CN111572014A - 一种生物3d打印机及快速成型方法 - Google Patents

一种生物3d打印机及快速成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生物3D打印机，包括：底板，底板通过第一直线移动机构连接在打印机外壳内；喷头，喷头通过第二直线移动机构连接在打印机外壳内，喷头包括储料筒，储料筒底部设出料口正对底板，喷头设有转向机构转动出料口的角度，喷头还设有压杆，压杆伸入储料筒中压迫储料筒内的打印材料从出料口挤出；切割机构，设于喷头的出料口和底板之间，用于切割挤出的打印材料。本发明的有益之处在于，出料口为多个条形孔，一次挤出即可直接完成一层面的成型，一般生物打印机打印一层面结构需要几十秒钟，而本发明打印每层面只需几秒钟即可完成，打印效率提升约10倍甚至几十倍。

Description

一种生物3D打印机及快速成型方法
技术领域
本发明属于生物3D打印技术领域，具体涉及一种生物3D打印机及快速成型方法。
背景技术
随着人们对3D打印材料和设备的深入研究，3D打印应用领域不断得到扩展。医疗3D打印具有高个性化需求和高附加值等特点，是3D打印技术最适合的应用领域之一，近年来成为全球医疗器械行业研究热点并得到快速发展。
医疗3D打印主要可应用于以下行业领域：1、齿科（义齿、牙齿矫正器具等）；2、医疗及康复辅具（手术模型、手术导板、矫形器、假体）；3、骨科植入物（金属人工骨、可降解人工骨）；4、活性组织和器官（软骨、神经、血管、以及心脏、肝脏、肾脏等脏器）。
活性组织和器官打印技术属于新兴的生物3D打印范畴，代表了医疗器械行业国际最新技术发展方向。活性组织和器官需要采用细胞、生长因子等生物活性物质或水凝胶、胶原等生物活性材料，通过特殊设计的生物3D打印机得以实用。研究人员为了提高细胞生长、繁殖和黏附等需求，往往将生物活性材料或生物活性物质与生物活性材料的混合物等通过3D打印制成多孔支架。
近年来，国内外医疗器械研究机构和龙头企业在生物3D打印材料及打印设备的研究中取得许多实质性进展，人工皮肤、人工软骨、人工血管、人工心脏等生物3D打印植入物正逐步进入科研和临床前研究阶段，不久将成为产品进入市场应用。
目前已见报道的生物3D打印机的打印方式大多为按照预先设置的参数路径，将生物活性材料或生物活性物质与生物活性材料的混合物（通常为凝胶状）通过打印机喷头小孔挤出，由点成线，由线逐步累积成面，再由一个个面累积成体的循序渐进的过程，打印速度普遍较慢，工作效率较差。
作为植入人体的生物活性组织和器官，通常含有一定数量细胞等生物活性材料，为了确保植入物具有良好的生物活性，对打印制作过程及打印环境具有很高的要求，希望打印速度越快越好，避免在打印过程中因较长时间暴露而导致活性降低或失效。
生物3D打印植入物最理想的应用场景是将3D打印设备放置在手术室，手术室内医生将病人组织器官切除后，根据病人实际切除部位数据，通过现场生物3D设备进行组织器官制作，制作完成后即可迅速植入人体缺损部位中，确保植入物尺寸准确性和良好生物活性，进而提高手术整体效果。以上应用场景对生物3D打印设备的成型速度提出了较高要求。
通过提高3D打印速度，缩短植入物打印时间，可以有效提高打印设备的利用率，进而提高企业的经济效益。
本发明基于以上背景，针对现有技术及市场发展的迫切需要，发明了一种生物3D打印机及快速成型方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种生物3D打印机，包括：底板，底板通过第一直线移动机构连接在打印机外壳内；喷头，喷头通过第二直线移动机构连接在打印机外壳内，喷头包括储料筒，储料筒底部设出料口正对底板，喷头设有转向机构转动出料口的角度，喷头还设有压杆，压杆伸入储料筒中压迫储料筒内的打印材料从出料口挤出；切割机构，设于喷头的出料口和底板之间，用于切割挤出的打印材料。
