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一種三維生物結構的3D打印裝置及打印方法.pdf

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一種 三維 生物 結構 打印 裝置 方法
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摘要
申請專利號:

CN201310642440.2

申請日:

2013.12.02

公開號:

CN103655005A

公開日:

2014.03.26

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):A61F 2/28申請日:20131202|||公開
IPC分類號: A61F2/28 主分類號: A61F2/28
申請人: 浙江大學
發明人: 賀永; 邵惠鋒; 傅建中; 沈洪垚
地址: 310027 浙江省杭州市西湖區浙大路38號
優先權:
專利代理機構: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224 代理人: 胡紅娟
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201310642440.2

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2016.01.20|||2014.04.23|||2014.03.26

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種三維生物結構的3D打印裝置及打印方法,包括:打印機構、配合打印機構打印三維生物結構的運功工作臺機構以及工作容器;打印機構包括噴射生物墨水的噴頭以及控制所述噴頭噴射和運動的噴頭驅動機構;運功工作臺機構包括工作臺以及驅動工作臺三維運動的三維運功平臺,打印方法采用三維生物結構的3D打印裝置,方法簡單,易于操作,成本低,不需要支撐材料,只需將離散的液滴噴射到可全方位調整的工作臺上,就能生成復雜形狀的三維生物空心或實心結構,克服了傳統制造懸空結構的困難。對于不同形狀的三維結構,只需改變三維模型,調整打印參數,就能直接制備具有各種結構和一定力學性能的三維支架。

權利要求書

權利要求書
1.  一種三維生物結構的3D打印裝置,包括:打印機構、配合所述打印機構打印三維生物結構的運功工作臺機構以及工作容器;
其特征在于,所述的打印機構包括噴射生物墨水的噴頭以及控制所述噴頭噴射和運動的噴頭驅動機構;
所述的運功工作臺機構包括工作臺以及驅動所述工作臺三維運動的三維運功平臺。

2.  根據權利要求1所述的三維生物結構的3D打印裝置,其特征在于,所述的三維運功平臺包括與地面相對固定沿豎直方向的Z軸立柱導軌、與所述Z軸立柱導軌滑動配合的運動板、與所述運動板固定并水平設置的懸臂桿、在一豎直方向平面內與所述懸臂桿轉動配合的X軸轉動桿以及在另一豎直方向平面內與所述X軸轉動桿轉動配合的Y軸轉動桿,其中,所述X軸轉動桿轉動的豎直方向平面與所述Y軸轉動桿轉動的豎直方向平面相互垂直,所述工作臺與Y軸轉動桿連接。

3.  根據權利要求2所述的三維生物結構的3D打印裝置,其特征在于,所述Z軸立柱導軌與運動板通過絲桿和絲桿電機驅動。

4.  根據權利要求3所述的三維生物結構的3D打印裝置,其特征在于,所述Z軸立柱導軌內設有供所述運動板滑動的滑道,所述滑道內設有與所述運動板螺紋配合的絲桿,所述絲桿由絲桿電機驅動。

5.  根據權利要求2所述的三維生物結構的3D打印裝置,其特征在于,所述X軸轉動桿由X軸電機驅動,所述X軸電機固定設置在所述懸臂桿上,所述X軸電機通過X聯軸器與X傳動軸連接,所述X傳動軸通過X滾動軸承安裝在所述懸臂桿上,所述X軸轉動桿套接在所述X傳動軸上并與所述X傳動軸鍵連接。

6.  根據權利要求2所述的三維生物結構的3D打印裝置,其特征在于,所述Y軸轉動桿由Y軸電機驅動,所述Y軸電機固定設置在所述X軸轉動桿上,所述Y軸電機通過Y聯軸器與Y傳動軸連接,所述Y傳動軸通過Y滾動軸承安裝在所述X軸轉動桿上,所述Y軸轉動桿套接在所述Y傳動軸上并與所述Y傳動軸鍵連接。

