CN111688182A - 一种适于太空环境的光固化3d打印设备和打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例涉及一种适于太空环境的光固化3D打印设备和打印方法，所述3D打印设备包括驱动部件、连接件、成形底板、成形室和光图案产生装置，所述成形室包括成形室壳体和成形室门，所述成形室门可开合的连接在成形室壳体的开口处，能够与成形室壳体围合形成成形室的容纳空间，所述成形室门为透明材料；所述成形底板设置在成形室的容纳空间内，所述成形底板的成形面与成形室门的内表面相对设置；所述驱动部件通过连接件驱动成形底板靠近或远离成形室门；所述光图案产生装置与成形室门相对的设置在成形室的外侧。本发明实施例通过设计密闭的成形室，克服了失重环境对打印墨水粘度高的要求，使得很多地球上常用的光敏墨水也可以在太空中使用。

Description

一种适于太空环境的光固化3D打印设备和打印方法
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种适于太空环境的光固化3D打印设备和打印方法。
背景技术
随着21世纪的到来，人类探索太空的脚步在逐渐加速，但将零件送往太空的成本极其昂贵。如能在空间站或宇宙飞船中，根据后续使用需要，使用3D打印机打印所需的零件或物品，将有效的降低太空实验和维修成本。
但太空的环境不同于地球，因太空失重环境的影响，传统的光固化3D打印方法在太空中难以精准打印原设计的形状，会出现打印墨水粘接不牢，层层剥离或脱落等问题。尤其，传统的光固化3D打印方法因使用材料粘度低，且打印区域不封闭，无法在太空失重的环境下使用。
现有的解决方法主要为提升墨水间的粘结力，具体方法包括为，使用磁性墨水和高粘性墨水。
其中，磁性墨水是指在墨水中加入磁性材料，使得打印后的墨水能依靠磁性的吸力聚集在仪器上，而不出现墨水粘接不牢的情况，但磁性物质并非所有零件需要，使用场景受限。
高粘性墨水是指通过特定成分的添加使得生物墨水具有很强的粘性，使得生物墨水自身的结合力很强。但是高粘性墨水粘度很大，很难打印，需要很大的喷射力才能喷射，将牺牲打印效率和打印时间。
发明内容
为了解决上述在太空中光固化3D打印面临的材料选择和制造工艺中的技术问题，本发明实施例提出了一种适于太空环境的光固化3D打印设备，包括驱动部件、连接件、成形底板、成形室和光图案产生装置，
所述成形室包括成形室壳体和成形室门，所述成形室门可开合的连接在成形室壳体的开口处，能够与成形室壳体围合形成成形室的容纳空间，所述成形室门为透明材料；
所述成形底板设置在成形室的容纳空间内，所述成形底板的成形面与成形室门的内表面相对设置；
所述驱动部件通过连接件驱动成形底板靠近或远离成形室门；
所述光图案产生装置与成形室门相对的设置在成形室的外侧。
进一步，所述成形室壳体为一端整体开口的中空长方体或圆柱体；成形室门相应的呈方形或圆形，可开合的设置在所述成形室壳体的开口端。
进一步，所述成形底板的成形面和成形室门的内表面呈平面，所述成形底板的成形面的面积小于成形室门的内表面的面积。
进一步，所述驱动部件设置在成形室的外部，所述连接件经过设置在成形室壳体上的密封件后穿过所述成形室壳体，进入所述成形室的内部，所述连接件的两端分别与所述驱动部件和成形底板连接。
进一步，所述连接件与成形底板可拆卸的连接。
进一步，所述成形底板正对的靠近或远离成形室门。
进一步，所述成形室壳体上设置有与外部排气装置相连的排气口和/或与补液装置相连的补液口。
本发明实施例还提供一种适于太空环境的光固化3D打印方法，使用如上所述的光固化3D打印设备进行光固化3D打印。
进一步，所述光固化3D打印方法包括如下步骤：
步骤S1、向光固化3D打印设备的成形室内注入光敏墨水；
