CN114311219A - 一种可用于打印高黏度多材料结构的光固化成型装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可用于打印高黏度多材料结构的光固化成型装置，包括：箱体、集成式打印平台、DLP投影光机、打印台升降模组、反射镜、清洗装置、储料槽、微流控装置和刮平器。所述储料槽包括涡轮搅拌器和输料管，提高多材料混合均匀的效率。所述刮平器包括用于刮平材料且刀刃具有倒角的刮刀、用于清除集成式打印平台中残余材料的清除刮刀、刮平器支架和蜗杆装置，刮平器布置于集成式打印平台的侧方，可实现对材料的刮平与清除。所述清洗装置包括超声波清洗池和烘干装置，实现对刮平器的清洗与烘干。本发明采用集成式的组装，体积较小，各组成部分结构紧凑且相互配合使用，可以精确地控制梯度属性，可打印具有连续或离散梯度特性的支架。
Description
技术领域
本发明所涉及一种光固化成型装置，尤其是涉及一种可用于打印高黏度多材料结构的光固化成型装置。
背景技术
生物组织中的梯度结构广泛存在，在生物生长发育过程中起着重要作用，如骨组织具有很显著的力学梯度特性，其中长骨结构最为典型，两端为骨松质，中间为骨密质，外部坚韧，内部疏松多孔，使骨骼既具有强度又具有韧性。
目前，常用于骨修复的生物陶瓷支架，其复合材料的分散相是均匀分布的，整体材料的性能是同一的，因而不具有梯度特性。而构建具有力学梯度、机械梯度和孔隙率梯度等特性的支架，既可以承载相应的环境负荷，由具有良好的力学性能和机械性能，这对模拟天然骨组织具有重要意义。
目前高黏度多材料打印方式主要有两种，一种是基于多料槽换料原理，一种是基于多喷头换料原理，两种装置所占体积较大，且实现连续梯度的能力较差。现存的微流体装置技术与光固化打印系统相结合，使得高黏度多材料打印具有连续梯度特性的支架成为可能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可用于打印高黏度多材料结构的光固化成型装置，以有效解决现有技术的不足之处。
该装置基于自下而上曝光的DLP投影原理，通过微流控设备技术对进料口进行精确控制输料，可以实现多种高黏度材料在集成式打印平台中快速、高精度的打印成型。
本发明所采用的技术方案为：
本发明包括箱体、集成式打印平台、DLP投影光机、打印台升降模组、反射镜、清洗装置、储料槽、微流控装置和刮平器。
所述集成式打印平台通过机械部件与箱体连接固定，底部具有安装特种玻璃的料槽，所述的特种玻璃针对特定波长为405nm生物光波具有90%以上的透射率，玻璃表面贴有离型膜。
DLP投影光机布置于集成式打印平台的下方，通过机械部件固定于箱体内底部，DLP投影光机发出光束经反射镜反射到集成式打印平台。
所述打印台升降模组布置于集成式打印平台的侧方，包括Z轴升降台与成型平台。
所述反射镜布置于集成式打印平台中特种玻璃的正下方，固定于箱体内底面，于箱体底侧呈一定角度用于反射DLP投影光机发出的光束。
所述清洗装置通过机械部件与集成式打印平台相固定，布置于集成式打印平台一侧。
所述储料槽通过机械部件与集成式打印平台相固定，布置于集成式打印平台一侧，且与清洗装置相对的一侧。
所述微流控装置布置于箱体外侧，与储料槽相连接。微流控装置通过微流控芯片控制多个注射泵按照给定比例注射多种材料，多种材料通过管道输送到储料槽。
所述注射泵可以采用现成的仪器，把注射泵与本发明的装置连接，也可以固定安装在本发明装置的箱体外侧，使用时只需要往注射泵内注入浆料即可使用，不用再单独购买注射泵。
所述刮平器布置于集成式打印平台一侧，由电机控制其旋转平移。
所述清洗装置包括超声波清洗池和烘干装置。所述的烘干装置包括壳体、通气管道、小型风扇和热电丝；将电源开关打开，加热热电丝，同时风扇打开，14个小型烘干喷头开始同时进行工作，对刮平器进行全方位的烘干；烘干装置布置于超声波清洗池的上方。清洗装置通过机械部件与集成式打印平台相固定，底部通过管道穿过箱体连接到废液存储区；超声波清洗池需要工作时，将清洗液进口开关打开进行注水；刮平器清洗干净后，清洗液出口开关打开将超声波清洗池中的废水排出到废液存储区。
