TW202124126A

TW202124126A - 靜電輔助三維列印設備

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Publication number: TW202124126A
Application number: TW109119489A
Authority: TW
Inventors: 沈欣欣; 李昌周; 賴豊文; 劉育秉; 沈盈妏
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2019-12-23
Filing date: 2020-06-10
Publication date: 2021-07-01

Abstract

一種靜電輔助三維列印設備，其包括列印平台、進料裝置、噴頭以及高壓電源。進料裝置與噴頭設置於列印平台的上方。噴頭連接進料裝置，且位於進料裝置與列印平台之間。噴頭與列印平台之間的距離小於或等於1公分。高壓電源具有輸出端與接地端，其中輸出端電性連接噴頭，且接地端電性連接列印平台。

Description

靜電輔助三維列印設備

本揭露是有關於一種三維列印，且特別是有關於一種靜電輔助三維列印設備。

再生醫學可概分為四大領域，其中又以細胞治療(Cell Therapy)與組織工程(Tissue Engineering)的發展較為成熟。詳細而言，組織工程必須統合生物、醫學以及材料科學等專業知識與技術，用以開發出創傷修復、組織重建、器官重建以及手術輔助器材(例如支架)等相關產品。隨著三維列印技術日趨成熟，在將三維列印技術導入組織工程後，已能逐漸創建出結構複雜且具備特殊功能的組織、器官以及手術輔助器材。

就人造生物組織而言，其可概分為膜層與被膜層包覆的核層，其中膜層可類比為細胞外基質，且核層可類比為細胞與細胞間質。因此，在採用三維列印技術製作人造生物組織的過程中，膜層材料為持續性地擠出，視細胞與細胞間質的分布，核層材料為間歇性地擠出以被膜層材料包覆。

因三維列印技術應用於人造生物組織是採擠出方式為主，且大多存在著擠出線徑過大或擠出線徑固定不變等問題。

本揭露提供一種靜電輔助三維列印設備，其有助於縮減擠出線徑，並控制擠出線徑的大小。

本揭露一實施例的靜電輔助三維列印設備，其包括列印平台、進料裝置、噴頭以及高壓電源。進料裝置與噴頭設置於列印平台的上方。噴頭連接進料裝置，且位於進料裝置與列印平台之間。噴頭與列印平台之間的距離小於或等於1公分。高壓電源具有輸出端與接地端，其中輸出端電性連接噴頭，且接地端電性連接列印平台。

為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1是本揭露一實施例的靜電輔助三維列印設備的示意圖。圖2是圖1的區域A的局部放大示意圖。請參考圖1與圖2，在本實施例中，靜電輔助三維列印設備100包括列印平台110、進料裝置120、噴頭130以及高壓電源140，其中進料裝置120與噴頭130設置於列印平台110的上方，且進料裝置120與噴頭130具有沿著空間中的Z軸移動的運動自由度。另外，列印平台110具有沿著空間中的X軸、Y軸以及Z軸移動的運動自由度。

噴頭130連接進料裝置120，且位於進料裝置120與列印平台110之間。進料裝置120適於提供列印材料至噴頭130，並自噴頭130擠出以沉積成型於列印平台110上。詳細而言，高壓電源140具有輸出端141與接地端142，其中輸出端141電性連接噴頭130，且接地端142電性連接列印平台110，當高壓電源140作用時，可以在噴頭130與列印平台110之間形成高壓電場。據此，自噴頭130擠出的列印材料受到高壓電場的牽引形成微米纖維，並沉積成型於列印平台110上。換句話說，靜電輔助三維列印設備100可以縮減列印材料的擠出線徑，例如將列印材料的擠出線徑控制於80微米至450微米之間。

另一方面，噴頭130與列印平台110之間的距離D小於或等於1公分，即便輸出電壓產生高低變化，噴頭130與列印平台110之間的高壓電場仍具有足夠強度，以使微米纖維能夠準確地依據列印圖案或列印路徑沉積成型於列印平台110上。

圖3是圖2的噴頭的剖面示意圖。請參考圖1至圖3，在本實施例中，進料裝置120包括第一進料裝置120a與並列於第一進料裝置120a的第二進料裝置120b，其中第一進料裝置120a適於提供核層材料至噴頭130，且第二進料裝置120b適於提供膜層材料至噴頭130。舉例來說，核層材料可為細胞溶液、藥液或其他生物溶液，且膜層材料可為聚乙烯醇(PVA)製備而成的溶液或其他生物相容材料製備而成的溶液。

當上述溶液自噴頭130擠出時，受高壓電場作用，液滴的表面聚集電荷，並承受反向於表面張力的電場力。當高壓電場逐漸增強時，液滴自半球狀被拉長為錐狀，並形成泰勒錐(Taylor cone)。一旦高壓電場強度增加至臨界值，電場力克服液滴的表面張力，液滴便脫離噴頭130向列印平台110噴出液柱。