7.  根據權利要求1所述的三維生物結構的3D打印裝置,其特征在于, 所述的噴頭驅動機構包括驅動所述噴頭噴射的供液系統以及驅動所述噴頭運動的二維運動平臺。

8.  根據權利要求7所述的三維生物結構的3D打印裝置,其特征在于,所述供液系統包括:用于提供壓縮空氣的空氣壓縮機;與空氣壓縮機出氣口連通的氣容;儲液罐,該儲液罐出液口與所述噴頭的進液口連通,該儲液罐進液口與所述氣容的出氣口連通;所述儲液罐與氣容之間的管路上設有減壓閥。

9.  根據權利要求8所述的三維生物結構的3D打印裝置,其特征在于,所述噴頭與所述儲液罐之間的管路上設有過濾器。

10.  一種三維生物結構的3D打印方法,其特征在于,采用權利要求1~9任一項所述的三維生物結構的3D打印裝置,包括以下步驟:
1)依據CT掃描設備數據,應用CAD軟件設計三維生物結構模型;
2)將上述CAD軟件設計的三維生物結構模型的實體數據,經過分層軟件分層切片處理,形成相應代碼輸入到三維生物結構的3D打印裝置中;
3)由噴頭將生物墨水噴射到含有反應溶液的工作容器中,工作臺根據三維生物結構在三維運功平臺下全方位調整,在工作臺上獲得可控復雜的三維生物結構。