步骤S2、所述光固化3D打印设备的驱动部件驱动成形底板靠近成形室门，使得所述成形底板的成形面与成形室门的内表面之间的间距为需打印的3D打印实体模型的一个层高的距离，在所述成形底板的成形面与成形室门的内表面之间保持有光敏墨水；
步骤S3、所述光固化3D打印设备的光图案产生装置将3D打印实体模型相应层的图片图案朝向成形室门投射，使得在所述成形底板的成形面与成形室门的内表面之间的光敏墨水在光的照射下固化成固体层，作为新形成的固体层；
步骤S4、所述光固化3D打印设备的驱动部件驱动成形底板远离成形室门所述一个层高的距离，使得新形成的固体层与所述成形底板的成形面之间保持所述一个层高的光敏墨水；
步骤S5、所述光固化3D打印设备的光图案产生装置将3D打印实体模型相应层的图片图案朝向成形室门投射，使得在新形成的固体层与所述成形底板的成形面之间的光敏墨水在光的照射下固化成一新的固体层，所述新的固体层作为新形成的固体层，
重复步骤S4和S5，直至完成3D打印实体模型的打印。
进一步，所述需打印的3D打印实体模型的一个层高的距离为10～100微米。
进一步，在向光固化3D打印设备的成形室内注入光敏墨水前，对所述成形底板进行等离子体清洗和亲水处理。
进一步，所述光敏墨水包括明胶-甲基丙烯酸和生理盐水，明胶-甲基丙烯酸溶解在生理盐水中，明胶-甲基丙烯酸的质量体积比为1～10％，所述明胶-甲基丙烯酸(GelMA)的质量体积比是指常温下明胶-甲基丙烯酸(GelMA)的质量与光敏墨水的总体积之比，单位为g/ml；或者，
所述光敏墨水包括聚(乙二醇)二丙烯酸酯和去离子水，聚(乙二醇)二丙烯酸酯溶解在去离子水中，聚(乙二醇)二丙烯酸酯的质量体积比为5～30％，所述聚(乙二醇)二丙烯酸酯的质量体积比是指常温下聚(乙二醇)二丙烯酸酯的质量与光敏墨水的总体积之比，单位为g/ml。
进一步，所述光敏墨水还含有细胞，其中细胞的密度为104个/ml～108个/ml。
进一步，所述光固化3D打印方法还包括：完成3D打印实体模型的打印后，断开所述连接件和成形底板连接，从成形室中取出粘有3D打印实体模型的成形底板，用清洗剂洗掉3D打印实体模型表面残余的光敏墨水。
本发明的有益效果：本发明实施例提出的适于太空环境的光固化3D打印设备和打印方法，通过设计密闭的成形室，克服了失重环境对打印墨水粘度高的要求，使得很多地球上常用的光敏墨水也可以在太空中使用。另一方面，本发明实施例所用的低粘度生物墨水(明胶-甲基丙烯酸(GelMA))为生物活性非常友好的生物墨水，通过本发明实施例的方法可实现该类材料的太空打印，为太空光固化3D打印实验的开展提供了更多的低粘度墨水选择。
附图说明
图1是本发明实施例提出的适于太空环境的光固化3D打印设备的结构图；
图2是本发明实施例提出的适于太空环境的光固化3D打印设备的成形室的结构图；
图3是本发明实施例提出的适于太空环境的光固化3D打印方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。
如本文中所述，术语“包括”及其各种变体可以被理解为开放式术语，其意味着“包括但不限于”。术语“上”、“下”及其类似表述仅用于表示相对物体之间的位置关系。术语“第一”、“第二”及其类似表述仅用于表示不同的技术特征，并无实质含义。
根据本发明的一个方面，提供一种适于太空环境的光固化3D打印设备，如图1、图2所示。所述3D打印设备包括驱动部件100、连接件200、成形底板400、成形室600和光图案产生装置700。
具体的，所述成形室600包括成形室壳体40和成形室门30，所述成形室门30可开合的连接在成形室壳体40的开口处，能够与成形室壳体30围合形成成形室600的容纳空间。所述成形室门30为透明材料，可以为无色透明塑料或无色透明玻璃，优选为疏水处理过的高透光玻璃。在本发明实施例中，所述成形室壳体40为一端整体开口的中空长方体或圆柱体，如图1所示，成形室门30呈方形或圆形，可开合的设置在所述成形室壳体40的开口端。所述成形室壳体40为透明塑料或透明玻璃，以便于操作者的观察打印情况，优选为茶色亚克力塑料，防止强光对人眼的损伤。
