CN211807869U - 3d打印设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于3D打印技术领域，主要用于医疗骨科植入物的3D打印，具体涉及一种3D打印设备包括混炼挤出机、打印热床、打印喷头、红外加热器和控制系统；混炼挤出机的出料口通过输料管与打印喷头上的进料口相连，打印喷头顶端的进气口通过供气管路连接空压系统，供气管路上安装电磁阀；打印喷头和红外加热器可移动；打印热床可升降。本3D打印设备造价低，适用于以羟基磷灰石和粘合剂的混合物作为打印材料的3D打印，打印出的骨科植入物具有微孔隙结构，降低了骨科植入物的生产制造成本，突破了目前采用钛合金打印骨科植入物的价格昂贵、普通家庭难以承担的技术瓶颈，在医疗领域意义非同寻常。

Description

3D打印设备

技术领域

本实用新型涉及一种3D打印设备，用于医疗骨科植入物的3D打印，属于3D打印技术领域。

背景技术

3D打印机的工作原理和传统打印机基本一样，都是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等架构组成的，打印原理是一样的，其与传统打印机的不同在于：先通过计算机的建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。3D打印机主要是在打印前在电脑上设计了一个完整的三维立体模型，然后再进行打印输出。

目前3D打印技术应用已经非常广泛，常用的3D打印技术有以下几种：

1、FDM(“Fused Deposition Modeling”的缩写)技术：

FDM技术即熔积成型法，是一种将各种丝材(如工程塑料ABS、PLA、PC等)加热熔化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却形成薄片轮廓，进而堆积成型方法，其设备费用低、原材料利用效率高，因此具有成本较低的优势，但通过FDM技术得到的样品表面有较明显的条纹，即样品表面粗糙，成型精度相对较低，而且因所采用耗材不适合作为医疗骨科植入物的原材料，因此本技术无法用于医疗骨科植入物的3D打印；

2、光固化3D打印技术：

目前市面上常见有SLA、DLP、LCD三种光固化3D打印技术，因为打印精度高，可以达到微米级，因此在3D打印领域应用较为普遍，但光固化3D打印技术中使用的耗材都是光固化液体树脂，这种材质打印出的样品较脆，因此不适用于医疗骨科植入；

3、3D喷射打印技术：

首先，3D喷射打印技术所用设备价格非常昂贵，因此成本较高，更主要的是，喷射3D打印技术中使用的耗材为粉体尼龙或者液体树脂，因所用耗材不适合作为医疗骨科植入物的原材料，因此本技术无法用于医疗骨科植入物的3D打印；

4、SLS(“Selective Laser Sintering”的缩写)技术：

SLS技术即选择性激光烧结技术，目前常用于金属粉末烧结或者PEEK、PC、尼龙等塑粉烧结，目前该技术在航空航天以及医疗等特定技术领域应用较为广泛。在医疗中主要涉及钛合金3D打印及应用：

钛合金因为其良好的生物相容性和耐腐蚀等特性，已被广泛应用于医学领域中，成为牙齿、人工关节、骨创伤、脊柱矫形内固定系统、手术器械等医用产品的首选材料，而通过3D打印能够根据个人不同的要求进行个性化设计(比如使用3D打印技术制作的下颌骨可以完全贴合患者的患处曲线)，因此钛合金的3D打印技术应用前景广阔。但在实际应用时，因钛合金本身价格昂贵，制造成本高，所以通过钛合金制得的骨科植入物的价格也非常昂贵，普通患者家庭很难承担。

因此，对于骨科植入物的3D打印技术还需要进一步的探索和研发。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：克服现有技术中的不足，提供一种能够打印医疗骨科植入物且造价低的3D打印设备。

本实用新型所述的3D打印设备，其结构包括混炼挤出机、打印热床、打印喷头、红外加热器和控制系统；混炼挤出机的出料口通过输料管与打印喷头上的进料口相连，打印喷头顶端的进气口通过供气管路连接空压系统，供气管路上安装电磁阀；打印喷头和红外加热器可移动；打印热床可升降；本实用新型中的混炼挤出机、打印热床、红外加热器、电磁阀和空压系统均连接控制系统。其中，采用常规3D打印机中的电动轨道即可实现打印喷头和红外加热器的移动；打印热床也可以直接采用常规3D打印机中的打印热床。