說明書

說明書一種三維生物結構的3D打印裝置及打印方法
技術領域
本發明涉及生物醫學工程和組織工程技術領域,尤其是涉及一種三維生物結構的3D打印裝置及打印方法。
背景技術
目前,三維打印技術在制備組織工程用的生物材料支架方面得到了快速發展和應用,它是一項基于微滴噴射的快速成型技術,它首先借助計算機輔助設計技術制備所要打印物體的電子文檔模型,然后依據“逐層打印,層層疊加”的原理來打印具有特殊外形或復雜內部結構的物體。其成型過程不受任何幾何形狀的限制,打印速度可以隨意控制,不同的材料可以通過不同的噴頭打印,打印的物質可以是溶液、懸浮液或乳液,因此,三維打印可以很容易的控制材料組成、微觀結構和表面特性。當打印的物質是生物墨水時,其就成為了生物打印技術。它將生物墨水按需噴射到接受體形成三維有功能的組織或器官,生物墨水設計為特制的細胞溶液或有生物活性的營養因子溶液。該技術操作方便,加工過程靈活。
對于三維管結構,現有的常見打印方法有兩種:垂直打印和水平打印。如果噴嘴移動方向沿著管的圓周方向,這種制造方法叫垂直打印;如果噴嘴的移動方向平行于管的軸線方向,這種制造方法叫水平打印。以前許多人的制造方法都是基于垂直打印,因為其實現比較方便,但是垂直打印很難打印一些復雜的結構,如“Y”型結構,除非用到犧牲支撐結構,而水平打印就比較方便,可以馬上打印出該結構。對于打印管狀結構,垂直打印和水平打印都可以,垂直打印時橫截面是圓,水平打印時橫截面是多邊形,但相對于垂直打印而言,水平打印制造出的管結構不圓,精度低。
公開號為CN101111362A(申請號為200680003303.2)的中國專利申請公開了一種三維結構物的制造方法以及制造裝置,該方法包括以下步驟:將含有溶劑以及分散在所述溶劑中的聚合物顆粒且粘度為100cps以下的溶液的液滴,從噴嘴朝向基板噴出;將光照射到所述液滴上,使所述液滴中含有 的溶劑蒸發,并且,使所述液滴中含有的聚合物顆粒熔化;以及,使所述熔化的聚合物顆粒在基板上堆積。由此制造出較高縱橫尺寸比的三維結構物。該三維結構物的制造裝置,包括:噴嘴,其將含有溶劑以及分散在所述溶劑中的聚合物顆粒的溶液的液滴,朝向基板噴出;振動部,其使所述溶液發生振動;光源,其將光照射到從所述噴嘴噴出的溶液的液滴上;以及,驅動機構部,其使所述噴嘴或者基板在XYZ方向上移動,所述光源設置在所述噴嘴的噴出口的上方或者側方。
公開號為CN1613435A(申請號為200410073324.4)的中國發明專利申請公開了一種可控微管道結構支架的光固化快速成型間接制造方法,其根據實際CT數據,利用三維CAD軟件重構骨骼外形,設計不同結構的支架內部微管道,利用光固化快速成型設備構造相應的樹脂模具,在模具中填充生物材料,待其固化后,通過熱分解去除樹脂模具,形成具有可控微結構的組織工程支架。
本專利想到結合垂直打印和水平打印的優點,用垂直打印和水平打印結合的方法來制造復雜三維生物結構。對于“Z”型結構,用常規的垂直打印只能打印有限角度的分支,角度一旦過大,整個結構就會倒塌。
發明內容
本發明提供了一種三維生物結構的3D打印裝置,能夠準確地打印出復雜的三維生物結構。
一種三維生物結構的3D打印裝置,包括:打印機構、配合所述打印機構打印三維生物結構的運功工作臺機構以及工作容器;
所述的打印機構包括噴射生物墨水的噴頭以及控制所述噴頭噴射和運動的噴頭驅動機構;
所述的運功工作臺機構包括工作臺以及驅動所述工作臺三維運動的三維運功平臺。
工作時,所述工作臺置于所述工作容器中。
本發明中,噴頭在噴頭驅動機構的作用下將離散的液滴噴射到工作臺上,三維運功平臺對工作臺進行全方位調整,通過噴頭、噴頭驅動機構和工作臺的運動就能生成復雜形狀的三維生物空心或實心結構,克服了傳統制造懸空結構的困難。