所述成形底板400设置在成形室600的容纳空间内，所述成形底板400的成形面与成形室门30的内表面相对设置，所述成形底板400的成形面和成形室门30优选的呈平面。所述成形底板400的成形面的面积小于成形室门30的内表面的面积。当所述成形室壳体40为一端整体开口的中空长方体或圆柱体时，所述成形底板400的成形面的面积小于中空长方体或圆柱体的截面积。优选的，所述成形底板400成形面的面积为所述成形室门30的内表面面积的1/3～4/5。
所述驱动部件100通过连接件200驱动成形底板400靠近或远离成形室门30。在本实施例中，所述驱动部件100设置在成形室600的外部，所述连接件200经过设置在成形室壳体40上的密封件300后穿过所述成形室壳体40，进入所述成形室600的内部，所述连接件200的两端分别与所述驱动部件100和成形底板400连接，所述连接件200与成形底板400可拆卸的连接。所述驱动部件100能够驱动连接件200以紧密贴合密封件300的方式往复滑动，从而带动成形底板400靠近或远离成形室门30。优选的，所述成形底板400正对(图1中的方向Z)的靠近或远离成形室门30。同时，由于密封件300的存在，使得所述连接件200与密封件300紧密贴合，在静止和滑动过程中，连接件200与密封件300的贴合都可封闭成形室600内的液体。本领域技术人员可以理解，所述驱动部件100也可以设置在成形室600的外部。
所述光图案产生装置700与成形室门30相对的设置在成形室600的外侧。所述光图案产生装置700可以为激光点扫描式光图案产生装置、投影式光图案产生装置或LCD屏幕变换图案式光图案产生装置，优选为投影式光图案产生装置。所述光图案产生装置700照射到成形室600底部的有效光功率为0～100mW/cm2，优选为1～20mW/cm2。
如图2所示，所述成形室壳体40上还设置有排气口10和补液口20。所述排气口10与外部排气装置相连，用于去除成形室600中因添加打印光敏墨水而产生的过多气泡。所述补液口20可与补液装置相连，用于向所述成形室600中补充光敏墨水。
此外，所述成形室600还具有温控装置(未示出)，温度控制范围为0℃～80℃，优选为10～40℃。
所述3D打印设备还包括固定安装座500，所述成形室600能够可拆卸的连接在固定安装座500上，固定安装座500能够将所述3D打印设备固定在相应工作位置上。
本发明实施例提出的适于太空环境的光固化3D打印设备，通过设计密闭的成形室，克服了失重环境对打印墨水粘度高的要求，使得很多地球上常用的光敏墨水也可以在太空中使用。
根据本发明的另一个方面，提供一种适于太空环境的光固化3D打印方法，使用如上所述的光固化3D打印设备，所述光固化3D打印方法如图3所示，包括如下步骤：
步骤S1、向光固化3D打印设备的成形室600内注入光敏墨水，关闭成形室门30。
具体的，打开所述成形室600的成形室门30，通过成形室壳体40上的开口向成形室600内注入光敏墨水，或者，也可以通过成形室壳体40上的补液口20向成形室600内注入光敏墨水。
并且，优选的，为了保证成形底板400的洁净度和亲水性，在向光固化3D打印设备的成形室600内注入光敏墨水前，对所述成形底板400进行等离子体清洗和亲水处理。
在向成形室600内添加光敏墨水时，通过排气口10排出成形室600中因添加光敏墨水而产生的过多气泡。
