CN114559650B - 用于骨水泥打印的具有超疏水表面结构3d打印机及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于3D打印设备技术领域，提供了用于骨水泥打印的具有超疏水表面结构3D打印机及方法。其中，该3D打印机包括打印机主体、送料装置和输送管；所述打印机主体内设置有打印喷头，所述打印喷头包括打印腔体，所述打印腔体内设置有第一螺杆，所述第一螺杆上设置有螺带式叶片；所述打印腔体和螺带式叶片的表面均设置有超疏水涂层；所述打印机主体通过输送管与送料装置相连，所述输送管内也设置有超疏水涂层；所述送料装置包括送料漏斗，所述送料漏斗内设置有第二螺杆，所述第二螺杆上设置有搅拌叶片。

Description

用于骨水泥打印的具有超疏水表面结构3D打印机及方法
技术领域
本发明属于3D打印设备技术领域，尤其涉及一种用于骨水泥打印的具有超疏水表面结构3D打印机及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
目前，常用于骨骼修复的骨水泥材料有聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)和自固化磷酸钙(CPC)。其中，PMMA具有较好的粘结性，使用方便等优点，但其生物相容性较差，聚合物的热效应会存在损伤周围组织等副作用。CPC作为新型骨修复材料，虽然具有可降解，良好的生物相容性和塑形性等优点，但是存在粘结性差，降解速度慢，强度较低等缺点，时间长了仍然存在对人体的副作用。
磷酸钾镁-硫铝酸盐(SAC-MKPC)作为一种新型无机骨水泥材料，具有可降解，快凝快硬，粘结强度高，早期强度高，良好的生物安全性和相容性等优点，逐渐被用于人体骨骼修复中。但发明人发现，由于SAC-MKPC其初凝时间短，造成目前市面上的湿式3D打印机在打印过程均出现堵塞现象，导致打印不连续，精度低以及成型质量差，限制了其制造完整人体骨骼的应用。而且，不仅于SAC-MPKC材料的打印，目前对于一些混凝土，陶瓷，磷酸系骨水泥打印，在湿式打印(液体挤压方式打印)均存在打印堵塞现象，给高质量连续打印造成严重影响。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种用于骨水泥打印的具有超疏水表面结构3D打印机及方法，其能够保障骨水泥的连续且不堵塞3D打印。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供了一种用于骨水泥打印的具有超疏水表面结构3D打印机，其包括打印机主体、送料装置和输送管；
所述打印机主体内设置有打印喷头，所述打印喷头包括打印腔体，所述打印腔体内设置有第一螺杆，所述第一螺杆上设置有螺带式叶片；所述打印腔体和螺带式叶片的表面均设置有超疏水涂层；所述打印机主体通过输送管与送料装置相连，所述输送管内也设置有超疏水涂层；所述送料装置包括送料漏斗，所述送料漏斗内设置有第二螺杆，所述第二螺杆上设置有搅拌叶片。
作为一种实施方式，所述打印喷头还与驱动机构相连，所述驱动机构包括X轴直线模组、双Y轴直线模组和双Z轴直线模组，用于分别驱动打印喷头在X轴、Y轴和Z轴方向上运动。
作为一种实施方式，所述打印机主体内还包括机座和调平打印台，所述调平打印台通过支撑导柱安装在机座上。
作为一种实施方式，所述机座上还设置有废料盒，所述废料盒用于盛接打印喷头在正式打印前所挤出的废料。
作为一种实施方式，所述第二螺杆与蜗轮蜗杆减速步进电机相连，所述蜗轮蜗杆减速步进电机安装在绞龙板上。
作为一种实施方式，所述送料漏斗与绞龙板采用凸凹止口保证同轴度，且安装在绞龙板上。
作为一种实施方式，所述送料漏斗与出口管采用凸凹止口连接。
作为一种实施方式，所述搅拌叶片为布尔马金式搅拌叶片。
作为一种实施方式，所述搅拌叶片也设置有超疏水涂层。
本发明的第二个方面提供了一种如上述所述的用于骨水泥打印的具有超疏水表面结构3D打印机的打印方法，其包括：