作為優選,所述的三維運功平臺包括與地面相對固定沿豎直方向的Z軸 立柱導軌、與所述Z軸立柱導軌滑動配合的運動板、與所述運動板固定并水平設置的懸臂桿、在一豎直方向平面內與所述懸臂桿轉動配合的X軸轉動桿以及在另一豎直方向平面內與所述X軸轉動桿轉動配合的Y軸轉動桿,其中,所述X軸轉動桿轉動的豎直方向平面與所述Y軸轉動桿轉動的豎直方向平面相互垂直,所述工作臺與Y軸轉動桿連接。通過Z軸立柱導軌、X軸轉動桿、Y軸轉動桿以及相互配合的關系,工作臺在三維運功平臺控制下可以在三維方向運動,對工作臺進行全方位調整,從而有利于噴頭在工作臺上形成復雜形狀的三維生物空心或實心結構。
作為優選,所述Z軸立柱導軌與運動板通過絲桿和絲桿電機驅動,即所述Z軸立柱導軌內設有供所述運動板滑動的滑道,所述滑道內設有與所述運動板螺紋配合的絲桿,所述絲桿由絲桿電機驅動。通過絲桿電機驅動絲桿,調整運動板在Z軸立柱導軌上的位置,從而有利于準確控制運動板在豎直方向上的位置,即Z軸方向的位置。
所述X軸轉動桿由X軸電機驅動,所述X軸電機固定設置在所述懸臂桿上,所述X軸電機通過X聯軸器與X傳動軸連接,所述X傳動軸通過X滾動軸承安裝在所述懸臂桿上,所述X軸轉動桿套接在所述X傳動軸上并與所述X傳動軸鍵連接。通過上述結構,使得X軸轉動桿可以在一豎直平面內準確轉動。
所述Y軸轉動桿由Y軸電機驅動,所述Y軸電機固定設置在所述X軸轉動桿上,所述Y軸電機通過Y聯軸器與Y傳動軸連接,所述Y傳動軸通過Y滾動軸承安裝在所述X軸轉動桿上,所述Y軸轉動桿套接在所述Y傳動軸上并與所述Y傳動軸鍵連接。通過上述結構,使得Y軸轉動桿可以在另一豎直平面內準確轉動。
打印時,所述工作容器裝有與所述生物墨水配合的反應溶液,通過噴頭噴射生物墨水與工作容器中的反應溶液反應,形成三維生物空心或實心結構。
作為優選,所述的噴頭驅動機構包括驅動所述噴頭噴射的供液系統以及驅動所述噴頭運動的二維運動平臺。
所述供液系統包括:用于提供壓縮空氣的空氣壓縮機;與空氣壓縮機出氣口連通的氣容;儲液罐,該儲液罐出液口與所述噴頭的進液口連通,該儲液罐進液口與所述氣容的出氣口連通;所述儲液罐與氣容之間的管路上設有減壓閥。
所述減壓閥的開度大小可調,保證噴頭噴嘴處液滴不滴落;儲液罐的高度可調,保證噴頭噴嘴處液面最低端與噴頭噴嘴持平。
所述儲液罐的底部設有升降臺,通過升降臺可以調整儲液罐的高度。升降臺的具體結構可采用現有技術。
二維運動平臺也可以采用現有技術。
所述噴頭與所述儲液罐之間的管路上設有過濾器。所述過濾器對貯液罐中的生物墨水進行過濾,防止在打印過程中,生物墨水中的大顆粒粒子堵塞噴頭的噴嘴,使得打印過程無法進行。
本發明的噴頭一般可采用壓電式噴頭,此時需要與驅動器相連,以實現噴頭按照要求進行噴射操作。本發明總反應容器中盛放有反應溶液,生物墨水形成的液滴與反應溶液接觸,就會形成具有一定強度和形狀的半固態液滴,在打印完一層平面圖形后,工作臺下降一定距離,進行第二層的打印。
本發明中工作臺可以根據打印的三維生物結構的尺寸進行更換,對于不同的生物墨水,工作面與液滴之間的吸附力也是不一樣的,可以在尺寸不變的情況下,對工作面的材料進行更換或在工作面上加一層材料。為滿足不同高度生物體的需要,可選擇利用高度可調或者可拆卸的連接件將工作臺與三維運動平臺相互固定,通過高度可調或者可拆卸的連接件將工作臺進行固定,能制造出不同高度的生物體。