所述刮平器包括用于刮平材料且刀刃具有倒角的刮刀、用于清除集成式打印平台中残余材料的清除刮刀、蜗杆装置和刮平器支架。所述刮平器布置于集成式打印平台的侧方；所述清除刮刀的刀刃优选工业百洁布等清除工具；所述刮刀与清除刮刀通过机械部件相对于180°的位置固定在刮平器支架上，由刮平器支架上的旋转电机控制变换使用；另由旋转电机控制蜗杆装置旋转从而带动刮平器平移，蜗杆装置上的圆柱支架起定位作用；另由电机控制刮平器整体的升降，从而移动到清洗装置进行清洗与烘干。
所述的储料槽包括储料腔体、一个大涡轮搅拌器、三个小涡轮搅拌器和输料管。所述大涡轮搅拌器固定于储料槽的内底部；所述三个小涡轮搅拌器呈螺旋上升状布置于储料槽内测，大涡轮搅拌器与三小涡轮搅拌器的旋转方向相反，共同使用可使材料混合搅拌充分；所述输料管用于连接储料腔体与集成式打印平台的入料口，输料管内部具有12个螺旋式肋壁，可将材料在运输过程中进一步混合均匀，输料管与涡轮搅拌器的共同使用提高了材料混合均匀的效率。微流控装置通过微流控芯片控制多个注射泵按照给定比例注射多种材料，多种材料通过管道进入储料槽的进料口，储料槽通过输料管与集成式打印平台的入料口相连接，多种材料混合经过储料槽和输料管搅拌均匀后，通过集成式打印平台的入料口进入打印平台。
本发明的工作过程：微流控装置通过微流控芯片控制多个注射泵按照给定比例注射多种材料；多种材料通过管道进入储料槽的进料口；同时储料槽中的大涡轮搅拌器与小涡轮搅拌器运动对材料进行搅拌；储料槽的通过输料管连接到集成式打印平台的入料口，材料经过涡轮搅拌器与输料管混合均匀后，通过集成式打印平台的入料口进入到集成式打印平台上的特种玻璃料槽中；刮平器中用于使材料涂覆均匀的刮刀开始将材料涂覆均匀；启动计算机软件将模型进行切片，DLP投影光机发出光束经反射镜反射到特种玻璃的料槽中；打印台升降模组中的成型平台开始运动，材料开始在成型平台上实现固化；待打印完成后，成型平台移动至高处，由电机控制刮平器转换到清除刮刀对打印平台中的残留材料进行清除，随后由电机控制移动至清洗装置中；超声波清洗池底部的清洗液进口开关打开开始注水；待注水完成后，超声波清洗池开关打开，超声波清洗池开始工作对刮平器进行清洗；清洗干净后，清洗液出口开关打开将超声波清洗池中的废水排除到废液存储区；刮平器移动到烘干装置的位置，烘干装置电源打开，加热热电丝，同时风扇打开，14个小型烘干喷头开始对刮平器进行全方位的烘干，为防止材料交叉污染可将刮平器进行多次材料清除与清洗。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明的光固化成型装置结构简单稳定，装置制造成本低，操作方便，光机的高精度投影将材料层层固化，可用于打印极复杂的造型，适合各种骨修复情况。
2、本发明是集成式的组装，体积较小，采用微流控技术能实现精确的材料更替，精确地控制梯度属性，可打印具有连续或离散梯度特性的支架，且打印的支架结构精密，力学性能与机械性能良好。
附图说明
图1是本发明实施例的结构模型图；
图2是本发明实施例中集成式打印平台示意图；
图3是图2中管道Ⅰ部分径向截面示意图；
图4本发明实施例中刮平器结构示意图；
图5是本发明实施例的流程图；
图6是图1的立体图；
图中：1为箱体，2为集成式打印平台，3为储料槽，4为微流控装置，5为输料管，6为入料口，7为DLP投影光机，8为打印台升降模组，9为刮平器，10为反射镜，11为清洗装置， 12为清洗液出口，13为烘干装置，14为超声波清洗池，15为清洗液进口，16为小涡轮搅拌器，17为大涡轮搅拌器，18为清除刮刀，19为刮刀，20为蜗杆装置，21为刮平器支架。
具体实施方式
下面结合具体实施例与附图对本发明做进一步的说明：
如图1和图6所示，一种可用于打印高黏度多材料结构的光固化成型装置，包括：箱体1、集成式打印平台2、DLP投影光机7、打印台升降模组8、反射镜10、清洗装置11、储料槽3、微流控装置4和刮平器9。
所述集成式打印平台2通过机械部件与箱体1连接固定，底部具有安装特种玻璃的料槽，所述的特种玻璃针对特定波长为405nm生物光波具有90%以上的透射率，玻璃表面贴有离型膜。