优选的，转向机构包括套设于储料筒外圈的从动轮和与从动轮轮啮合的主动轮，主动轮与传动杆连接，传动杆与驱动电机连接，驱动电机设于一滑块上，滑块设于一直线导轨上，直线导轨固定于打印机外壳，储料筒通过轴承与第二直线移动机构连接，储料筒与轴承内圈连接，轴承外圈与第二直线移动机构连接。
优选的，储料筒共设有两个，两个储料筒均设有从动轮并与同一个主动轮啮合。
优选的，压杆与一压板连接，压板通过丝杠螺母副与一电机连接，电机设于一滑块上，滑块设于一直线导轨上，直线导轨固定于打印机外壳。
优选的，所述切割机构采用电火花线切割或激光切割。
优选的，所述切割机构包括切刀，切刀两端分别与一丝杠螺母副的螺母连接，两丝杠螺母副的丝杠分别与一驱动电机连接。
优选的，出料口转动角度为60°或90°。
本发明还提供一种利用上述生物3D打印机快速成型的方法，包括如下步骤：
第一步，将打印材料放入储料腔内，推动压杆直至打印材料与出料口贴合；
第二步，底板向上移动至距离出料口0.1mm处停下；
第三步，压杆将打印材料从出料口挤出，底板同步向下运动，直至完成第一层打印，压杆暂停；
第四步，切割机构将打印材料在出料口处切断；
第五步，底板向下移动0.3mm，转向机构驱动出料口的角度和/或第二直线移动机构带动喷头移动；
第六步，底板向上移动0.3mm；
第七步，重复第三步至第六步直至打印完成。
本发明的有益之处在于，出料口为多个条形孔，一次挤出即可直接完成一层面的成型。一般生物打印机打印一层面结构需要几十秒钟，而本发明打印每层面只需几秒钟即可完成，打印效率提升十倍甚至几十倍。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明中喷头相关结构示意图；
图3为本发明中喷头相关结构剖视图；
图4为喷头出料口示意图；
图5为多孔支架示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细描述：
如图1至4所示，一种生物3D打印机，包括：底板2，底板2通过第一直线移动机构21连接在打印机外壳1内；喷头，喷头通过第二直线移动机构31连接在打印机外壳1内，喷头包括储料筒3，储料筒3底部设出料口39正对底板2，出料口39为多个条形孔，喷头设有转向机构转动出料口39的角度，喷头还设有压杆32，压杆32伸入储料筒3中压迫储料筒3内的打印材料6从出料口39挤出；切割机构，设于喷头的出料口39和底板2之间，用于切割挤出的打印材料6。
利用该3D打印机快速成型的方法，包括如下步骤：
第一步，将打印材料6放入储料腔3内，推动压杆32直至打印材料6与出料口39贴合；
第二步，底板2向上移动至距离出料口0.1mm处停下；
第三步，压杆32将打印材料6从出料口39挤出，底板2同步向下运动，直至完成第一层打印，压杆32暂停；
第四步，切割机构将打印材料6在出料口39处切断；
第五步，底板2向下移动0.3mm，转向机构驱动出料口39的角度和/或第二直线移动机构31带动喷头移动；底板2向下移动可以避免出料口39转动时剐蹭到已经打印好的部分。
第六步，底板2向上移动0.3mm；
第七步，重复第三步至第六步直至打印完成。
本发明中，出料口39为多个条形孔，一次挤出即可直接完成一层面的成型，而一般生物打印机打印一层面结构需要几十秒钟，本发明打印每层面只需几秒钟即可完成，打印效率提升约十倍甚至几十倍。
图4显示了一种出料口39的形状，出料口的形状还可以为多个平行且等大的条形孔等其他形状。图5显示了采用该种形状的出料口39打印出来的一种多孔支架。
优选的，第二直线移动机构31包括丝杠螺母副、驱动电机、直线导轨和滑块，直线导轨固定在打印机外壳1上，丝杠螺母副的螺母固定在滑块上，滑块与储料筒3之间通过轴承37连接，储料筒3与轴承37内圈连接，滑块与轴承外圈37连接。转向机构包括套设于储料筒3外圈的从动轮33和与从动轮轮33啮合的主动轮34，主动轮34与传动杆36连接，传动杆36与驱动电机连接，驱动电机设于一滑块上，滑块设于一直线导轨上，直线导轨固定于打印机外壳1。