通过3D打印设备进行3D打印的具体步骤如下：

(1)建模：

通过计算机的建模软件建立三维立体模型，再通过计算机的模型切片软件将建成的三维模型进行切片处理，输出模型格式文件，并将模型格式文件拷贝至3D打印设备的控制系统；

(2)准备打印材料：

打印材料中羟基磷灰石的质量分数为50％-65％，粘合剂的质量分数为35％～50％；其中，羟基磷灰石呈粉末状，粘合剂呈粉末或者颗粒状；

(3)打印模型：

将打印材料混炼成熔融状态，打印前，将打印材料加入混炼挤出机中，进行充分混合，将打印材料加热至预设温度(该温度下打印材料呈熔融状态)，同时，打印热床开始加热，加热到一定温度后(该温度要低于混炼挤出机中熔融状态下打印材料的温度)停止加热，此时，打开电磁阀，通过混炼挤出机中的螺旋送料机构将打印材料经输料管送入打印喷头中，同时启动空压系统，通过供气管路向打印喷头顶入足够空压，并通过打印喷头将打印材料喷射在打印热床上，打印喷头在喷射完一层打印材料后，红外加热器开始移动到该打印材料位置处，进行红外加温热固，一段时间后(通常5-8s后)，红外加热器离开返回至初始位置，此时，打印热床下降一定高度，通过打印喷头进行第二层打印材料打印，如此往复后直至模型打印完成；

(4)打印完成后，打印喷头返回初始位置，将红外加热器移至模型上方，通过红外加热器进行整体高温加热，先经过脱脂处理将ABS高温气化，ABS高温气化后在模型中留有若干微孔隙，之后再实现高温烧结，最终得到具有微孔隙结构的样品(即骨科植入物)。

以上采用羟基磷灰石和粘合剂作为打印材料、并结合3D打印技术能够打印出医疗骨科植入物。因羟基磷灰石(HAP)是人体和动物骨骼的主要无机成分，因此广泛存在于贝类以及动物骨骼中，而且成本很低。除此之外，它能与机体组织在界面上实现化学键性结合，其在体内有一定的溶解度，能释放对机体无害的离子，能参与体内代谢，对骨质增生有刺激或诱导作用，能促进缺损组织的修复，显示出生物活性，因此，羟基磷灰石具有优良的生物相容性和生物活性；而通过本实用新型所述3D打印方法和设备能够根据实际情况对样品进行个性化设计，得到所需骨科植入物，更重要的是，通过本实用新型所述3D打印工艺所得到的骨科植入物的微孔隙结构，在应用于人体之后，可以吸引植入部位周围的骨细胞长入其中，从而使植入物与患者的骨骼结成一体，实现永久性融合。

由上述可知，通过本3D打印设备能够完成医疗骨科植入物的3D打印，而且降低了骨科植入物的生产制造成本，从而能够突破目前采用钛合金打印骨科植入物的价格昂贵、普通家庭难以承担的技术瓶颈，在医疗领域意义非同寻常。

优选的，打印喷头包括外壳、压缩机构、隔膜和设于外壳底部能够喷出打印材料的喷射嘴；喷射嘴上开设有若干喷孔；外壳的上、下部内壁上分别设有上挡板、下挡板；位于上挡板上方的外壳内腔为进料腔，打印喷头的进气口和进料口设置在进料腔所在的外壳外壁上；压缩机构能够在上挡板和下挡板之间往复运动，压缩机构外周与外壳内壁之间具有过料间隙，压缩机构上端与上挡板贴合后密封；隔膜位于压缩机构和下挡板之间，其中部向压缩机构侧拱起且与压缩机构底部固定连接，隔膜外径小于外壳内径，无外力作用时，隔膜的外周圈与下挡板贴合后密封，当有外力从上方作用于隔膜时，隔膜发生弹性变形，其外周圈与下挡板之间出现间隙。进一步优选的，喷射嘴呈半球形，若干喷孔在球面上均匀分布。

优选的，压缩机构包括上板、下板和弹性件，弹性件位于上板和下板之间，且其两端分别连接上板、下板；上板与上挡板的接触面上具有密封件；隔膜位于下板和下挡板之间，并与下板固定连接。实际应用时，弹性件可以采用常规压簧。