DLP投影光机7布置于集成式打印平台2的下方，通过机械部件固定于箱体1内底部，DLP投影光机7发出光束经反射镜10反射到集成式打印平台2。
所述打印台升降模组8布置于集成式打印平台2的侧方，包括Z轴升降台与成型平台。
所述反射镜10布置于集成式打印平台2中特种玻璃的正下方，固定于箱体1内底面，于箱体1底侧呈一定角度用于反射DLP投影光机7发出的光束。
所述清洗装置11通过机械部件与集成式打印平台2相固定，布置于集成式打印平台2一侧。
所述储料槽3通过机械部件与集成式打印平台2相固定，布置于集成式打印平台2一侧，且与清洗装置11相对的一侧。
所述微流控装置4布置于箱体1外侧，与储料槽3相连接。微流控装置4通过微流控芯片控制多个注射泵按照给定比例注射多种材料，多种材料通过管道输送到储料槽3。
所述刮平器9布置于集成式打印平台2一侧，由电机控制其旋转平移。
所述清洗装置11包括超声波清洗池14和烘干装置13。所述的烘干装置13包括壳体、通气管道、小型风扇和热电丝；将电源开关打开，加热热电丝，同时风扇打开，14个小型烘干喷头开始同时进行工作，对刮平器9进行全方位的烘干；烘干装置13布置于超声波清洗池14的上方。清洗装置11通过机械部件与集成式打印平台2相固定，底部通过管道穿过箱体1连接到废液存储区；超声波清洗池14需要工作时，将清洗液进口15开关打开进行注水；刮平器9清洗干净后，清洗液出口12开关打开将超声波清洗池14中的废水排出到废液存储区。
如图2所示，所述的储料槽3包括储料腔体、1个大涡轮搅拌器17、3个小涡轮搅拌器16和输料管5。所述大涡轮搅拌器17固定于储料槽3的内底部；所述三个小涡轮搅拌器16呈螺旋上升状布置于储料槽3内测，大涡轮搅拌器17与3小涡轮搅拌器16的旋转方向相反，共同使用可使材料混合搅拌充分；所述输料管5用于连接储料腔体与集成式打印平台2的入料口6，输料管5内部具有12个螺旋式肋壁（如图3所示），可将材料在运输过程中进一步混合均匀，输料管5与涡轮搅拌器的共同使用提高了材料混合均匀的效率。微流控装置4通过微流控芯片控制多个注射泵按照给定比例注射多种材料，多种材料通过管道进入储料槽3的进料口，储料槽3通过输料管5与集成式打印平台2的入料口6相连接，多种材料混合经过储料槽3和输料管5搅拌均匀后，通过集成式打印平台2的入料口6进入打印平台。
如图4所示，所述刮平器9包括用于刮平材料且刀刃具有倒角的刮刀19、用于清除集成式打印平台中残余材料的清除刮刀18、蜗杆装置20和刮平器支架21。所述刮平器9布置于集成式打印平台2的侧方；所述清除刮刀18的刀刃优选工业百洁布等清除工具；所述刮刀19与清除刮刀18通过机械部件相对于180°的位置固定在刮平器支架21上，由刮平器支架21上的旋转电机控制变换使用；另由旋转电机控制蜗杆装置20旋转从而带动刮平器9平移，蜗杆装置20上的圆柱支架起定位支撑作用；另由电机控制刮平器9整体的升降，从而移动到清洗装置11进行清洗与烘干。
如图5所示，微流控装置4通过微流控芯片控制多个注射泵按照给定比例注射多种材料；多种材料通过管道进入储料槽3的进料口；同时储料槽3中的大涡轮搅拌器17与小涡轮搅拌器16运动对材料进行搅拌；储料槽3的通过输料管5连接到集成式打印平台2的入料口6，材料经过涡轮搅拌器与输料管5混合均匀后，通过集成式打印平台2的入料口6进入到集成式打印平台2上的特种玻璃料槽中；刮平器9中用于使材料涂覆均匀的刮刀19开始将材料涂覆均匀；启动计算机软件将模型进行切片，DLP投影光机7发出光束经反射镜10反射到特种玻璃的料槽中；打印台升降模组8中的成型平台开始运动，材料开始在成型平台上实现固化；待打印完成后，成型平台移动至高处，由电机控制刮平器9转换到清除刮刀18对打印平台中的残留材料进行清除，随后由电机控制移动至清洗装置11中；超声波清洗池14底部的清洗液进口15开关打开开始注水；待注水完成后，超声波清洗池14开关打开，超声波清洗池14开始工作对刮平器9进行清洗；清洗干净后，清洗液出口12开关打开将超声波清洗池14中的废水排除到废液存储区；刮平器9移动到烘干装置13的位置，烘干装置电源打开，加热热电丝，同时风扇打开，14个小型烘干喷头开始对刮平器9进行全方位的烘干，为防止材料交叉污染可将刮平器9进行多次材料清除与清洗。