控制單元,用于采集三維生物結構的三維信息,利用三維信息構建三維模型,對三維模型進行分層處理,形成每一層的代碼信息,根據每一層的代碼信息控制執行單元進行逐層打印。本發明的控制單元一般包括三維模型設計部分、分層部分和控制部分,所述控制部分與噴頭驅動機構以及三維運功平臺的驅動機構相連,控制噴頭和工作臺的工作。控制單元一般可為計算機或者其他集成芯片等。
本發明還提供了一種三維生物結構的3D打印方法,采用三維生物結構的3D打印裝置,方法簡單,易于操作,成本低,不需要支撐材料,只需將離散的液滴噴射到可全方位調整的工作臺上就能夠打印出形狀復雜的三維生物結構。
一種三維生物結構的3D打印方法,采用三維生物結構的3D打印裝置,包括以下步驟:
1)依據CT掃描設備數據,應用CAD軟件設計三維生物結構模型;
2)將上述CAD軟件設計的三維生物結構模型的實體數據,經過分層軟 件分層切片處理,形成相應代碼輸入到三維生物結構的3D打印裝置中;
3)由噴頭將生物墨水噴射到含有反應溶液的工作容器中,工作臺根據三維生物結構在三維運功平臺下全方位調整,在工作臺上獲得可控復雜的三維生物結構。
步驟3)中,所述生物墨水為海藻酸鈉液,所述反應溶液為氯化鈣溶液。
與現有技術相比,本發明具有如下優點:
一、本發明三維生物結構的3D打印裝置,特別是對運功工作臺機構的結構改進,使得三維運功平臺對工作臺可進行全方位調整,通過噴頭、運動平臺和工作臺的運動就能生成復雜形狀的三維生物空心或實心結構,克服了傳統制造懸空結構的困難。工作臺的可更換設計,方便打印不同尺寸的三維生物結構。
二、本發明方法簡單,易于操作,成本低,不需要支撐材料,只需將離散的液滴噴射到可全方位調整的工作臺上,通過噴頭、運動平臺和工作臺的運動就能生成復雜形狀的三維生物空心或實心結構,克服了傳統制造懸空結構的困難。對于不同形狀的三維結構,只需改變三維模型,調整打印參數,就能直接制備具有各種結構和一定力學性能的三維支架。
三、本方法不僅僅局限于微滴噴射打印,同樣適用于其他相關的三維打印設備,只需要使用同樣的裝置,具有較好的應用前景。
附圖說明
圖1是本發明的三維生物結構的3D打印方法的流程示意圖;
圖2是本發明的三維生物結構的3D打印裝置的結構示意圖;
圖3為本發明中噴頭和供液系統的結構示意圖;
圖4是本發明中三維運動平臺和工作臺的結構示意圖;
圖5是本發明中三維運動平臺和工作臺的另一視角的結構示意圖;
圖6是圖5的左視圖;
圖7是本發明的打印類“L”型三維生物結構工作狀態示意圖;
圖8是本發明的打印復雜三維生物結構工作狀態示意圖;
圖中:1為絲桿,2為運動板,3為Z軸立柱導軌,4為安裝板,5為懸臂桿,6為X軸轉動桿,7為X傳動軸,8為X滾動軸承,9為X聯軸器,10為X軸電機,11為X軸電機固定支架,12為工作臺,13為Y傳動軸,14為Y滾動軸承,15為Y聯軸器,16為Y軸電機,17為Y軸電機固定支 架,18為噴頭,19為工作容器,20為支撐臺,21為二維運動平臺,22為Y軸轉動桿,29為過濾器,30為升降臺,31為貯液罐,32為減壓閥,33為氣容,34為空氣壓縮機。
具體實施方式
如圖2、圖3、圖4、圖5和圖6所示,一種三維生物結構的3D打印裝置,包括:打印機構、配合打印機構打印三維生物結構的運功工作臺機構以及工作容器19,工作容器19置于支撐臺20上。打印機構包括噴射生物墨水的噴頭18以及控制噴頭18噴射和運動的噴頭驅動機構;噴頭驅動機構包括驅動噴頭18噴射的供液系統以及驅動噴頭18運動的二維運動平臺。