第一直线移动机构21也可以采用电机、丝杠螺母副、导杆的形式，导杆穿过底板2和打印机外壳1固定，电机的转动通过丝杠螺母副带动底板2上下移动。
优选的，储料筒3共设有两个，两个储料筒3均设有从动轮33并与同一个主动轮34啮合。两个储料筒3可以同时进行两个产品的打印。
优选的，压杆32与一压板35连接，压板35通过丝杠螺母副与一电机连接，电机设于一滑块上，滑块设于一直线导轨上，直线导轨固定于打印机外壳1。由电机通过丝杠螺母副带动压板35进而带动压杆32下压。如图2，当设有两个储料筒3时，两个压杆32也可以连接在同一个压板35上，驱动压板35的电机可以和驱动主动轮34的电机设于同一个滑块上。
优选的，切割机构采用电火花线切割或激光切割。当打印材料为可加热熔融的材料时，如PEEK棒材，将PEEK棒材放入储料腔内，储料腔被加热至PEEK材料熔化温度，推料杆将打印材料从喷头挤出，电火花线切割或激光切割将打印材料与喷头部分切断开。
优选的，切割机构包括切刀4，切刀4两端分别与一丝杠螺母副的螺母连接，两丝杠螺母副的丝杠分别与一驱动电机连接。由驱动电机带动切刀4快速移动切断打印材料。打印材料一般为凝胶类复合材料，刚被挤出时一般为半熔融状态或果冻态，易于被刀片切断。
优选的，出料口39转动角度为60°或90°。
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种生物3D打印机，其特征在于，包括： 底板，底板通过第一直线移动机构连接在打印机外壳内； 喷头，喷头通过第二直线移动机构连接在打印机外壳内，喷头包括储料筒，储料筒底部设出料口正对底板，喷头设有转向机构转动出料口的角度，喷头还设有压杆，压杆伸入储料筒中压迫储料筒内的打印材料从出料口挤出； 切割机构，设于喷头的出料口和底板之间，用于切割挤出的打印材料。
2.根据权利要求1所述的生物3D打印机，其特征在于，转向机构包括套设于储料筒外圈的从动轮和与从动轮轮啮合的主动轮，主动轮与传动杆连接，传动杆与驱动电机连接，驱动电机设于一滑块上，滑块设于一直线导轨上，直线导轨固定于打印机外壳，储料筒通过轴承与第二直线移动机构连接，储料筒与轴承内圈连接，轴承外圈与第二直线移动机构连接。
3.根据权利要求2所述的生物3D打印机，其特征在于，储料筒共设有两个，两个储料筒均设有从动轮并与同一个主动轮啮合。
4.根据权利要求1所述的生物3D打印机，其特征在于，压杆与一压板连接，压板通过丝杠螺母副与一电机连接，电机设于一滑块上，滑块设于一直线导轨上，直线导轨固定于打印机外壳。
5.根据权利要求1所述的生物3D打印机，其特征在于，所述切割机构采用电火花线切割或激光切割。
6.根据权利要求1所述的生物3D打印机，其特征在于，所述切割机构包括切刀，切刀两端分别与一丝杠螺母副的螺母连接，两丝杠螺母副的丝杠分别与一驱动电机连接。
7.根据权利要求1所述的生物3D打印机，其特征在于，出料口转动角度为60°或90°。
8.一种利用如权利要求1所述的3D打印机快速成型的方法，其特征在于，包括如下步骤： 第一步，将打印材料放入储料腔内，推动压杆直至打印材料与出料口贴合； 第二步，底板向上移动至距离出料口0.1mm处停下； 第三步，压杆将打印材料从出料口挤出，底板同步向下运动，直至完成第一层打印，压杆暂停； 第四步，切割机构将打印材料在出料口处切断； 第五步，底板向下移动0.3mm，转向机构驱动出料口的角度和/或第二直线移动机构带动喷头移动； 第六步，底板向上移动0.3mm； 第七步，重复第三步至第六步直至打印完成。
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