实施例1
以羟基磷灰石（HA）与聚己内酯(PCL)材料混合打印具有连续梯度特性的支架为例，来说明本发明的装置的工作过程：
由微流控装置控制微流控芯片按比例通过不同注射泵输出一定质量配比为1：1：2的羟基磷灰石溶液、聚己内酯溶液和光敏树脂；多种材料通过管道输送到储料槽的输入口，同时储料槽中的大涡轮搅拌器与3个小涡轮搅拌器进行搅拌，搅拌5min，之后不断将材料输入到储料槽，同时搅拌均匀的材料通过输料管进一步混合，即可得到混合均匀的聚己内酯/纳米羟基磷灰石复合材料。
开启计算机软件，将模型进行切片设置打印层厚为20微米，每层曝光时间为10s，为加强粘结防止打印物脱落，首层曝光时间为20s，设置每层打印完成后，成型平台抬升距离为20mm，并将电脑与光固化打印设备连接。
储料槽的通过输料管连接到集成式打印平台的入料口，由于不断输入材料，混合后材料进入集成式打印平台上的特种玻璃料槽中；刮平器中的刮刀开始将材料涂覆均匀。
DLP投影光机发出光束经反射镜反射到特种玻璃的料槽中，材料在打印台升降模组中的成型平台上实现固化，每层打印完成成型平台抬升距20mm。
旋转电机带动刮平器进行刮刀的转换，清除刮刀将残留材料进行清除干净；电机控制清除刮刀移动至清洗装置；同时，超声波清洗池底部的清洗液进口打开，开始进行注水；待注水完成后，超声波清洗池开关打开，刮平器进行清洗60s；等到刮平器清洗干净后，清洗液出口打开将废水排除到废液存储区；刮平器移动到烘干装置位置，烘干装置电源打开，加热热电丝，同时风扇打开，14个小型烘干喷头开始对刮平器进行全方位的烘干30s。
随后为由微流控装置控制微流控芯片按比例通过注射泵输出一定质量配比为1.1：0.9：2的羟基磷灰石溶液、聚己内酯溶液和光敏树脂；为了防止材料交叉污染，确保前一层所用材料被清除干净，待材料输入5min后，用刮平器对打印平台中上层残留材料进行2-3次清除与清洗；进行打印。
更换不同质量配比，重复上述步骤，直至模型打印完成。
实施例2
以羟基磷灰石（HA）与聚己内酯(PCL)材料混合打印具有离散特性的支架为例，来说明本发明的装置的工作过程：
由微流控装置控制微流控芯片按比例通过不同注射泵输出一定质量配比为4：3：7的羟基磷灰石溶液、聚己内酯溶液和光敏树脂；多种材料通过管道输送到储料槽的输入口，同时储料槽中的大涡轮搅拌器与3个小涡轮搅拌器进行搅拌，搅拌5min，之后不断将材料输入到储料槽，同时搅拌均匀的材料通过输料管进一步混合，即可得到混合均匀的聚己内酯/纳米羟基磷灰石复合材料。
开启计算机软件，将模型进行切片设置打印层厚为20微米，每层曝光时间为10s，为加强粘结防止打印物脱落，首层曝光时间为20s，设置每层打印完成后，成型平台抬升距离为20mm，并将电脑与光固化打印设备连接。
储料槽的通过输料管连接到集成式打印平台的入料口，由于不断输入材料，混合后材料进入集成式打印平台上的特种玻璃料槽中；刮平器中的刮刀开始将材料涂覆均匀。
DLP投影光机发出光束经反射镜反射到特种玻璃的料槽中，材料在打印台升降模组中的成型平台上实现固化，每层打印完成成型平台抬升距20mm。
旋转电机带动刮平器进行刮刀的转换，清除刮刀将残留材料进行清除干净；电机控制清除刮刀移动至清洗装置；同时，超声波清洗池底部的清洗液进口打开，开始进行注水；待注水完成后，超声波清洗池开关打开，刮平器进行清洗60s；等到刮平器清洗干净后，清洗液出口打开将废水排除到废液存储区；刮平器移动到烘干装置位置，烘干装置电源打开，加热热电丝，同时风扇打开，14个小型烘干喷头开始对刮平器进行全方位的烘干30s。
随后为由微流控装置控制微流控芯片按比例通过注射泵输出一定质量配比为1：1：2的羟基磷灰石溶液、聚己内酯溶液和光敏树脂；为了防止材料交叉污染，确保前一层所用材料被清除干净，待材料输入5min后，用刮平器对打印平台中上层残留材料进行2-3次清除与清洗；进行打印。
