一种3D打印喷头及包括该喷头的3D打印装置以及用于该3D打印装置的生物陶瓷浆料制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种3D打印喷头及包括该喷头的3D打印装置以及用于该3D打印装置的生物陶瓷浆料，还公开了一种3D打印方法；所述3D打印喷头可以实现精确挤出精细的物料。所述3D打印喷头包括滚珠结构的接触式喷嘴，滚珠结构的接触式喷嘴优选用于打印实体的、无跨度的结构；所述3D打印喷头还包括非接触式喷嘴，非接触式喷嘴优选用于打印有跨度的结构。所述3D打印装置可以实现精确走位，打印较为精细和致密的结构。所述3D打印方法包括喷头、以及包含该喷头的3D打印装置和3D打印工艺的选择。所述3D打印工艺的选择包含喷嘴的理论推导和实验验证。

A 3D printing nozzle and a 3D printing device including the spray head and a bioceramic size used for the 3D printing device.

The invention discloses a 3D printing nozzle and a 3D printing device including the sprinkler, and a bioceramic size for the 3D printing device, and also discloses a 3D printing method; the 3D printing nozzle can accurately extruding fine materials. The 3D printing nozzle includes a contact nozzle of the ball structure, the contact nozzle of the ball structure is preferably used to print solid, span free structures; the 3D printing nozzle also includes a non-contact nozzle, and the non-contact nozzle is preferably used to print a span structure. The 3D printing device can realize precise walking and print fine and dense structure. The 3D printing method includes a spray head, and a 3D printing device including the spray head and a selection of the 3D printing process. The selection of the 3D printing process includes the theoretical derivation and experimental verification of the nozzle.

