CN113290857A - 基于电纺丝技术的增材制造成型设备及成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电纺丝技术的增材制造成型设备及成型方法，其中所述设备包括平面运动模块、送料模块、高压极化模块及打印样品收集模块；平面运动模块包括X电机、Y电机、X滑块、同步带、Y滑块；所述送料模块包括溶液泵、导管、喷嘴A、喷嘴B；所述喷嘴A、喷嘴B与溶液泵间通过导管连通，所述喷嘴A、喷嘴B固定于X滑块上，通过X电机和Y电机带动固定在X滑块的喷嘴A、喷嘴B在横向或竖向运动；通过上述设备可以实现电纺丝喷嘴的精确运动控制，消除打印平台表面高分子溶液的累积静电荷，使得成型工件的厚度方向可以顺利增加。
Description
技术领域
本发明公开涉及增材制造技术领域，尤其涉及基于电纺丝技术的增材制造成型设备及成型方法。
背景技术
增材制造技术也称为3D打印技术，该技术利用材料的快速相变，逐层累积实现工件的增材制造。目前常用的3D打印工艺有：熔融沉积、立体光固化成型技术、选区激光烧结/熔融技术、喷墨成型技术等工艺等。3D打印技术克服了传统成型工艺复杂零件难加工或不能加工的局限，降低了整个加工过程中原材料的使用，大大的缩短了传统制造业的工件制件周期。目前3D打印技术已广泛的应用于航天航空领域、医疗领域、建筑领域等。在医疗领域，3D打印技术可用于制造骨骼假体、生物支架、手术导板等医疗器械及用品。作为引导细胞生长的生物支架结构，需要具有孔洞互通、孔隙率高的孔洞结构，孔径约为200-600um，传统的3D打印设备及工艺难以满足该结构的成型制造。
电纺丝技术利用高分子溶液在电场的作用下发生极化，从喷丝嘴喷出形成射流，最后收集在电性相反的电极上，采用电纺丝技术可制备出三维网状结构的高分子无纺布。近年来有文献报到了采用电纺丝技术制备生物支架结构的研究，采用电纺丝技术制备的三维网状结构生物支架具有孔隙率高、孔径小的特点，有利于细胞的粘附、生长和组织的再生，已成为目前生物支架结构常用的制造方法之一。但目前的电纺丝设备所制备的支架多为无纺布薄膜或薄壁中空管结构，且只能制造薄壁的支架结构。
发明内容
鉴于此，本发明公开提供了一种基于电纺丝技术的增材制造成型设备及成型方法，以解决上述现有技术中存在的不足。
本发明首先提供了一种基于电纺丝技术的增材制造成型设备，包括平面运动模块、送料模块、高压极化模块及打印样品收集模块；所述平面运动模块包括X电机、Y电机、X滑块、同步带、Y滑块；所述送料模块包括溶液泵、导管、喷嘴A、喷嘴B；所述喷嘴A、喷嘴B与溶液泵间通过导管连通，所述喷嘴A、喷嘴B固定于X滑块上，通过X电机和Y电机带动固定在X滑块的喷嘴A、喷嘴B在横向或竖向运动；
所述高压极化模块包括高压电源及与喷嘴A、喷嘴B连接的绝缘导线；所述打印样品收集模块包括Z电机、丝杠、绝缘托架、液体槽、打印平台，所述Z电机与丝杠连接，绝缘托架与丝杠联动，绝缘托架与液体槽连接，打印平台固定于液体槽上方。
进一步地，所述同步带包括纵向对称设置的同步带一和同步带二、横向设置的同步带三；所述Y滑块包括对称设置的Y1滑块、Y2滑块；所述Y电机输出轴的两端安装有对称设置的同步带一、同步带二，所述同步带一、同步带二分别与Y1滑块、Y2滑块联动；
所述X电机固定在Y2滑块上，所述X电机输出端连接两光杆，两光杆上设有同步带三，所述X滑块与同步带三连接，同步带三带动X滑块在光杆上沿x方向运动；两光杆穿过Y1滑块、Y2滑块，与Y1滑块、Y2滑块轴承连接；
所述滑块为塑料材质，中间设置喷嘴和喷嘴的固定孔。
进一步地，所述溶液泵为蠕动泵、隔膜泵、注射器中的一种。
进一步地，所述喷嘴A和喷嘴B为中空金属管结构，喷嘴直径为0.1mm-2mm。
进一步地，所述高压电源采用直流高压电源，电压为：100-50000伏，电源的正、负两个电极通过绝缘导线分别连接到喷嘴、喷嘴和打印平台上，在喷嘴和打印平台之间形成高压电场；
所述绝缘托架及液体槽采用塑料或玻璃钢材质，所述打印平台采用金属材质。
进一步地，所述喷嘴(A)、喷嘴(B)、打印平台之间的间隙为1-100mm。
本发明还提供了一种基于电纺丝技术的增材制造成型方法，包括如下步骤：