优选的，上板的上表面固定有导向杆，导向杆的下端穿过进料腔并延伸至外壳外部，在导向杆作用下压缩机构能够在上挡板和下挡板之间往复运动。

本实用新型所述打印喷头的工作原理过程如下：

首先，混炼挤出机中的打印材料经输料管送入打印喷头的进料腔中，同时，打开电磁阀，将供气管路接通，通过空压系统将压缩空气顶入进料腔中，推动上板下移，进料腔中的打印材料经过上板和上挡板之间的过料间隙进入上板和下板之间的空腔中，同时在压缩机构的压力作用下，隔膜发生弹性变形，其外周圈与下挡板之间出现间隙，打印材料依次经过下板和外壳内壁之间的过料间隙、隔膜外周圈与下挡板之间的间隙流入隔膜下方的喷射嘴中，之后控制电磁阀截止，因上板上方压力减小，因此压缩机构在其自身弹性件的带动下逐渐复位，然后控制电磁阀再次接通，上板通过弹性件下压下板，下板进一步压迫隔膜、使隔膜发生形变，将打印材料经喷孔喷出，喷射到3D打印设备相应处进行打印，打印材料喷射完毕后，隔膜和压缩机构均恢复到初始状态，此时为一个周期。

优选的，上述3D打印设备还包括超声波探伤仪，超声波探伤仪连接控制系统，超声波探伤仪主要用于样品正式打印之前的调试阶段，调试过程中每打印一层并热固后采用超声波探伤仪进行检测，检测每一层的性能是否符合要求。

优选的，上述3D打印设备还包括三维数据检测仪，三维数据检测仪连接控制系统，三维数据检测仪也是用于样品正式打印之前的调试阶段，调试过程中，在每打印一层并热固后以及得到样品后均采用三维数据检测仪进行数据检测，判定打印实体的尺寸是否合格。

本实用新型与现有技术相比所具有的有益效果是：

本实用新型所述3D打印设备造价低，适用于以羟基磷灰石和粘合剂的混合物作为打印材料的3D打印，打印出的骨科植入物具有微孔隙结构，降低了骨科植入物的生产制造成本，突破了目前采用钛合金打印骨科植入物的价格昂贵、普通家庭难以承担的技术瓶颈，在医疗领域意义非同寻常；通过本3D打印设备能够根据实际情况对样品进行个性化设计，得到所需骨科植入物。

附图说明

图1是本实用新型的原理示意图；

图2是本实用新型的结构示意图；

图3是可移动的打印喷头和红外加热器的示意图；

图4是打印喷头的结构示意图。

图中：1、混炼挤出机；2、打印热床；3、空压系统；4、电磁阀；5、打印喷头；6、红外加热器；7、超声波探伤仪；8、三维数据检测仪；9、控制系统；10、螺旋送料机构；11、出料口；12、加热装置；13、热床平台；14、供气管路；15、输料管；16、电动轨道；17、进料口；18、进气口；19、过料间隙；20、导向杆；21、进料腔；22、外壳；23、上挡板；24、上板；25、压簧；26、下板；27、下挡板；28、隔膜；29、喷射嘴；30、喷孔。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例做进一步描述：

如图1～4所示，实现本实用新型所述3D打印方法的3D打印设备，其包括混炼挤出机1、打印热床2、红外加热器6、超声波探伤仪7、三维数据检测仪8和控制系统9；混炼挤出机1的出料口11通过输料管15与打印喷头5上的进料口17相连，打印喷头5顶端的进气口18通过供气管路14连接空压系统3，供气管路14上安装电磁阀4；打印喷头5和红外加热器6可移动；打印热床2可升降。其中，采用常规3D打印机中的电动轨道16即可实现打印喷头5和红外加热器6的移动；打印热床2可直接采用常规3D打印机中的打印热床2，其结构包括可升降热床平台13和加热装置12，加热装置12可以采用均匀布设在热床平台13底面的发热丝/发热片等，加热装置12连接控制系统9。本实用新型中的混炼挤出机1、打印热床2、打印喷头5、红外加热器6、空压系统3、电磁阀4、超声波探伤仪7、三维数据检测仪8均连接控制系统9。