如圖3所示,供液系統包括空氣壓縮機34,空氣壓縮機34與氣容33相連,氣容33與減壓閥32相連,減壓閥32與貯液罐31相連,貯液罐31與過濾器29相連,過濾器29與噴頭18相連。貯液罐31固定在升降臺30上,用于調節貯液罐31的高度,即調節貯液罐31中液面與噴頭18噴嘴處液面的高度差,通過減壓閥32和升降臺30的共同作用,實現噴頭噴嘴處液面的調節,實現液滴的噴射。過濾器29對貯液罐31中的生物墨水進行過濾,防止在打印過程中,生物墨水中的大顆粒粒子堵塞噴頭的噴嘴,使得打印過程無法進行。氣容33能減緩裝置中壓縮空氣的變化,保證噴頭18在長時間內能正常工作。升降臺30的具體結構可采用現有技術。
二維運動平臺也可以采用現有技術。
如圖4、圖5和圖6所示,三維運功平臺包括與地面相對固定沿豎直方向的Z軸立柱導軌3、與Z軸立柱導軌3滑動配合的運動板2、與在運動板2固定并水平設置的懸臂桿5、在一豎直方向平面內與懸臂桿5轉動配合的X軸轉動桿6以及在另一豎直方向平面內與X軸轉動桿6轉動配合的Y軸轉動桿22,其中,X軸轉動桿6轉動的豎直方向平面與Y軸轉動桿22轉動的豎直方向平面相互垂直,工作臺12與Y軸轉動桿22連接。通過Z軸立柱導軌3、X軸轉動桿6、Y軸轉動桿22以及相互配合的關系,工作臺12在三維運功平臺控制下可以在三維方向運動,從而對工作臺12進行全方位調整。Z軸立柱導軌3與運動板2通過絲桿1和絲桿電機(未畫出)驅動,即Z軸立柱導軌3內設有供運動板2滑動的滑道,滑道內設有與運動板2螺紋配合的絲桿1,絲桿1由絲桿電機驅動。通過絲桿電機驅動絲桿1調整運 動板2在Z軸立柱導軌3上的位置,即Z軸方向的位置。懸臂桿5一端通過安裝板4固定在運動板2上,懸臂桿5另一端安裝有X軸轉動桿6。X軸轉動桿6由X軸電機10驅動,X軸電機10通過X軸電機固定支架11固定在懸臂桿5上,X軸電機10通過X聯軸器9與X傳動軸7連接,X傳動軸7通過X滾動軸承8安裝在懸臂桿5上,X軸轉動桿6套接在X傳動軸7上并與X傳動軸7鍵連接。通過上述結構,使得X軸轉動桿6可以在一豎直平面內準確轉動。Y軸轉動桿22由Y軸電機16驅動,Y軸電機16通過Y軸電機固定支架17固定在X軸轉動桿6上,Y軸電機16通過Y聯軸器14與Y傳動軸13連接,Y傳動軸13通過Y滾動軸承14安裝在X軸轉動桿6上,Y軸轉動桿22套接在Y傳動軸13上并與Y傳動軸13鍵連接。通過上述結構,使得Y軸轉動桿22可以在另一豎直平面內準確轉動。最后,使得三維運功平臺可對工作臺12進行全方位調整,
工作容器19設有與生物墨水配合的反應溶液,通過噴頭18噴射生物墨水與工作容器19中的反應溶液反應,形成三維生物空心或實心結構。
絲桿1,絲桿1與絲桿電機連接,帶動安裝在絲桿1上的運動板2沿著Z軸立柱導軌3上下運動,實現工作臺12沿Z軸方向的運動,上述運動板2上固定安裝有安裝板4。
懸臂桿5固定在上述安裝板4上,懸臂桿5的另一端與X軸轉動桿6通過X傳動軸7相連,X傳動軸7位于懸臂桿5的X滾動軸承8內,X傳動軸7與X軸轉動桿6通過鍵相連,X傳動軸7的一端與X聯軸器9相連,上述X聯軸器9與X軸電機10相連,X軸電機10安裝在X軸電機固定支架11上,X軸電機固定支架11安裝在懸臂桿5上,控制單元控制X軸電機10轉動時,X軸電機10通過X聯軸器9帶動X傳動軸7轉動,X傳動軸7通過鍵帶動X軸轉動桿6轉動,即X軸轉動桿6相對于懸臂桿5發生轉動,帶動工作臺12轉動,可以實現工作臺12繞X傳動軸7(即沿X軸軸向)的轉動;
X軸轉動桿6的另一端與工作臺12通過Y軸轉動桿22和Y傳動軸13相連,Y傳動軸13位于X軸轉動桿6的Y滾動軸承14內,Y傳動軸13與Y軸轉動桿22通過鍵相連,Y傳動軸13的一端與Y聯軸器15相連,Y聯軸器15與Y軸電機16相連,Y軸電機16安裝在Y軸電機固定支架17上,Y軸電機固定支架17安裝在X軸轉動桿6上,控制單元控制Y軸電機16轉動時,Y軸電機16通過Y聯軸器15帶動Y傳動軸13轉動,Y傳動軸13 通過鍵帶動Y軸轉動桿22和工作臺12轉動,即工作臺12相對于X軸轉動桿6發生轉動,可以實現工作臺12繞Y傳動軸13(即Y軸的軸向)方向的轉動。Y軸轉動桿22和工作臺12可采用分體結構,也可以采用一體結構,圖中采用一體結構。