1)通过溶液泵将高分子溶液通过导管输送至喷嘴A、喷嘴B，高压电源通过绝缘导线使喷嘴A、喷嘴B与打印平台之间形成高压电场；
2)喷嘴A、喷嘴B处的高分子溶液在所述高压电场的作用下发生极化，从喷嘴处喷出被收集在打印平台上；
3)通过平面运动模块带动喷嘴A、喷嘴B在打印平台上方按照程序控制打印的轨迹运动，实现高分子溶液的打印；
4)在打印平台上完成一层打印后，打印平台在Z电机、丝杠、绝缘托架的带动下，向下移动一个打印层厚，即沉积到打印平台上的高分子溶液的厚度；
5)在程序的控制下完成工件各层的打印，最终实现增材制造成型。
进一步地，在成型制备中，所述喷嘴A、喷嘴B可以同时选用，或只选用其中一个，若只选其中一个喷嘴则采用单种高分子溶液进行打印，若选用两个喷嘴，则采用两种高分子溶液进行打印。
液体槽内放置导电性液体，所述导电性液体由溶质、溶剂组成，所述溶质为氯化钠、氯化钙、氯化镁、氯化钾、硫酸钠、磷酸钠或磷酸钾中的一种，所述溶剂为水或乙醇中的一种或两种混合溶剂。
所述高分子溶液由溶质、溶剂组成，所述溶质为聚乳酸、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚己二酸己二醇酯、聚己内酯、纤维素、温敏改性甲壳素或明胶中的一种，所述溶剂为水溶液、乙醇、丙酮、甲苯、氯仿、二甲基甲酰胺或氮甲基吡咯烷酮中的一种或多种混合溶剂。
本发明提供的一种基于电纺丝技术的增材制造成型设备及成型方法，可以实现电纺丝喷嘴的精确运动控制，消除打印平台表面高分子溶液的累积静电荷，使得成型工件的厚度方向可以顺利增加；
本发明提供的3D打印设备结构合理，制备的产品精度高，具有良好的推广前景。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明的公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明公开实施例提供的一种基于电纺丝技术的增材制造成型设备的结构示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的系统的例子。
现有技术中，电纺丝设备收集电极的形式多为平板或滚筒结构，由于当前的电纺丝设备没有对喷丝嘴运动方向进行控制，导致所制备的支架多为无纺布薄膜或薄壁中空管结构，而没法制备特定形状的立体组织支架结构。此外传统的电纺丝设备的纤维收集装置由于没有消除静电荷的功能，收集装置上的纺丝溶液对电纺丝过程射流的静电排斥作用较大，影响后续高分子溶液在收集装置上的沉积，因此电纺丝无纺布的厚度较薄，只能制造薄壁的支架结构。
针对上述问题，本实施方案提供了一种基于电纺丝技术的增材制造成型设备，包括平面运动模块、送料模块、高压极化模块及打印样品收集模块；其中平面运动模块包括X电机4、Y电机5、X滑块8、同步带、Y滑块；其功能是通过X电机和Y电机带动固定在X滑块运动上的喷嘴A、喷嘴B运动，实现喷嘴的运动控制；
送料模块包括溶液泵10、导管11、喷嘴A12、喷嘴B13；其功能是将高分子溶液输送至喷嘴；
喷嘴A12、喷嘴B13与溶液泵10间通过导管11连通，喷嘴A12、喷嘴B13固定于X滑块8上，通过X电机4和Y电机5带动固定在X滑块运动上的喷嘴A、喷嘴B在横向或竖向运动；
其中平面运动模块可采用以下的连接方式：同步带包括纵向对称设置的同步带一91和同步带二、横向设置的同步带三92；Y滑块包括对称设置的Y1滑块161、Y2滑块162；Y电机5输出轴的两端安装有对称设置的同步带一91、同步带二，同步带一91、同步带二分别与Y1滑块161、Y2滑块162联动；
X电机4固定在Y2滑块161上，X电机4输出端连接两光杆，两光杆上设有同步带三92，X滑块与同步带三92连接，同步带三92可以保证X滑块的平稳。
同步带三92带动X滑块在光杆上沿x方向运动；两光杆穿过Y1滑块161、Y2滑块162，与Y1滑块161、Y2滑块162轴承连接。
X电机4固定在Y2滑块上，X滑块通过2个光杆位于在两个Y滑块中间，这样使得X电机和X滑块构成平面位于Y滑块上，随着Y滑块可以实现纵向的移动，Y电机5可实现正反转；
高压极化模块包括高压电源14及与喷嘴A12、喷嘴B13连接的绝缘导线15；其作用时极化高分子溶液，使其可否溶液的表面张力从喷嘴喷出形成射流；