随后为由微流控装置控制微流控芯片按比例通过注射泵输出一定质量配比为7：3：10的羟基磷灰石溶液、聚己内酯溶液和光敏树脂，其余步骤同上述一致。
更换不同质量配比，重复上述步骤，直至模型打印完成。
Claims (4)
1.一种可用于打印高黏度多材料结构的光固化成型装置，其特征在于该装置由箱体、集成式打印平台、DLP投影光机、打印台升降模组、反射镜、清洗装置、储料槽、微流控装置和刮平器组成；
所述集成式打印平台与箱体连接固定，并且其底部具有安装特种玻璃的料槽，所述的特种玻璃针对特定波长为405nm生物光波具有90%以上的透射率，玻璃表面贴有离型膜；
所述DLP投影光机位于集成式打印平台的下方，并且固定于箱体内底部；DLP投影光机发出光束经反射镜反射到集成式打印平台；
所述打印台升降模组位于集成式打印平台的侧方，包括Z轴升降台与成型平台；
所述反射镜布置于集成式打印平台中特种玻璃的正下方，固定于箱体内底面，于箱体底侧呈一定角度，用于反射DLP投影光机发出的光束；
所述清洗装置与集成式打印平台相固定，布置于集成式打印平台一侧；
所述储料槽与集成式打印平台相固定，布置于集成式打印平台一侧；
所述微流控装置布置于箱体外侧，与储料槽相连接；
所述刮平器布置于集成式打印平台一侧。
2.根据权利要求1所述的一种可用于打印高黏度多材料结构的光固化成型装置，其特征在于：所述的储料槽包括储料腔体、一个大涡轮搅拌器、三个小涡轮搅拌器和输料管；所述大涡轮搅拌器固定于储料槽的底部；所述三个小涡轮搅拌器按一定规律分布于储料槽内侧；所述输料管用于连接储料腔体与集成式打印平台的入料口；微流控装置控制输出多种材料，通过管道输送到储料槽的进料口，储料槽通过输料管连接到集成式打印平台的入料口。
3.根据权利要求1所述的一种可用于打印高黏度多材料结构的光固化成型装置，其特征在于：所述的刮平器包括用于刮平材料且刀刃具有倒角的刮刀、用于清除集成式打印平台中残余材料的清除刮刀、刮平器支架和蜗杆装置；旋转电机控制刮平器旋转变换刀具，另由电机控制蜗杆装置旋转实现刮平器平移，电机控制刮平器整体的升降。
4.根据权利要求1所述的一种可用于打印高黏度多材料结构的光固化成型装置，其特征在于：所述的清洗装置包括超声波清洗池和烘干装置；所述的烘干装置包括壳体、通气管道、小型风扇和热电丝；烘干装置布置于超声波清洗池的上方；清洗装置与集成式打印平台相固定，底部通过管道穿过箱体连接废液存储区进行换水与排水。
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| CN202111608324.XA CN114311219A (zh) | 2021-12-27 | 2021-12-27 | 一种可用于打印高黏度多材料结构的光固化成型装置 |
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|---|---|---|---|---|
| CN111284009A (zh) * | 2020-03-04 | 2020-06-16 | 西湖大学 | 一种采用光固化打印技术制备的挤出式打印头及其应用 |
| CN111805895A (zh) * | 2020-07-30 | 2020-10-23 | 沃尔创新（深圳）科技有限公司 | 一种大尺寸光固化3d打印方法和打印机 |
| CN112920949A (zh) * | 2021-01-19 | 2021-06-08 | 浙江大学 | 一种基于dlp的载细胞多材料3d打印系统 |
| CN113459508A (zh) * | 2021-07-08 | 2021-10-01 | 杭州电子科技大学 | 一种多通道的汇流式生物打印喷头 |
-
2021
- 2021-12-27 CN CN202111608324.XA patent/CN114311219A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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