X軸電機10、Y軸電機16以及絲桿電機均與控制部分連接,同時控制部分與噴頭驅動機構和三維運功平臺相連,在控制噴頭和運動平臺工作的同時,通過控制X軸電機10、Y軸電機16以及絲桿電機改變工作臺12的狀態,實現復雜三維生物結構的打印。
如圖1所示,一種三維生物結構的3D打印方法,以CT掃描設備和CAD軟件為基礎,利用三維生物結構的3D打印裝置快速打印可控復雜三維生物結構。
該三維生物結構的3D打印方法,具體是這樣實現的:
步驟(1)依據CT掃描設備數據,應用CAD軟件設計精確的三維生物結構模型;
步驟(2)將上述CAD軟件設計三維生物結構模型的實體數據轉換成STL(STereo Lithography的縮寫)格式文件,經過分層軟件分層切片處理,形成相應代碼輸入到三維生物結構的3D打印裝置中;
步驟(3)由三維生物結構的3D打印裝置按照代碼控制噴頭18將生物墨水形成的液滴噴射到工作容器19中的反應溶液中,同時控制噴頭18的移動和工作臺12的全方位調整,可形成復雜的三維生物結構;
步驟(4)控制單元控制Y軸電機16工作,使工作臺12繞Y傳動軸13(即Y軸的軸向)旋轉一定角度,打印的結構在重力作用下,靠到YZ工作面上,通過控制軟件控制噴頭18重新定位和工作臺12Z方向的移動重新調整位置,同時控制生物墨水液滴的噴射,形成與前面已打印的結構在同一平面內成一定角度的三維生物結構;
步驟(5)控制單元控制X軸電機10工作,使工作臺12繞X傳動軸7(即X軸的軸向)旋轉一定角度,同樣打印的結構會在重力作用下,靠到XZ工作面上,通過控制軟件控制噴頭18重新定位和工作臺Z方向的移動重新調整位置,也通過控制軟件控制生物墨水液滴的噴射,打印與前面結構垂直的三維生物結構;
步驟(6)重復前面的步驟(4)和步驟(5),通過Y軸電機16和X軸電機10以及絲桿電機的配合,使工作臺12在三維空間內不停的旋轉,經過 三維生物結構的3D打印裝置的不停打印,即可獲得可控復雜的三維生物結構。三維生物結構可以是空心或實心結構。
實施例1
本發明的生物材料的制備過程:要形成三維生物結構,可選擇的材料有很多種,以海藻酸鈉與氯化鈣三維結構為例,將海藻酸鈉溶液作為生物墨水,氯化鈣溶液作為反應溶液,分別配置500ml0.8%(wt)的海藻酸鈉溶液和10%(wt)的氯化鈣溶液。
如圖2、圖3、圖4和圖7所示,打印圖7(a)所示的三維生物結構步驟如下:
步驟(1)應用CAD軟件設計精確的三維生物結構模型;
步驟(2)將上述CAD軟件設計三維生物結構模型的實體數據轉換成STL格式文件,經過分層軟件分層切片處理,形成相應代碼輸入到三維生物結構的3D打印裝置中;
步驟(3)由三維生物結構的3D打印裝置按照代碼控制噴頭18的噴射,同時控制噴頭18的移動和工作臺的三維運動,形成生物結構的A部分,如圖7(b)所示;
步驟(4)如圖7(c)所示,控制單元控制Y軸電機16工作,使工作臺12繞Y傳動軸13(即Y軸的軸向)慢慢轉動,打印的結構在重力作用下,慢慢往YZ工作面移動,同時在該過程中,控制單元控制工作臺12沿Z軸往上運動,保證打印結構上端面的最低端與液面平齊,然后控制單元控制噴頭重新定位,同時控制海藻酸鈉液滴的噴射,形成與前面已打印的結構A在同一平面內成設定角度的生物結構B部分,如圖7(d)所示;
步驟(5)將打印的結構在反應溶液中存放一段時間,然后將工作臺12升起,就得到如圖7(a)所示的三維生物結構。
