懈追求的目标。但限于目前的材料加工工艺和制造水平，已有的体模还远远无法满足如此多应用场景的需要。

3D打印技术又称增材制造技术，通过计算机控制不断添加原料，不断进行材料堆叠，从而使打印出的三维物体可以拥有任何几何形状和几何特征。打印过程主要分为建模—打印—后处理三个主要环节。随着技术的进步，各个环节都在不断完善。在最重要的打印环节中，各种各样的增材成型技术如熔融沉积成型(FDM)、金属激光烧结(MLS)、激光选区熔化(SLM)、石膏3D打印(PP)、立体光刻(SLA)等不断完善。人们现在已经能以较低的成本得到许多材质任意形状的零件。3D打印在建筑、工程制造、工业设计、军事、生物科技、饮食等领域影响深远。目前，3D打印技术主要适用于金属、塑料等硬材料。软材料的3D打印技术已经取得了一定的进展，相关技术还在不断发展中。

为了能够提升体模的成型工艺水平，以便制造各种形状的体模，将3D打印技术引入体模加工是一个很好的选择。依托3D打印技术成型的体模能够保持各种外形；能够具备比较复杂的内部结构、内部物理异质性。然而，如何解决3D打印技术和体模材料固有属性(软、粘)之间的矛盾，是很有挑战的问题。目前为止，就申请人查找的公开专利来看，真正考虑将3D打印技术与体模制备工艺联合起来的技术还极不成熟。此处所强调的“软”主要是因为，体模应仿照生物组织的力学性质。

中国专利CN107731282B(—基于医学成像和质量控制的3D打印体模制作方法及系统)公开了一种3D打印体模的方法。使用者选取医学成像类型(CT、MRI)，在面向该医学成像类型的质量控制方法下，通过组合式熔融堆积和光敏成型方案，打印体模(的外壳)。该专利利用了3D打印成型能力强，精度高的特点。但该技术主要集中在硬材料(体模外壳等)上，并未考虑软材料的成型；而且，该技术不考虑超声成像。中国专利CN108127929A(一种体模的制备方法)描述了一种有3D打印参与的体模制备方法。该专利将体模模具拆分成两部分；对两部分分别进行3D打印，从而获得用于制备体模的模具。采用3D打印方法能够使模具具有更加多样化的外观形状；但将该模具用于体模制备时，无法在体模内部利用3D打印方法的优点。

人们为使体模呈现更加多种多样的外观、内部结构及物理性态，在软材料体模的材料及制备工艺进行了很多探索。已有很多专利描述了特定体模的加工制作方法，使体模具有各种各样的结构(如内嵌肿瘤的体模)及物理属性(如硬度)。但由于材料成型多依赖于原料在模具中的整体固化，在体模内部产生异质性以模拟各种生物组织，仍具有相当的挑战性。3D打印技术原则上可以实现对体模材料分布的任意控制，从而大大提升体模仿生物组织的能力。现有基于3D打印的方法，多数是对用于体模成型的模具进行3D打印，尚未考虑直接对软材料进行3D打印。

发明内容

本发明基于现有3D打印技术，提出一种3D打印体模的装置和方法。基于3D打印技术，可使制作出的体模呈现更多、更加复杂的外形；通过调整打印材料的成分，可使体模的熔点、透明度、杨氏模量、超声回声水平等诸多物理属性在一定范围内变化；通过多相同时打印，可方便地制作出物理性质具有异质性的体模。本发明提出的可3D打印的体模，将3D打印技术与体模原料与加工工艺结合起来，大大提高体模的成型能力；制备的体模的外形、内部结构异质性的可调节性更强，从而提升体模的应用价值。以下介绍本发明的具体技术方案。

一种3D打印体模的装置，包括：控制终端、原料仓、挤出设备、打印底板和打印框架。其中：

所述控制终端主要包括计算机，负责协调所有硬件部件的工作。

所述原料仓由硬塑料和/或玻璃等耐热材质制成，用于盛装体模的液体原料。

原料仓内设置搅拌器和加热平台，可保证体模的液体原料均匀，不分层；保证仓内温度高于体模的原料的凝固点，防止体模原料在原料仓中固化。

所述挤出设备以某种载荷形式(如重力、液压、机械压力)将体模原料挤出；

为使挤出时的材料处于合适的温度，在挤出设备的末端装有温控喷头。挤出设备的具体形式可以是：医用注射器、滑台、蠕动泵等。

所述打印底板包括平板和冷却器。挤出设备的温控喷头将材料打印在平板上，冷却器降低平板的温度，使得打印材料能够快速在平板上固化。

所述打印框架包括打印软件，所述打印软件是三维建模软件，其对G代码进行优化，使之更符合粘性流体的3D打印；所述打印框架使单个或多个喷头可以在二维平面上自由运动，从而控制体模的打印路径。打印框架可直接使用市面上成熟的用于工程塑料打印的打印框架。