通过驱动送料装置中的第二螺杆，将级配好的浆料在第二螺杆的挤压力下通过输送管进入到打印机主体内的打印喷头中；
在起始浆料进入打印喷头时，打印喷头移动到废料盒上方，将料头的浆料挤出喷嘴落入废料盒中；
当不合格的料头排泄完毕，控制打印喷头沿着X轴、Y轴、Z轴方向运动，按照预先规划好的路径打印，最终完成模型的打印。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明在打印喷头及送料漏斗均根据剪切混合理论分别设计了螺带式和搅拌叶片，提高了浆料的剪切稀化效果，减小了浆料的表观粘度；
(2)在打印喷头部分、输送管部分和送料装置部分均设计了超疏水表面结构，减小了浆料对壁面黏着力引起的摩擦阻力，加大了壁面薄层处浆料“塞流”流动速度，直接有效避免了浆料固结壁面造成的堵塞问题。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的用于骨水泥打印的具有超疏水表面结构3D打印机结构示意图；
图2是本发明实施例的打印设备主体的立体结构示意图；
图3是本发明实施例的打印喷头的立体结构示意图；
图4是本发明实施例的打印喷头的内部结构示意图；
图5是本发明实施例的送料装置的外部结构示意图；
图6是本发明实施例的送料装置的内部结构示意图；
图7是本发明实施例的送料装置的侧视图；
图8是本发明实施例的送料漏斗侧视图；
图9是本发明实施例的送料漏斗内部结构示意图；
图10是本发明实施例的料斗立体结构示意图；
图11是本发明实施例的SAC-MPKC在打印喷嘴中的流动情况。
其中：1打印机主体；2送料装置；3输送管；1-1双Z轴直线模组，1-2双Y轴直线模组；1-3机座；1-4打印喷头；1-5X轴直线模组；1-6调平打印平台；1-7废料盒；1-8步进电机；1-9行星减速器；1-10步进电机支架；1-11第一螺钉；1-12第一接头；1-13安装板；1-14挤出喷嘴；1-15打印腔体；1-16固定板；1-17联轴器；1-18第一螺杆；1-19螺带式叶片；2-1外罩；2-2框架；2-3螺母；2-4压紧块；2-5出口管；2-6第二接头；2-7送料漏斗；2-8蜗轮蜗杆减速步进电机；2-9绞龙板；2-10第二螺钉；2-11进料口；2-12第二螺杆；2-13搅拌叶片。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
参照图1，本实施例提供了一种用于骨水泥打印的具有超疏水表面结构3D打印机，其包括打印机主体1、送料装置2和输送管3。
如图2所示，所述打印机主体1内设置有打印喷头1-4，所述打印喷头包1-4括打印腔体1-15，所述打印腔体1-15内设置有第一螺杆1-18，所述第一螺杆1-18上设置有螺带式叶片1-19；所述打印腔体和螺带式叶片1-19的表面均设置有超疏水涂层；所述打印机主体1通过输送管3与送料装置2相连，所述输送管3内也设置有超疏水涂层；所述送料装置2包括送料漏斗2-7，所述送料漏斗2-7内设置有第二螺杆2-12，所述第二螺杆2-12上设置有搅拌叶片2-13。
其中，超疏水涂层可采用机-无机氟、硅氧烷纳米超疏水涂层来实现。
此处需要说明的是，超疏水涂层也可采用其他现有的具有疏水作用的涂层来实现，此处不再累述。
其中，超疏水涂层的疏水原理如下：
新拌SAC-MPKC(磷酸钾镁-硫铝酸盐)流变特性属宾汉姆流体，宾汉姆流体的流变特性由材料常数屈服应力τ0和塑形粘度η决定，如果剪切应力τ<τ0，SAC-MPKC表现为固体，如果剪切应力τ>τ0，SAC-MPKC表现为黏性流体。由于SAC-MPKC在打印喷嘴中的流动和变形情况十分复杂，为分析方便，将SAC-MPKC在打印喷嘴中的流动状态简化为同轴旋转模型分析。打印浆料填充在两同轴圆筒间隙中，设内外圆筒的半径分别为R1和R0，内筒的浸入深度为h，如图11所示，当内筒以角速度ω相对于外筒旋转时，外力矩与黏性力平衡时，浆料中任意点A处的剪应力：
同时，有筒内任意点A处剪切速率：
式中，M为加在内筒上的扭矩，r为A点的半径，n为内筒转速。