所述光敏墨水包括生物材料或非生物材料的一种或多种，例如包括明胶-甲基丙烯酸(GelMA)、聚乙二醇丙烯酸酯(PEGDA)、透明质酸-甲基丙烯酸(HAMA)、胶原-甲基丙烯酸(ColMA)和光敏树脂中的一种或多种。由于包括明胶-甲基丙烯酸(GelMA)的生物墨水为低粘度生物墨水，生物活性非常友好，是在太空环境中进行光固化3D打印的优选材料。
在本发明的优选实施例中，所述光敏墨水包括所述明胶-甲基丙烯酸(GelMA)和生理盐水，将一定质量的明胶-甲基丙烯酸(GelMA)粉末溶解在生理盐水中制成光敏墨水。其中，明胶-甲基丙烯酸(GelMA)的质量体积比为1～10％，优选为3～5％。所述明胶-甲基丙烯酸(GelMA)的质量体积比是指常温下明胶-甲基丙烯酸(GelMA)的质量与光敏墨水的总体积之比，单位为g/ml。
所述光敏墨水还可以包括明胶、其他明胶衍生物、藻酸盐、藻酸盐衍生物、琼脂、基质胶、胶原蛋白、多糖、透明质酸、壳聚糖、层连接蛋白、纤连接蛋白和纤维蛋白中的一种或多种。
所述光敏墨水还可以含有细胞，其中细胞的密度为104个/ml～108个/ml，优选为105个/ml～107个/ml，更优选为106个/ml。
步骤S2、所述光固化3D打印设备的驱动部件100驱动成形底板400靠近成形室门30，使得所述成形底板400的成形面与成形室门30的内表面之间的间距为10～100微米，在所述成形底板400的成形面与成形室门30的内表面之间保持需打印的3D打印实体模型的一个层高的光敏墨水。
此时，在所述成形底板400的成形面与成形室门30的内表面之间存在有10～100微米厚度的光敏墨水，10～100微米为3D打印实体模型的层高，3D打印实体模型由多层叠合构成。
步骤S3、所述光固化3D打印设备的光图案产生装置700将3D打印实体模型相应层的图片图案朝向成形室门30投射，投射时长为3～30s，使得在所述成形底板400的成形面与成形室门30的内表面之间的光敏墨水在光的照射下固化成固体层，作为新形成的固体层。
其中，根据计算机3D模型得到3D打印实体模型相应层的图片图案，所述计算机3D模型可以为STL或图片格式。
步骤S4、所述光固化3D打印设备的驱动部件100驱动成形底板400远离成形室门30所述一个层高的距离(10～100微米)，使得新形成的固体层与所述成形底板400的成形面之间保持所述一个层高的光敏墨水。
步骤S5、所述光固化3D打印设备的光图案产生装置700将3D打印实体模型相应层的图片图案朝向成形室门30投射，投射时长为3～30s，使得在新形成的固体层与所述成形底板400的成形面之间的光敏墨水在光的照射下固化成一新的固体层，所述新的固体层作为新形成的固体层。
重复步骤S4和S5，直至完成3D打印实体模型的打印。
步骤S6、从所述光固化3D打印设备的成形室600内取出打印的3D打印实体模型。
具体的，断开所述连接件200和成形底板400连接，打开成形室600的成形室门30，例如用镊子从成形室600中取出粘有3D打印实体模型的成形底板400，用清洗剂洗掉3D打印实体模型表面残余的光敏墨水。
在打印3D打印实体模型过程中，通过所述补液口20向所述成形室600中补充光敏墨水，使得成形室600中始终充满光敏墨水。
下面通过优选实施例对本发明作进一步说明，本领域技术人员能够理解，可以以各种形式实现本发明而不应被下述实施例所限制。相反，提供这些实施例仅是为了能够更透彻地理解本发明，并将本发明公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例1三维体外肿瘤模型的太空打印
本实施例提出了一种三维体外肿瘤模型的太空打印方法，包括以下步骤：
·制备光敏生物墨水
将一定质量的明胶-甲基丙烯酸(GelMA)粉末(自制)溶解在生理盐水中，70℃加热3小时至GelMA粉末完全溶解后，制成0.05g/ml GelMA溶液。随后添加0.005g/ml的光引发剂(I2959，2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮，106797-53-9，英力，中国)粉末溶于0.1g/ml GelMA溶液中，制成GelMA生物墨水。