本发明的技术方案还包括，一种使用上述装置进行3D打印的方法，其包括以下步骤：

1)调制体模各相打印材料的原液；

2)将三维建模软件导入打印框架配套软件中，生成G代码；对G代码进行优化；

3)启动挤出装置，令高温的体模原液充满挤出设备；

4)对冷却平板进行预冷，将平板温度固定在4～10℃；

5)按照优化的G代码进行打印。打印框架控制多个打印喷头实现多相体模材料的打印；

6)打印结束，将打印好的体模从冷却平板取下，放置在4℃的环境中保存；若需要，对打印好的体模进行增韧处理。

进一步，所述打印原料包括：

明胶 0～20wt％

卡拉胶 0～5wt％

添加剂 0～10wt％

其余成分为琼脂和水；

所述明胶与卡拉胶总质量比不低于0.05％。

进一步，所述所述添加剂包含凝胶添加剂、钙盐、钾盐、防腐剂、微泡造影剂、超声散射介质、增稠剂、染料、增韧剂。

进一步，所述三维建模软件是Solidworks。

进一步，所述增韧处理包括：待体模材料打印完毕后，将其置入1％～40％的硫酸铵溶液中，放置0.5～4个小时后取出。

适用于3D打印的体模材料：本发明所述的体模3D打印装置，对体模的原料有一定要求：体模的凝固点应高于常温(25℃)，以降低硬件对温度控制的要求；体模的软硬应可通过体模原料的配方进行调整，以从力学上模拟生物组织；为了应对不同应用场景的需求，体模的光学透明度、声学性质(声学反射水平)应可进行调整。考虑到这些实际应用需要，本发明提出一种适用于3D打印的体模材料：

所述体模材料的基本原料包括：明胶(视安全级别选择工业明胶或食品级明胶)、琼脂糖、卡拉胶、添加剂和水。

所述体模材料的可用添加剂为：凝胶添加剂(槐豆胶、结冷胶、黄原胶、魔芋胶等)、钙盐(如氯化钙、硝酸钙等)、钾盐(如氯化钾、硫酸钾、碳酸钾、硝酸钾等)、防腐剂(如苯甲酸钠、山梨酸钾等)、超声散射子(如微米级纤维素、石墨等)、增稠剂(羧甲基纤维素钠)、染料(如刚果红、甲基蓝等)、增韧剂(如硫酸铵等)。

所述体模材料的基本配比范围为：

按质量计，明胶占比0～20％；卡拉胶占比0～5％；明胶与卡拉胶总质量比不应低于0.05％；添加剂0～10％；其余成分为琼脂和水。

所述体模材料调整杨氏模量的方法为：

调整基本原料中明胶、卡拉胶的比例。提高明胶与卡拉胶的比例都能提高体模在常温下的杨氏模量。典型地：

当体模原料只有明胶和水时，体模常温下的杨氏模量：5％明胶—杨氏模量约0.75kPa；12％明胶—杨氏模量约12kPa。

当体模原料只有明胶、卡拉胶与水，且明胶固定为5％时，体模常温下的杨氏模量：0.1％卡拉胶—杨氏模量约3kPa；0.25％卡拉胶—杨氏模量约12kPa；0.5％卡拉胶—杨氏模量约48kPa；1％卡拉胶—杨氏模量约75kPa。

向体模中加入钙盐。其它条件相同时，向体模中加入钙盐会使体模的杨氏模量下降。典型地，5％明胶+0.6％卡拉胶，室温下杨氏模量约60kPa；若在该体系中再加入0.5％的氯化钙，则体模杨氏模量变为12kPa。

所述体模材料调整凝固点的方法为：

调制打印原料，其中，明胶与卡拉胶的比例越高，体模材料的凝固点就越高。典型地，当体模原料只有明胶与水时，5％明胶凝固点为22℃；15％明胶凝固点为55℃；当体模原料有明胶、卡拉胶和水且固定明胶比例为5％时，0.1％卡拉胶—45℃；0.2％卡拉胶—53℃；1％卡拉胶—64℃。