詳細而言，噴頭130包括第一出料管131與環繞第一出料管131的第二出料管132，其中第一出料管131作為內管，且第一進料裝置120a連接第一出料管131。第二出料管132作為外管，且第二進料裝置120b連接第二出料管132。第一出料管131與第二出料管132採同軸配置，當核層材料自第一出料管131擠出且膜層材料自第二出料管132擠出時，核層材料被膜層材料包覆，且核層材料與膜層材料受到高壓電場的牽引形成微米纖維，並沉積成型於列印平台110上。

舉例來說，第一出料管131與第二出料管132採用導電性佳的金屬管，且彼此固接。另一方面，高壓電源140的輸出端141透過銅線纏繞於噴頭130，據以施加相同的高壓電壓至第一出料管131與第二出料管132。

進一步而言，噴頭130更包括第一連通管133與第二連通管134，其中第一進料裝置120a透過第一連通管133連接第一出料管131，且第二進料裝置120b透過第二連通管134連接第二出料管132。也就是說，核層材料自第一進料裝置120a經由第一連通管133輸送至第一出料管131，而膜層材料自第二進料裝置120b經由第二連通管134輸送至第二出料管132。

在本實施例中，第一進料裝置120a包括針筒121a、推桿122a以及推送機構123a，其中針筒121a適於儲存核層材料，且連接第一連通管133。推桿122a插入針筒121a，且適於推送核層材料。推送機構123a抵接推桿122a，適於控制核層材料的出料量與出料速度。舉例來說，推送機構123a包括步進馬達、螺桿以及推動件，其中步進馬達適於驅動螺桿旋轉，且精準地控制螺桿的旋轉量。旋轉時的螺桿適於驅動推動件移動，以使推動件推動推桿122a，從而精準地控制核層材料的出料量與出料速度。

相似地，第二進料裝置120b包括針筒121b、推桿122b以及推送機構123b，其中針筒121b適於儲存膜層材料，且連接第二連通管134。推桿122b插入針筒121b，且適於推送膜層材料。推送機構123b抵接推桿122b，適於控制膜層材料的出料量與出料速度。舉例來說，推送機構123b包括步進馬達、螺桿以及推動件，其中步進馬達適於驅動螺桿旋轉，且精準地控制螺桿的旋轉量。旋轉時的螺桿適於驅動推動件移動，以使推動件推動推桿122b，從而精準地控制膜層材料的出料量與出料速度。

在列印過程中，第一進料裝置120a與第二進料裝置120b維持於第一溫度，且第一溫度可以是介於攝氏4度至80度之間。詳細而言，第一進料裝置120a包括溫控單元124a，且針筒121a穿設於溫控單元124a。溫控單元124a可採用流體循環器，以使針筒121a內的核層材料維持於特定溫度下。相似地，第二進料裝置120b包括溫控單元124b，且針筒121b穿設於溫控單元124b。溫控單元124b可採用流體循環器，以使針筒121b內的膜層材料維持於特定溫度下。

另一方面，列印平台110維持於第二溫度，且第二溫度可以是介於攝氏4度至80度之間。舉例來說，第一溫度小於第二溫度，若第一溫度為攝氏4度，則第二溫度為攝氏37度，例如與人體的體溫相近。詳細而言，靜電輔助三維列印設備100更包括溫控裝置150，其中溫控裝置150連接列印平台110，且溫控裝置150可採用電子式溫度控制器，以使列印平台110維持於特定溫度。

在本實施例中，靜電輔助三維列印設備100更包括三維移動機構160與控制器170，其中列印平台110連接三維移動機構160，且列印平台110位於噴頭130與三維移動機構160之間。三維移動機構160適於帶動列印平台110沿著空間中的X軸、Y軸以及Z軸移動。

另一方面，控制器170可為中央處理器、圖形處理器、特殊應用積體電路(ASIC)或場域可程式化邏輯閘陣列(FPGA)，且外接或內建記憶體。詳細而言，控制器170電性連接進料裝置120、高壓電源140、溫控裝置150以及三維移動機構160，適於控制核層材料與膜層材料的出料量、出料速度、出料時序以及保存溫度(即第一溫度)；控制高壓電源140輸出電壓的高低；控制列印平台110的溫度(即第二溫度)；以及，控制列印平台110的移動量與移動方向。

圖4是圖1的高壓電源的電壓變化與微米纖維的截面變化的對照示意圖。請參考圖1、圖2以及圖4，基於高壓電源140輸出電壓的高低控制，形成在噴頭130與列印平台110之間的電場強度隨之改變，據以即時控制列印材料的擠出線徑的大小。因噴頭130與列印平台110之間的距離D小於或等於1公分，在輸出電壓產生高低變化的過程中，噴頭130與列印平台110之間的高壓電場仍具有足夠強度，以使微米纖維10能夠準確地依據列印圖案或列印路徑沉積成型於列印平台110上。