打印样品收集模块包括Z电机6、丝杠7、绝缘托架3、液体槽2、打印平台1；其作用是收集高分子射流，消除高分子溶液表面的静电荷。
Z电机6与丝杠7连接，绝缘托架3与丝杠7联动，绝缘托架3与液体槽2连接，打印平台1固定于液体槽2上方。Z电机6带动丝杠7、绝缘托架3和打印平台1在液体槽2内上下运动；绝缘托架3材质为绝缘的塑料或玻璃钢，绝缘托架3上放置金属材质的打印平台1，用于收集高分子射流17；液体槽2为塑料、玻璃钢等具有良好绝缘性能的材料制成，可避免高压电极与打印机金属零件的导通；液体槽2内放置导电性液体，导电性液体由溶质、溶剂组成，所述溶质为氯化钠、氯化钙、氯化镁、氯化钾、硫酸钠、磷酸钠或磷酸钾中的一种，所述溶剂为水或乙醇中的一种或两种混合溶剂。
滑块8为塑料材质，中间设置喷嘴A和喷嘴B的固定孔。滑块8与同步带相连接，在电机和同步带的带动下可在水平面上运动。
溶液泵10为蠕动泵、隔膜泵、注射器中的一种。高分子溶液通过溶液泵10及导管11输送至喷嘴A12及喷嘴B13，喷嘴A和喷嘴B为中空金属管结构，喷嘴直径为0.1mm-2mm。
高压电源14采用直流高压电源，电压为：100-50000伏可调，电源的正、负两个电极通过绝缘导线15分别连接到喷嘴A、喷嘴B和打印平台1上，在喷嘴和打印平台之间形成高压电场。
喷嘴A、喷嘴B、打印平台1之间的间隙为1-100mm可调。若选择喷嘴与平台间隙较小则沉积到打印平台上的高分子溶液分散的区域较窄，打印精度较高，若选择喷嘴与平台间隙较大则沉积到打印平台上的高分子溶液分散的区域较宽，打印精度较低。
溶液泵10将高分子溶液通过导管11输送至喷嘴A12、喷嘴B13，高压电源14通过绝缘导线15使喷嘴A12、喷嘴B13与打印平台1之间形成高压电场。喷嘴A12、喷嘴B13处的高分子溶液在电场的作用下发生极化，从喷嘴处喷出被收集在打印平台1上；X电机4、Y电机5、X滑块8、同步带、Y滑块16构成平面运动模块带动喷嘴A12、喷嘴B13在打印平台1上方按照程序控制打印的轨迹运动，实现高分子溶液的打印。由Z电机6、绝缘托架3、液体槽2、打印平台1构成打印样品收集模块，液体槽内放置导电液体，导电液体可消除打印样品上的冗余电荷，避免打印平台1上沉积的高分子溶液对喷嘴喷射的高分子溶液射流17产生静电排斥作用，打印平台1在喷嘴A12、喷嘴B13完成一层打印后，打印平台1在Z电机6、丝杠7、绝缘托架3的带动下，向下移动一个打印层厚，即沉积到打印平台上的高分子溶液的厚度。打印机在程序的控制下完成工件各层的打印，而实现工件的增材制造。
上述高分子溶液由溶质、溶剂组成，溶质为聚乳酸、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚己二酸己二醇酯、聚己内酯、纤维素、温敏改性甲壳素或明胶中的一种，溶剂为水溶液、乙醇、丙酮、甲苯、氯仿、二甲基甲酰胺或氮甲基吡咯烷酮中的一种或多种混合溶剂。
喷嘴A12、喷嘴B13可以同时选用，或只选用其中一个喷嘴，若只选其中一个喷嘴则采用单独一种高分子溶液进行打印，若选用两个喷嘴，则采用两种高分子溶液进行打印。
通过本实施方案提供的打印设备，能够精确控制电纺丝喷嘴的运动，消除收集装置上纺丝溶液的电荷累积，通过上述方法可制备出满足设计要求的三维网状结构的支架材料。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种基于电纺丝技术的增材制造成型设备，其特征在于，包括平面运动模块、送料模块、高压极化模块及打印样品收集模块；所述平面运动模块包括X电机(4)、Y电机(5)、X滑块(8)、同步带、Y滑块；所述送料模块包括溶液泵(10)、导管(11)、喷嘴A(12)、喷嘴B(13)；所述喷嘴A(12)、喷嘴B(13)与溶液泵(10)间通过导管(11)连通，所述喷嘴A(12)、喷嘴B(13)固定于X滑块(8)上，通过X电机(4)和Y电机(5)带动固定在X滑块的喷嘴A、喷嘴B在横向或竖向运动；
所述高压极化模块包括高压电源(14)及与喷嘴A(12)、喷嘴B(13)连接的绝缘导线(15)；所述打印样品收集模块包括Z电机(6)、丝杠(7)、绝缘托架(3)、液体槽(2)、打印平台(1)，所述Z电机(6)与丝杠(7)连接，绝缘托架(3)与丝杠(7)联动，绝缘托架(3)与液体槽(2)连接，打印平台(1)固定于液体槽(2)上方。