将待打印的肺肿瘤细胞(A549)消化、计数、离心，用GelMA生物墨水重新吹打悬浮后得到4*106/ml的含细胞GelMA生物墨水。
·打印及交联
对成形底板进行等离子体清洗和亲水处理，将上述步骤获得的光敏墨水添加到成形室内，并安装连接好打印机各个结构单元。利用光固化3D打印设备，基于预设的计算机模型和打印路径，以10mW/cm2的365nm波长紫外光，每层图案照射30秒，使得生物墨水可实现光固化交联。打印完毕后，取下成形室，断开连接件和成形底板连接后，打开成形室，用镊子取出粘有3D打印实体模型的成形底板。用37℃生理盐水洗掉3D打印实体模型表面残余的光敏墨水。转移三维体外肿瘤模型至培养装置中按预先设计的培养条件进行培养和开展生物学检测实验。
实施例2采用另一种光敏墨水的三维实体模型的太空打印
本实施例与实施例1相比，区别在于，本实施例的光敏墨水的组成成分不同。
具体的，
·制备生物墨水
将一定质量的聚(乙二醇)二丙烯酸酯(PEGDA，厂家Sigma，分子量700)粉末溶于去离子水中，聚(乙二醇)二丙烯酸酯的质量体积比为20％(可以在5～30％的范围内进行选择)，制成0.2g/ml PEGDA溶液。随后添加0.005g/ml的光引发剂(I2959，2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮，106797-53-9，英力，中国)粉末溶于0.1g/ml PEGDA溶液中，制成PEGDA光敏墨水。
·打印及交联
将上述步骤获得的光敏墨水添加到成形室内，并安装连接好打印机各个结构单元。利用光固化3D打印设备，基于预设的计算机模型和打印路径，以5mW/cm2的365nm波长紫外光，每层图案照射10秒，使得光敏墨水可实现光固化交联。打印完毕后，取下成形室，断开连接件和成形底板连接后，打开成形室，用镊子取出粘有3D打印实体模型的成形底板。用去离子水洗掉3D打印实体模型表面残余的光敏墨水，再放入固化箱中用5mW/cm2的365nm波长紫外光固化3分钟。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种适于太空环境的光固化3D打印设备，其特征在于，所述3D打印设备包括驱动部件(100)、连接件(200)、成形底板(400)、成形室(600)和光图案产生装置(700)，
所述成形室(600)包括成形室壳体(40)和成形室门(30)，所述成形室门(30)可开合的连接在成形室壳体(40)的开口处，能够与成形室壳体(40)围合形成成形室(600)的容纳空间，所述成形室门(30)为透明材料；
所述成形底板(400)设置在成形室(600)的容纳空间内，所述成形底板(400)的成形面与成形室门(30)的内表面相对设置；
所述驱动部件(100)通过连接件(200)驱动成形底板(400)靠近或远离成形室门(30)；
所述光图案产生装置(700)与成形室门(30)相对的设置在成形室(600)的外侧。
2.如权利要求1所述的光固化3D打印设备，其特征在于：所述成形室壳体(40)为一端整体开口的中空长方体或圆柱体；成形室门(30)相应的呈方形或圆形，可开合的设置在所述成形室壳体(40)的开口端。
3.如权利要求1所述的光固化3D打印设备，其特征在于：所述成形底板(400)的成形面和成形室门(30)的内表面呈平面，所述成形底板(400)的成形面的面积小于成形室门(30)的内表面的面积。