當輸出電壓增高時，形成在噴頭130與列印平台110之間的電場強度增強，使得自噴頭130擠出的列印材料受到高壓電場的牽引而形成較細的微米纖維10，並沉積成型於列印平台110上。也就是說，微米纖維10的截面或線徑隨輸出電壓的增高而縮減，如圖4所示。當輸出電壓降低時，形成在噴頭130與列印平台110之間的電場強度減弱，使得自噴頭130擠出的列印材料受到高壓電場的牽引而形成較粗的微米纖維10，並沉積成型於列印平台110上。也就是說，微米纖維10的截面或線徑隨輸出電壓的減縮而加大，如圖4所示。

綜上所述，本揭露的靜電輔助三維列印設備藉由在噴頭與列印平台之間形成高壓電場，以使自噴頭擠出的列印材料受到高壓電場的牽引形成微米纖維，並沉積成型於列印平台上。換句話說，靜電輔助三維列印設備可縮減列印材料的擠出線徑，例如將列印材料的擠出線徑控制於80微米至450微米之間。另外，基於電壓高低的控制，形成在噴頭與列印平台之間的電場強度隨之改變，據以即時控制列印材料的擠出線徑的大小。另一方面，因噴頭與列印平台之間的距離小於或等於1公分，在電壓產生高低變化的過程中，噴頭與列印平台之間的高壓電場仍具有足夠強度，以使微米纖維能夠準確地依據列印圖案或列印路徑沉積成型於列印平台上。

雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100:靜電輔助三維列印設備 110:列印平台 120:進料裝置 120a:第一進料裝置 120b:第二進料裝置 121a、121b:針筒 122a、122b:推桿 123a、123b:推送機構 124a、124b:溫控單元 130:噴頭 131:第一出料管 132:第二出料管 133:第一連通管 134:第二連通管 140:高壓電源 141:輸出端 142:接地端 150:溫控裝置 160:三維移動機構 170:控制器 10:微米纖維 A:區域 D:距離 X、Y、Z:軸

圖1是本揭露一實施例的靜電輔助三維列印設備的示意圖。圖2是圖1的區域A的局部放大示意圖。圖3是圖2的噴頭的剖面示意圖。圖4是圖1的高壓電源的電壓變化與微米纖維的截面變化的對照示意圖。

100:靜電輔助三維列印設備

110:列印平台

120:進料裝置

120a:第一進料裝置

120b:第二進料裝置

121a、121b:針筒

122a、122b:推桿

123a、123b:推送機構

124a、124b:溫控單元

140:高壓電源

141:輸出端

142:接地端

150:溫控裝置

160:三維移動機構

170:控制器

A:區域

X、Y、Z:軸

Claims

一種靜電輔助三維列印設備，包括：列印平台；進料裝置，設置於該列印平台的上方；噴頭，設置於該列印平台的上方，且連接該進料裝置，其中該噴頭位於該進料裝置與該列印平台之間，且該噴頭與該列印平台之間的距離小於或等於1公分；以及高壓電源，具有輸出端與接地端，其中該輸出端電性連接該噴頭，且該接地端電性連接該列印平台。
如請求項1所述的靜電輔助三維列印設備，其中該噴頭包括第一出料管與環繞該第一出料管的第二出料管，且該進料裝置包括第一進料裝置與並列於該第一進料裝置的第二進料裝置，該第一進料裝置連接該第一出料管，且該第二進料裝置連接該第二出料管。
如請求項2所述的靜電輔助三維列印設備，其中該噴頭更包括第一連通管與第二連通管，該第一進料裝置透過該第一連通管連接該第一出料管，且該第二進料裝置透過該第二連通管連接該第二出料管。
如請求項2所述的靜電輔助三維列印設備，其中該第一出料管與該第二出料管為同軸配置。
如請求項1所述的靜電輔助三維列印設備，其中該進料裝置包括針筒、推桿以及推送機構，該推桿插入該針筒，且該推送機構抵接該推桿。
如請求項5所述的靜電輔助三維列印設備，其中該進料裝置包括溫控單元，且該針筒穿設於該溫控單元。
如請求項1所述的靜電輔助三維列印設備，其中該進料裝置維持於第一溫度，且該列印平台維持於該第二溫度，且該第一溫度小於該第二溫度。
如請求項1所述的靜電輔助三維列印設備，更包括三維移動機構，其中該列印平台連接該三維移動機構，且該列印平台位於該噴頭與該三維移動機構之間。
如請求項1所述的靜電輔助三維列印設備，更包括控制器，其中該控制器電性連接該高壓電源。
如請求項1所述的靜電輔助三維列印設備，更包括溫控裝置，連接該列印平台。