根据式(2)可知，在r＝R1处，浆料的剪切速率最小，说明浆料在螺杆轴毂壁面处的混合效果最差，以至其表观粘度ηap变大。由于液体的吸附性会造成浆料粘附在螺杆轴毂壁面上，同时随着浆料的水化反应以及螺杆挤压形成的压差造成自由水顺着固相颗粒骨架间排出，最终导致浆料一层层的固结在螺杆轴毂壁面上，致使打印喷嘴堵塞。
由Bradley理论可知，液体黏着力FA＝4πβR，其中β为结构物表面能，R为接触液体球半径，黏着力与表面能有关，且表面能越低，黏着力越小。研究发现，超疏水表面具有低表面能和微纳米粗糙结构，不仅可以存储润滑剂和磨削，减小摩擦磨损，而且可以提高摩擦副的承载能力，降低表面黏附引起的摩擦阻力，还可以在流体动压润滑时产生流体动压效应，实现润滑和抗磨协同作用。
其中，打印喷头1-4通过第一接头1-12与输送管3连接。所述打印喷头1-4还与驱动机构相连，所述驱动机构包括X轴直线模组1-5、双Y轴直线模组1-2和双Z轴直线模组1-1，用于分别驱动打印喷头1-4在X轴、Y轴和Z轴方向上运动。
其中，所述打印机主体内还包括机座1-3和调平打印台，所述调平打印台通过支撑导柱安装在机座上。
具体地，X轴直线模组1-5、双Y轴直线模组1-2和双Z轴直线模组1-1之间通过传动轴和联轴器连接，其中双Y轴直线模组1-2通过螺栓紧固于机座1-3上。例如：机座采用铝型材框架，并外罩薄铝板封装。
此处可以理解的是，机座也可采用其他型材框架，比如钢性材框架，外罩的型材，本领域技术人员也可根据实际情况来具体设置。
在本实施例中，所述机座1-3上还设置有废料盒1-7，所述废料盒1-7用于盛接打印喷头在正式打印前所挤出的废料。
每次打印之前需要调整调平打印平台与喷嘴的距离，以保证打印的层高均匀。由于浆料起始打印的材料流变性并不满足要求，故需要在正式打印前，将喷头内浆料进行废料挤出处理，为此在机座一侧安装废料盒解决此问题。
如图3和图4所示，第一螺杆1-18还与步进电机1-8和行星减速器1-9依次相连，所述步进电机1-8和行星减速器1-9安装在步进电机支架1-10上，通过内六螺钉紧固。为方便拆卸，步进电机支架1-10、打印腔体1-15与固定板1-16通过第一螺钉1-11紧固。
为保证同轴度与传动精度，第一螺杆1-18通过刚性联轴器1-17与1-9行星减速器伸出轴连接。采用顶丝将螺带式叶片1-19固定在第一螺杆1-18上。其中，打印腔体1-15和挤出喷嘴1-14之间采用内螺纹连接设计，方便了挤出喷嘴1-14的拆卸更换、清洗，可实现多种尺寸的喷嘴打印。打印喷头整体由安装板1-13固定在X轴直线模组的固定板上。
如图5、图6和图7所示，所述第二螺杆2-12与蜗轮蜗杆减速步进电机2-8相连，所述蜗轮蜗杆减速步进电机2-8安装在绞龙板2-9上。
本实施例的送料装置包括外罩2-1、框架2-2、蜗轮蜗杆减速步进电机2-8、压紧块2-4、出口管2-5、第二接头2-6、送料漏斗2-7、绞龙板2-9、进料口2-11、第二螺钉2-10和第二螺杆2-12，外罩2-1(如钣金罩)通过T型螺母紧固在框架(比如：铝型材)上，起到保护、装饰功能。在机架底部安装滑轮，方便移动送料装置。为保证连续、精确输送浆料，采用蜗轮蜗杆减速步进电机2-8，并将电机通过螺栓安装在绞龙板2-9上。如图8、图9所示和图10所示，所述送料漏斗2-7与绞龙板2-9采用凸凹止口保证同轴度，且安装在绞龙板2-9上。压紧块2-4和螺母2-3配合将蜗轮蜗杆减速步进电机2-8固定在绞龙板2-9。
其中，出口管2-5同样与送料漏斗2-7采用凸凹止口安装，通过内六角螺栓紧固，方便拆卸清洗。在送料漏斗2-7的内部，第二螺杆2-12通过蜗轮蜗杆减速器2-8中空部位，并在第二螺杆2-12的轴端拧入第二螺钉2-10实现轴向定位。
为实现浆料循环混合以增大剪切稀化作用，将螺第二杆上部固定布尔马金式搅拌叶片。送料漏斗内表面、第二螺杆外表面及布尔马金式搅拌叶片外表面均涂有有机-无机氟、硅氧烷纳米超疏水涂层，保证了输送装置挤压出料不堵塞，连续送料。为保证输送浆料行程高度差，将绞龙板紧固在铝型材机架上部。