通过3D打印设备进行3D打印的具体步骤如下：

(1)建模：

通过计算机的建模软件建立三维立体模型，再通过计算机的模型切片软件将建成的三维模型进行切片处理，输出模型格式文件，并将模型格式文件拷贝至3D打印设备的控制系统；

(2)准备打印材料：

打印材料中羟基磷灰石的质量分数为65％，粘合剂(本实施例采用ABS)的质量分数为35％；其中，羟基磷灰石呈粉末状，粘合剂呈颗粒状；

(3)打印模型：

将打印材料混炼成熔融状态，打印前，将打印材料加入混炼挤出机1中，进行充分混合(当然，也可以在准备打印材料过程中将打印材料的各组分进行充分均匀的混合，只要在混炼前混合均匀即可)，将打印材料加热至预设温度——220-230℃(在该温度下打印材料呈熔融状态)，同时，打印热床2开始加热，加热到80-90℃后(该温度要低于混炼挤出机1中熔融状态下打印材料的温度)停止加热，此时，打开电磁阀4，通过混炼挤出机1中的螺旋送料机构10将打印材料经输料管15送入打印喷头5中，同时启动空压系统3，通过供气管路14向打印喷头5顶入足够空压，并通过打印喷头5将打印材料喷射在打印热床2上，打印喷头5在喷射完一层打印材料后，红外加热器6开始移动到该打印材料位置处，控制红外加热温度在280℃-300℃、加热5～8s，将羟基磷灰石与粘合剂的混合物首层热固成型，之后红外加热器6离开返回至初始位置，此时，打印热床2下降一定高度，通过打印喷头5进行第二层打印材料打印，再通过红外加热热固成型，如此往复后直至模型打印完成；

(4)打印完成后，打印喷头5返回初始位置，将红外加热器6移至模型上方，通过红外加热器6进行整体高温加热，先在350℃-500℃下红外加热0.8h-1h完成脱脂，经过脱脂处理将ABS高温气化，ABS高温气化后在模型中留有若干微孔隙，之后再在1100-1200℃下红外加热0.5h-1h实现高温烧结，最终得到具有微孔隙结构的样品，微孔隙的直径为400μm-700μm。

实际在样品正式打印之前需要增加调试阶段，在调试阶段中，步骤(3)中需实现打印模型的层层检测，即每打印一层并热固后都要进行检测(本实施例中采用超声波探伤仪7进行检测)，检测每一层的性能是否符合要求；而且由于每层打印材料在热固过程中会存在一定的尺寸收缩、整体模型在脱脂、烧结过程中也会产生尺寸的变化，因此在之后每打印一层并热固后以及得到样品后都需要进行数据检测(本实施例中采用三维数据检测仪8进行检测)，判定打印实体的尺寸是否合格。

本实施例中的打印喷头5结构如下：

打印喷头5包括外壳22、压缩机构、隔膜28和设于外壳22底部能够喷出打印材料的喷射嘴29；喷射嘴29上开设有若干喷孔30；外壳22的上、下部内壁上分别设有上挡板23、下挡板27；位于上挡板23上方的外壳22内腔为进料腔21，打印喷头5的进气口18和进料口17设置在进料腔21所在的外壳22外壁上；压缩机构能够在上挡板23和下挡板27之间往复运动，压缩机构外周与外壳22内壁之间具有过料间隙19，压缩机构上端与上挡板23贴合后密封；隔膜28位于压缩机构和下挡板27之间，其中部向压缩机构侧拱起且与压缩机构底部固定连接，隔膜28外径小于外壳22内径，无外力作用时，隔膜28的外周圈与下挡板27贴合后密封，当有外力从上方作用于隔膜28时，隔膜28发生弹性变形，其外周圈与下挡板27之间出现间隙。其中：

压缩机构包括上板24、下板26和弹性件，本实施例中的弹性件采用压簧25，压簧25位于上板24和下板26之间，且其两端分别连接上板24、下板26；上板24与上挡板23的接触面上具有密封件；隔膜28位于下板26和下挡板27之间，并与下板26固定连接。实际应用时，本实施例中的弹性件。上板24的上表面固定有导向杆20，导向杆20的下端穿过进料腔21并延伸至外壳22外部，在导向杆20作用下压缩机构能够在上挡板23和下挡板27之间往复运动。