2.根据权利要求1所述的一种基于电纺丝技术的增材制造成型设备，其特征在于，所述同步带包括纵向对称设置的同步带一(91)和同步带二、横向设置的同步带三(92)；所述Y滑块包括对称设置的Y1滑块(161)、Y2滑块(162)；所述Y电机(5)输出轴的两端安装有对称设置的同步带一(91)、同步带二，所述同步带一(91)、同步带二分别与Y1滑块(161)、Y2滑块(162)联动；
所述X电机(4)固定在Y2滑块(162)上，所述X电机(4)输出端连接两光杆，两光杆上设有同步带三(92)，所述X滑块与同步带三(92)连接，同步带三(92)带动X滑块在光杆上沿x方向运动；两光杆穿过Y1滑块(161)、Y2滑块(162)，与Y1滑块(161)、Y2滑块(162)轴承连接；
所述滑块(8)为塑料材质，中间设置喷嘴(A)和喷嘴(B)的固定孔。
3.根据权利要求1所述的一种基于电纺丝技术的增材制造成型设备，其特征在于，所述溶液泵(10)为蠕动泵、隔膜泵、注射器中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种基于电纺丝技术的增材制造成型设备，其特征在于，所述喷嘴A和喷嘴B为中空金属管结构，喷嘴直径为0.1mm-2mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于电纺丝技术的增材制造成型设备，其特征在于，所述高压电源(14)采用直流高压电源，电压为：100-50000伏，电源的正、负两个电极通过绝缘导线(15)分别连接到喷嘴(A)、喷嘴(B)和打印平台(1)上，在喷嘴和打印平台之间形成高压电场；
所述绝缘托架(3)及液体槽(2)采用塑料或玻璃钢材质，所述打印平台(1)采用金属材质。
6.根据权利要求1所述的一种基于电纺丝技术的增材制造成型设备，其特征在于，所述喷嘴(A)、喷嘴(B)、打印平台(1)之间的间隙为1-100mm。
7.一种基于电纺丝技术的增材制造成型方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)通过溶液泵(10)将高分子溶液通过导管(11)输送至喷嘴A(12)、喷嘴B(13)，高压电源(14)通过绝缘导线(15)使喷嘴A(12)、喷嘴B(13)与打印平台(1)之间形成高压电场；
2)喷嘴A(12)、喷嘴B(13)处的高分子溶液在所述高压电场的作用下发生极化，从喷嘴处喷出被收集在打印平台(1)上；
3)通过平面运动模块带动喷嘴A(12)、喷嘴B(13)在打印平台(1)上方按照程序控制打印的轨迹运动，实现高分子溶液的打印；
4)在打印平台(1)上完成一层打印后，打印平台(1)在Z电机(6)、丝杠(7)、绝缘托架(3)的带动下，向下移动一个打印层厚，即沉积到打印平台上的高分子溶液的厚度；
5)在程序的控制下完成工件各层的打印，最终实现增材制造成型。
8.根据权利要求7所述的一种基于电纺丝技术的增材制造成型方法，其特征在于，在成型制备中，所述喷嘴A(12)、喷嘴B(13)可以同时选用，或只选用其中一个，若只选其中一个喷嘴则采用单种高分子溶液进行打印，若选用两个喷嘴，则采用两种高分子溶液进行打印。
9.根据权利要求8所述的一种基于电纺丝技术的增材制造成型方法，其特征在于，液体槽(2)内放置导电性液体，所述导电性液体由溶质、溶剂组成，所述溶质为氯化钠、氯化钙、氯化镁、氯化钾、硫酸钠、磷酸钠或磷酸钾中的一种，所述溶剂为水或乙醇中的一种或两种混合溶剂。
10.根据权利要求8所述的一种基于电纺丝技术的增材制造成型方法，其特征在于，所述高分子溶液由溶质、溶剂组成，所述溶质为聚乳酸、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚己二酸己二醇酯、聚己内酯、纤维素、温敏改性甲壳素或明胶中的一种，所述溶剂为水溶液、乙醇、丙酮、甲苯、氯仿、二甲基甲酰胺或氮甲基吡咯烷酮中的一种或多种混合溶剂。
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