4.如权利要求1所述的光固化3D打印设备，其特征在于：所述驱动部件(100)设置在成形室(600)的外部，所述连接件(200)经过设置在成形室壳体(40)上的密封件(300)后穿过所述成形室壳体(40)，进入所述成形室(600)的内部，所述连接件(200)的两端分别与所述驱动部件(100)和成形底板(400)连接。
5.如权利要求4所述的光固化3D打印设备，其特征在于：所述连接件(200)与成形底板(400)可拆卸的连接。
6.如权利要求1所述的光固化3D打印设备，其特征在于：所述成形底板(400)正对的靠近或远离成形室门(30)。
7.如权利要求1所述的光固化3D打印设备，其特征在于：所述成形室壳体(40)上设置有与外部排气装置相连的排气口(10)和/或与补液装置相连的补液口(20)。
8.一种适于太空环境的光固化3D打印方法，其特征在于，使用如权利要求1～7之一所述的光固化3D打印设备进行光固化3D打印。
9.如权利要求8所述的光固化3D打印方法，其特征在于，所述光固化3D打印方法包括如下步骤：
步骤S1、向光固化3D打印设备的成形室(600)内注入光敏墨水；
步骤S2、所述光固化3D打印设备的驱动部件(100)驱动成形底板(400)靠近成形室门(30)，使得所述成形底板(400)的成形面与成形室门(30)的内表面之间的间距为需打印的3D打印实体模型的一个层高的距离，在所述成形底板(400)的成形面与成形室门(30)的内表面之间保持有光敏墨水；
步骤S3、所述光固化3D打印设备的光图案产生装置(700)将3D打印实体模型相应层的图片图案朝向成形室门(30)投射，使得在所述成形底板(400)的成形面与成形室门(30)的内表面之间的光敏墨水在光的照射下固化成固体层，作为新形成的固体层；
步骤S4、所述光固化3D打印设备的驱动部件(100)驱动成形底板(400)远离成形室门(30)所述一个层高的距离，使得新形成的固体层与所述成形底板(400)的成形面之间保持所述一个层高的光敏墨水；
步骤S5、所述光固化3D打印设备的光图案产生装置(700)将3D打印实体模型相应层的图片图案朝向成形室门(30)投射，使得在新形成的固体层与所述成形底板(400)的成形面之间的光敏墨水在光的照射下固化成一新的固体层，所述新的固体层作为新形成的固体层，
重复步骤S4和S5，直至完成3D打印实体模型的打印。
10.如权利要求9所述的光固化3D打印方法，其特征在于，所述需打印的3D打印实体模型的一个层高的距离为10～100微米。
11.如权利要求9所述的光固化3D打印方法，其特征在于，在向光固化3D打印设备的成形室(600)内注入光敏墨水前，对所述成形底板(400)进行等离子体清洗和亲水处理。
12.如权利要求9所述的光固化3D打印方法，其特征在于，所述光敏墨水包括明胶-甲基丙烯酸和生理盐水，明胶-甲基丙烯酸溶解在生理盐水中，明胶-甲基丙烯酸的质量体积比为1～10％，所述明胶-甲基丙烯酸(GelMA)的质量体积比是指常温下明胶-甲基丙烯酸(GelMA)的质量与光敏墨水的总体积之比，单位为g/ml；或者，
所述光敏墨水包括聚(乙二醇)二丙烯酸酯和去离子水，聚(乙二醇)二丙烯酸酯溶解在去离子水中，聚(乙二醇)二丙烯酸酯的质量体积比为5～30％，所述聚(乙二醇)二丙烯酸酯的质量体积比是指常温下聚(乙二醇)二丙烯酸酯的质量与光敏墨水的总体积之比，单位为g/ml。
13.如权利要求12所述的光固化3D打印方法，其特征在于，所述光敏墨水还含有细胞，其中细胞的密度为104个/ml～108个/ml。
14.如权利要求9所述的光固化3D打印方法，其特征在于，所述光固化3D打印方法还包括：完成3D打印实体模型的打印后，断开所述连接件(200)和成形底板(400)连接，从成形室(600)中取出粘有3D打印实体模型的成形底板(400)，用清洗剂洗掉3D打印实体模型表面残余的光敏墨水。
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