向原料中添加钾盐。钾盐可使体模材料的凝固点进一步升高。典型地，向5％明胶+0.2％卡拉胶的体模原料中添加质量占比0.5％的氯化钾，可使其凝固点升高3℃。

所述体模材料控制颜色的方法为：

向所述体模材料滴入微量(<0.5％)染料。

所述体模材料控制声学性质(超声回声水平)的方法为：

向所述体模材料中加入超声散射介质。所述超声散射子可以是纤维素、石墨等化学物质、也可以是通过已知手段在液态体模材料中产生的微泡。超声散射子的比例越高，材料的超声回声水平越高。典型地，当体模材料中无超声散射介质时，体模无回声，在超声下不显影；加入0.5％纤维素时，体模呈现低回声；加入1％以上的纤维素时，体模呈现高回声。采用不同比例的散射介质，能够使体模的异质性结构在超声下显示得更加清楚，如图2所示。

所述体模材料防止变质、腐蚀的方法为：

向体模材料中加入少量(<2％)的防腐剂。典型地，向体模材料中加入0.5％的山梨酸钾，可使制备的体模在4℃下保存15日以上。

所述体模材料提高韧性的方法为：

待体模材料打印完毕后，将其置入一定浓度(1％～40％)的硫酸铵溶液中，使其发生交联反应；所得体模在50％的拉伸应变下不会断裂。

制备打印体模各相所需原料的原液；

确认待打印体模的结构，用三维建模软件建模；

将三维模型导入打印框架配套软件中，生成G代码；对G代码进行优化。

启动挤出装置，令高温的体模原液充满挤出设备；

对冷却平板进行预冷，将平板温度固定在4～10℃；

按照优化的G代码进行打印。打印框架控制多个打印喷头实现多相体模材料的打印；

打印结束，将打印好的体模从冷却平板取下，放置在4℃的环境中保存；若需要，对打印好的体模进行增韧处理。

所述基本原料为水、明胶、卡拉胶、琼脂、水；所述添加剂包含凝胶添加剂(槐豆胶、结冷胶、黄原胶、魔芋胶等)、钙盐(如氯化钙、硝酸钙等)、钾盐(如氯化钾、硫酸钾、碳酸钾、硝酸钾等)、防腐剂(如苯甲酸钠、山梨酸钾等)、超声散射子(如微米级纤维素、石墨等)、增稠剂(羧甲基纤维素钠)、染料(如刚果红、甲基蓝等)、增韧剂(如硫酸铵等)。

所述的体模原料，调整其固化后的杨氏模量的方法为：

增加体模原料中明胶、卡拉胶、琼脂的比例以提高固化后体模的杨氏模量，反之亦然；

增加体模中钙离子的浓度以降低固化后体模的杨氏模量，反之亦然；

所述的体模原料，提高熔点/凝固点的方法为：

增加体模原料中明胶、卡拉胶、琼脂的比例以提高体模的熔点/凝固点，反之亦然；

增加体模原料中钾盐的比例以提高体模材料的熔点/凝固点，反之亦然；

所述的体模原料，改变光学属性的方法为：

向体模原料中加入染色剂(如刚果红、甲基蓝等)改变颜色。

向体模原料中加入微泡造影剂，降低体模的透明度。

要点4所述的体模原料，改变超声散射水平的方法为：

向体模材料中加入超声散射介质，如纤维素、石墨等；增加超声散射介质的比例，可以提高材料的回声水平。

向体模材料中加入微泡造影剂，通过微泡产生强回声。

所述的体模制作流程，优化G代码的方法为，修改打印路径，避免在打印同一层时，同一打印位点被多次经过。

要点3所述的体模制作流程，增韧处理的方法为：将打印好的体模置于0～40％的硫酸铵溶液中，放置0.5～4个小时后取出。

本发明直接对体模软材料进行3D打印，而非通过3D打印技术制作体模模具，可以对更加复杂的外形进行成型；免去了倒模过程对体模可能带来的损伤。

本发明采用多喷头的设计，从而使打印的体模具有更加复杂的微结构，如内嵌肿瘤组织、神经组织等。

本发明提供的体模原料能够较好地支持所述的3D打印技术，且体模原料具有高度可调节性，通过调节体模原料的组分和比例，打印出的体模的熔点/凝固点、透明度、杨氏模量/硬度等属性可以在一定范围内自由调整；通过增韧处理，可使所述体模具有很强的韧性。