本实施例的打印喷头内部流道根据挤压和搅拌混合理论设计，具有高挤压力和良好的剪切稀化效果。所述送料装置内部，同样根据挤压混合理论设计，采用布尔马金式搅拌叶片和阿基米德螺杆，具有较高的挤压力和良好的剪切稀化效果，并且其表面均涂有有机-无机氟硅氧烷纳米超疏水涂层。所述输送软管内部，也采用纳米超疏水涂层结构设计，保证了浆料在软管内的舒畅流动。
本实施例的打印机具有高挤力的打印喷头和输送装置，良好的高剪切速率循环混合搅拌叶片，以及纳米超疏水涂层的应用，均保证了打印过程中浆料的平稳、顺畅、连续不堵塞的挤出流动。同时，整机具有模块化设计，方便拆卸清洗，打印精度高，打印速度快，打印不堵塞，体积小以及高挤压力等优点，非常适用于人造骨骼的打印和修复应用。
本实施例提供了一种如上述所述的用于骨水泥打印的具有超疏水表面结构3D打印机的打印方法，其包括：
通过驱动送料装置中的第二螺杆，将级配好的浆料在第二螺杆的挤压力下通过输送管进入到打印机主体内的打印喷头中；
在起始浆料进入打印喷头时，打印喷头移动到废料盒上方，将料头的浆料挤出喷嘴落入废料盒中；
当不合格的料头排泄完毕，控制打印喷头沿着X轴、Y轴、Z轴方向运动，按照预先规划好的路径打印，最终完成模型的打印。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于骨水泥打印的具有超疏水表面结构3D打印机，其特征在于，包括打印机主体、送料装置和输送管；
所述打印机主体内设置有打印喷头，所述打印喷头包括打印腔体，所述打印腔体内设置有第一螺杆，所述第一螺杆上设置有螺带式叶片；所述打印腔体和螺带式叶片的表面均设置有超疏水涂层；所述打印机主体通过输送管与送料装置相连，所述输送管内也设置有超疏水涂层；所述送料装置包括送料漏斗，所述送料漏斗内设置有第二螺杆，所述第二螺杆上设置有搅拌叶片；所述搅拌叶片也设置有超疏水涂层；
所述打印喷头还与驱动机构相连，所述驱动机构包括X轴直线模组、双Y轴直线模组和双Z轴直线模组，用于分别驱动打印喷头在X轴、Y轴和Z轴方向上运动；
所述打印机主体内还包括机座和调平打印台，所述调平打印台通过支撑导柱安装在机座上；
所述机座上还设置有废料盒，所述废料盒用于盛接打印喷头在正式打印前所挤出的废料；
所述第二螺杆与蜗轮蜗杆减速步进电机相连，所述蜗轮蜗杆减速步进电机安装在绞龙板上；所述送料漏斗与绞龙板采用凸凹止口保证同轴度，且安装在绞龙板上；
所述送料漏斗与出口管采用凸凹止口连接；所述搅拌叶片为布尔马金式搅拌叶片；所述送料漏斗内表面、第二螺杆外表面及布尔马金式搅拌叶片外表面均涂有超疏水涂层；
所述第一螺杆的表面设置有超疏水涂层；
所述超疏水涂层采用机-无机氟、硅氧烷纳米超疏水涂层来实现；
将磷酸钾镁-硫铝酸盐在打印喷嘴中的流动状态采用同轴旋转模型分析：打印浆料填充在两同轴圆筒间隙中，设内外圆筒的半径分别为R1和R0，内筒的浸入深度为h，当内筒以角速度ω相对于外筒旋转时，外力矩与黏性力平衡时，浆料中任意点A处的剪应力：
同时，有筒内任意点A处剪切速率：
式中，M为加在内筒上的扭矩，r为A点的半径，n为内筒转速；
根据式(2)可知，在r＝R1处，浆料的剪切速率最小，说明浆料在螺杆轴毂壁面处的混合效果最差，以至其表观粘度ηap变大；
液体黏着力FA＝4πβR，其中β为结构物表面能，R为接触液体球半径，黏着力与表面能有关，且表面能越低，黏着力越小。
2.一种如权利要求1所述的用于骨水泥打印的具有超疏水表面结构3D打印机的打印方法，其特征在于，包括：
通过驱动送料装置中的第二螺杆，将级配好的浆料在第二螺杆的挤压力下通过输送管进入到打印机主体内的打印喷头中；
在起始浆料进入打印喷头时，打印喷头移动到废料盒上方，将料头的浆料挤出喷嘴落入废料盒中；
当不合格的料头排泄完毕，控制打印喷头沿着X轴、Y轴、Z轴方向运动，按照预先规划好的路径打印，最终完成模型的打印。
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