對于如圖7(a)所示的結構,其實現方法也可以如下:
步驟(1)到步驟(3)與前面一樣,得到如圖7(e)所示結構;
步驟(4)如圖7(f)所示,控制單元控制X軸電機10工作,使工作臺12繞X傳動軸7(即X軸的軸向)慢慢轉動,打印的結構在重力作用下,慢慢往XZ工作面移動,同時在該過程中,控制單元控制工作臺12沿Z軸往上運動,保證打印結構上端面的最低端與液面平齊,然后控制單元控制噴 頭18重新定位,同時控制海藻酸鈉液滴的噴射,形成與前面已打印的結構A在同一平面內成設定角度的生物結構B部分,如圖7(g)所示;
步驟(5)將打印的結構在溶液中存放一段時間,然后將工作臺12升起,同樣可以得到如圖7(a)所示的三維生物結構。
對于如圖7(a)所示的類似結構,本方法還可以打印呈90度的“L”型三維生物結構。
實施例2
本發明的生物材料的制備過程:要形成三維生物結構,可選擇的材料有很多種,以海藻酸鈉與氯化鈣三維結構為例,將海藻酸鈉溶液作為生物墨水,氯化鈣溶液作為反應溶液,分別配置500ml0.8%(wt)的海藻酸鈉溶液和10%(wt)的氯化鈣溶液。
如圖8所示,打印圖8(a)所示的三維生物結構步驟如下:
步驟(1)應用CAD軟件設計精確的三維生物結構模型;
步驟(2)將上述CAD軟件設計三維生物結構模型的實體數據轉換成STL格式文件,經過分層軟件分層切片處理,形成相應代碼輸入到三維生物結構的3D打印裝置中;
步驟(3)由三維生物結構的3D打印裝置按照代碼控制噴頭18的噴射,同時控制噴頭18和三維運動平臺的移動,形成生物結構的A部分,如圖8(b)所示;
步驟(4)如圖8(c)所示,控制單元控制Y軸電機16工作,使工作臺12繞Y傳動軸13(即Y軸的軸向)慢慢轉動90度,打印的結構在重力作用下,慢慢往YZ工作面移動,同時在該過程中,控制單元控制工作臺12沿Z軸往下運動,保證打印結構上端面的最低端與液面平齊,然后控制單元控制噴頭18重新定位,同時控制海藻酸鈉液滴的噴射,形成與前面已打印的結構A在同一平面內成90度角的生物結構B部分,如圖8(d)所示;
步驟(5)如圖8(e)所示,控制單元控制X軸電機10工作,使工作臺12繞X傳動軸7(即X軸的軸向)慢慢轉動90度,同樣,打印的結構會在重力作用下,慢慢往XZ工作面移動,控制單元控制工作臺12沿Z軸往下運動,然后控制單元控制噴頭18重新定位,控制噴頭18液滴的噴射,形成與前面已打印的結構B在同一平面內成90度角的生物結構C部分,如圖 8(f)所示;
步驟(6)如圖8(g)所示,控制單元控制X軸電機10工作,使工作臺12繞X傳動軸7(即X軸的軸向)慢慢反向轉動90度,控制單元控制工作臺12沿Z軸往上運動,然后控制單元控制噴頭18重新定位,控制噴頭18液滴的噴射,形成與前面已打印的結構C在同一平面內成90度角的生物結構D部分,如圖8(h)所示;
步驟(7)如圖8(i)所示,控制單元控制Y軸電機16工作,使工作臺12繞Y傳動軸13(即Y軸的軸向)慢慢反向轉動90度,控制單元控制工作臺12沿Z軸往上運動,然后控制單元控制噴頭重新定位,控制噴頭18液滴的噴射,形成與前面已打印的結構D在同一平面內成90度角的生物結構E部分,如圖8(j)所示;
步驟(8)將打印的結構在反應溶液中存放一段時間,然后將工作臺12升起,就得到如圖8(a)所示的復雜三維生物結構。

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本文標題:一種三維生物結構的3D打印裝置及打印方法.pdf
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