本发明的有益效果，本发明提出一种可3D打印的体模。利用该技术制作的体模，其外形可以任意控制，有利于模拟人体组织器官；可以在其中设计各种各样的异质性结构(如肿瘤、神经、血管)，有利于模拟人体组织的复杂性；体模的诸多物理性质(如熔点/凝固点、杨氏模量、光学透明度、颜色、超声散射等)都可以通过调整体模原料的成分来进行控制。

附图说明

图1为本发明3D打印体模装置的结构示意图。

图2为超声散射介质的作用示意图。

图3为本发明装置打印路径优化示意图。

图4本发明3D打印体模的效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细说明。

3D打印体模的具体流程：下面以双相复合材料体模的3D打印为例，说明本发明在具体应用时的实施流程。

1.确认待打印体模的结构，用三维建模软件(如Solidworks)进行三维建模；

2.将体模的三维模型导入打印机打印框架配套的打印软件中，生成控制挤出系统移动的G代码；对G代码进行优化，使之更符合粘性流体的3D打印。将修改后的G代码文件输入到打印机的打印框架中。G代码的优化主要目的为：

避免在打印一层时，同一位点被多次经过。对于方形体模，优化路径前后的效果如图3(a)与(b)所示。其中为(a)优化前方形的打印路径；(b)为优化后方形的打印路径；

3.分别制作两种体模材料的原液。典型地，以5％明胶+0.5％卡拉胶+0.5％散射子+水作为第一体模原液；以5％明胶+1％卡拉胶+2％散射子+水作为第二体模原液。将原液加热至90℃以上直至明胶与卡拉胶完全溶解。将两种体模材料原液置入原料仓中。开启原料仓中的搅拌器，并将加热平台的温度固定在70℃以上。

4.系统预热。启动挤出装置，使高温的体模原液充满挤出设备，并通过热传导使挤出系统的温度与体模原液持平，防止后续打印时，体模原液在挤出装置中凝固。

5.冷却平板预冷。启动冷却平板，并将冷却平板的温度固定在4～10℃，保证体模原液能够在平板上迅速凝固，又不至于结冰。

6.开始打印。打印框架根据修改好的G代码开始移动，挤出系统以恒定速率将体模材料挤出到冷却平板上，体模材料在冷却平板上固化。在打印两相材料的情况下，打印框架按照G代码交替控制第一挤出系统和第二挤出系统进行打印；第一挤出系统和第二挤出系统分别挤出第一体模原液和第二体模原液。当一个挤出系统在运行时，其它挤出系统应停止运行，防止原料浪费；亦可将体模原液不停挤出到相应的原料仓中。

7.打印结束，将打印好的体模从冷却平板上取下，放置在4℃的环境下保存，或采取增韧处理后，放置在4℃的冰箱内保存。所述增韧处理为：将打印好的体模放置在1～40％的硫酸铵溶液中，放置0.5～4个小时。

经过上述流程打印出的体模，效果如图4所示。其中(a)为3D打印的单相体模；(b)为3D打印的双相体模，两种颜色代表两种不同成分的体模。

以上对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的内容。熟悉本技术领域的人员可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种3D打印体模的装置，其特征在于，包括：控制终端、原料仓、挤出设备、打印底板和打印框架；所述打印框架包括打印软件，所述打印软件是三维建模软件，其对G代码进行优化。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制终端包括计算机。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述原料仓由硬塑料和/或玻璃制成。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述挤出设备装有温控喷头。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述打印底板包括平板和冷却器；挤出设备的温控喷头将材料打印在平板上，冷却器降低平板的温度，使得打印材料能够快速在平板上固化；所述打印框架包括打印软件，所述打印软件是三维建模软件，其对G代码进行优化所述打印框架将单个或多个温控喷头在二维平面上自由运动，从而控制体模的打印路径。

6.使用权利要求1所述装置进行3D打印的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)调制体模各相打印材料的原液；

3)启动挤出装置，令高温的体模原液充满挤出设备；

4)对冷却平板进行预冷，将平板温度固定在4～10℃；

5)按照优化的G代码进行打印；打印框架控制多个打印喷头实现多相体模材料的打印；

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述打印材料包括：

明胶 0～20wt％

卡拉胶 0～5wt％

添加剂 0～10wt％

其余成分为琼脂和水；

所述明胶与卡拉胶总质量比不低于0.05％。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述所述添加剂包括凝胶添加剂、钙盐、钾盐、防腐剂、微泡造影剂、超声散射介质、增稠剂、染料、增韧剂。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述三维建模软件是Solidworks。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述增韧处理包括：待体模材料打印完毕后，将其置入1％～40％的硫酸铵溶液中，放置0.5～4个小时后取出。