喷射嘴29呈半球形，若干喷孔30在球面上均匀分布。

本实施例中打印喷头的工作原理过程如下：

首先，混炼挤出机1中的打印材料经输料管15送入打印喷头5的进料腔21中，同时，打开电磁阀4，将供气管路14接通，通过空压系统3将压缩空气顶入进料腔21中，推动上板24下移，进料腔21中的打印材料经过上板24和上挡板23之间的过料间隙19进入上板24和下板26之间的空腔中，同时在压缩机构的压力作用下，隔膜28发生弹性变形，其外周圈与下挡板27之间出现间隙，打印材料依次经过下板26和外壳22内壁之间的过料间隙19、隔膜28外周圈与下挡板27之间的间隙流入隔膜28下方的喷射嘴29中，之后控制电磁阀4截止，因上板24上方压力减小，因此压缩机构在其自身压簧25的带动下逐渐复位，然后控制电磁阀4再次接通，上板24通过压簧25下压下板26，下板26进一步压迫隔膜28、使隔膜28发生形变，将打印材料经喷孔30喷出，喷射到3D打印设备相应处进行打印，打印材料喷射完毕后，隔膜28和压缩机构均恢复到初始状态，此时为一个周期。

本实用新型功能实现所依赖的计算机程序属于本领域技术人员公知技术，此处不再赘述。

Claims (8)

1.一种3D打印设备，其特征在于：包括混炼挤出机(1)、打印热床(2)、打印喷头(5)、红外加热器(6)和控制系统(9)；混炼挤出机(1)的出料口(11)通过输料管(15)与打印喷头(5)上的进料口(17)相连，打印喷头(5)顶端的进气口(18)通过供气管路(14)连接空压系统(3)，供气管路(14)上安装电磁阀(4)；打印喷头(5)和红外加热器(6)可移动；打印热床(2)可升降；混炼挤出机(1)、打印热床(2)、红外加热器(6)、电磁阀(4)和空压系统(3)均连接控制系统(9)。

2.根据权利要求1所述的3D打印设备，其特征在于：打印喷头(5)包括外壳(22)、压缩机构、隔膜(28)和设于外壳(22)底部能够喷出打印材料的喷射嘴(29)；喷射嘴(29)上开设有若干喷孔(30)；外壳(22)的上、下部内壁上分别设有上挡板(23)、下挡板(27)；位于上挡板(23)上方的外壳(22)内腔为进料腔(21)，打印喷头(5)的进气口(18)和进料口(17)设置在进料腔(21)所在的外壳(22)外壁上；压缩机构能够在上挡板(23)和下挡板(27)之间往复运动，压缩机构外周与外壳(22)内壁之间具有过料间隙(19)，压缩机构上端与上挡板(23)贴合后密封；隔膜(28)位于压缩机构和下挡板(27)之间，其中部向压缩机构侧拱起且与压缩机构底部固定连接，隔膜(28)外径小于外壳(22)内径，无外力作用时，隔膜(28)的外周圈与下挡板(27)贴合后密封，当有外力从上方作用于隔膜(28)时，隔膜(28)发生弹性变形，其外周圈与下挡板(27)之间出现间隙。

3.根据权利要求2所述的3D打印设备，其特征在于：压缩机构包括上板(24)、下板(26)和弹性件，弹性件位于上板(24)和下板(26)之间，且其两端分别连接上板(24)、下板(26)；上板(24)与上挡板(23)的接触面上具有密封件；隔膜(28)位于下板(26)和下挡板(27)之间，并与下板(26)固定连接。

4.根据权利要求3所述的3D打印设备，其特征在于：弹性件采用压簧(25)。

5.根据权利要求3所述的3D打印设备，其特征在于：上板(24)的上表面固定有导向杆(20)，导向杆(20)的下端穿过进料腔(21)并延伸至外壳(22)外部。

6.根据权利要求1～5中任一所述的3D打印设备，其特征在于：喷射嘴(29)呈半球形，若干喷孔(30)在球面上均匀分布。

7.根据权利要求1～5中任一所述的3D打印设备，其特征在于：还包括超声波探伤仪(7)，超声波探伤仪(7)连接控制系统(9)。

8.根据权利要求1～5中任一所述的3D打印设备，其特征在于：还包括三维数据检测仪(8)，三维数据检测仪(8)连接控制系统(9)。

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