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印喷头及包括该喷头的3D打印装置以及用于该3D打印装置的生物陶瓷浆料
本专利技术涉及3D打印装置及3D打印材料
，特别涉及一种用于生物陶瓷浆料的3D打印喷头及包括该喷头的3D打印装置以及用于该3D打印装置的生物陶瓷浆料。
技术介绍
由于疾病和意外事故所导致的骨缺失给患者的生理上带来很大的痛苦和生活上极大的不便。此时，就需要对骨缺失部位进行修复，而修复就需要植入体修复材料。人造植入体根据材料的不同可分为金属植入体，陶瓷植入体，高分子植入体及它们之间的复合材料植入体。金属材料具有良好的机械性能，耐腐蚀性和生物相容性，是惰性骨修复材料的首选。不锈钢，钴铬合金和钛合金是较为常见的金属植入体材料。但这些材料的模量较高，易发生应力遮挡效应而导致骨修复失败。另外金属材料是惰性材料，有一定的服役年限，后期的取出和再次植入会对患者造成二次痛苦。高分子材料有可降解类材料或惰性类材料，但是高分子材料的机械性能不够理想而不能满足人体植入体的需要，并且高分子材料不具有骨诱导性，不利于骨组织的再生。生物陶瓷材料，如羟基磷灰石，因其与人体骨成分一致而具有良好的生物相容性，骨传导性和骨诱导性。尤其是骨诱导性，将对于骨组织再生和重建有着重要和积极的促进作用。但是，陶瓷材料的本征脆性决定了单一的陶瓷难以胜任骨修复植入体，而必须引入第二种或第三种骨修复材料。高分子材料，如聚己内酯已经被证明具有良好生物相容性，可降解性和较好的机械性能。因此，将具有骨诱导性的生物陶瓷材料和较好机械性能的高分子材料复合成为骨修复材料极佳的选择。为了促进骨组织的再生和重建，常常将骨修复材料做成支架材料。因为骨细胞如果能快速在支架内黏附，生长和分化，一方面能保证骨修复材料的成功制备，另一方面能加快骨组织的再生和重建。传统的生物陶瓷材料的成型主要包括干压成型、半干压成型、可塑成型、注浆成型法、流延成型和等静压成型等。除了可塑成型和注浆成型外，其他成型工艺难以形成复杂的形状，例如镂空结构。增材制造-3D打印技术的快速发展，使制备高精度的生物陶瓷材料制品成为可能。3D打印技术是通过首先建立模型，然后做切片和最后通过分层制造来实现打印的增材制造技术。其可以按照设计制备出形状复杂，尺寸可控和有序的空间结构，因此3D打印技术是制备支架材料最合适的技术。依据3D打印技术原理可将3D打印技术分为熔融沉积成型(FDM)、喷嘴挤压成型、立体光刻成型、粘结剂喷射成型、激光光固化成型、选择性激光烧结和熔融成型等。其中，激光光固化成型是利用激光固化陶瓷浆料中的光敏树脂，但目前光敏树脂生物相容性较差，利用光固化后往往还是通过后期烧结制备，这种方式会使生物陶瓷材料变脆。激光烧结和熔融成型中的激光具有较高的能量密度，与生物陶瓷材料作用时由于陶瓷材料的本征脆性会导致微裂纹的产生。喷墨打印喷出的粘结剂能够将陶瓷粉粘结起来，但这种方式制备的结构粗糙，致密度不高。熔融沉积成型也可以用来制备陶瓷复合材料，可实现陶瓷材料与高分子材料复合达到制备生物陶瓷的目的。但是在制备线材时难以使陶瓷粉均匀分散，同时该技术是将材料熔化，而喷嘴处温度降低容易发生堵塞。喷嘴挤压式基于熔融沉积制造，亦可实现陶瓷材料与高分子材料复合达到制备生物陶瓷的目的。该技术能够实现陶瓷粉体很好的分散，同时可以通过调节溶剂的含量来调节浆料粘度，进而获得最佳比例的浆料和3D打印效果。目前主流的FDM主要有RepRap的prusai3式、kosseldelta三角洲式、ultimaker式等，其中，prusai3式工作台大幅运动会导致未凝固的陶瓷浆料变形，ultimaker式工作台较高打印所引起的震动会影响陶瓷浆料成型，kosseldelta式工作台不动但精度不高。由于喷嘴较为细小，且陶瓷浆料具有高粘度低流动性的特点，因此很难将浆料从喷嘴中挤出；并且挤出后也难以精确控制浆料的走位，所以目前基于挤压式的喷头，精度普遍较低。
技术实现思路
为了改善现有技术的不足，本专利技术针对目前生物陶瓷浆料在喷嘴挤压式3D打印设备打印时精度较低和致密度不足等缺点，提出了一种滚珠结构的接触式喷嘴、用于生物陶瓷浆料的包括该接触式喷嘴的3D打印喷头、包括该喷头的3D打印装置以及用于该3D打印装置的生物陶瓷浆料。本专利技术提供如下技术方案：一种滚珠结构的接触式喷嘴，所述滚珠结构的接触式喷嘴包括固定喷嘴螺纹，进料通道，喷嘴支撑架，出料口，进料孔和滚珠；所述进料通道设置在所述喷嘴支撑架内部，所述固定喷嘴螺纹设置在进料通道顶部侧壁，用于与可提供物料的料筒相连，所述出料口设置在进料通道底部；在靠近出料口处设置进料孔，在出料口和进料孔之间设置滚珠，用于通过滚珠的滚动带出进料通道内的物料。在本专利技术的一个方案中，所述进料通道的的内径尺寸为0.05～1mm；所述滚珠的直径为0.05～1mm。本专利技术提供一种用于生物陶瓷浆料的3D打印喷头，所述喷头包括上述的滚珠结构的接触式喷嘴和供料系统。在本专利技术的一个方案中，所述供料系统包括加料装置，步进电机，喷头支撑架，螺杆，活塞连杆组和料筒；所述喷头支撑架为中空结构且下方设置有T型卡槽；所述步进电机固定在所述喷头支撑架上方，且通过设置在喷头支撑架内部的螺杆带动活塞连杆组运动；所述料筒固定在喷头支撑架下方的T型卡槽内，且用于固定和引导活塞连杆组；所述料筒侧壁设有至少一个第一开口，用于与加料装置相连，所述加料装置用于为料筒提供待打印的物料；所述料筒底部设有至少一个第二开口，所述第二开口与滚珠结构的接触式喷嘴连通。在本专利技术的一个方案中，所述3D打印喷头还包括至少一个第一电控开关和至少一个第二电控开关；在靠近料筒侧壁上的第一开口处设置第一电控开关，用于控制通过所述第一开口的物料量；在靠近料筒底部的第二开口处设置第二电控开关，用于控制通过所述第二开口的物料量。在本专利技术的一个方案中，所述3D打印喷头还包括设置在料筒底部的至少一个第三开口，所述第三开口与非接触式喷嘴连通；所述非接触式喷嘴包括固定喷嘴螺纹，出料口，进料通道和喷嘴支撑架；所述进料通道设置在所述喷嘴支撑架内部，所述固定喷嘴螺纹设置在进料通道顶部侧壁，用于与可提供物料的料筒相连，所述出料口设置在进料通道底部；在本专利技术的一个方案中，所述3D打印喷头还包括至少一个第三电控开关；在靠近料筒底部的第三开口处设置第三电控开关，用于控制通过所述第三开口的物料量。在本专利技术的一个方案中，所述至少一个滚珠结构的接触式喷嘴和至少一个非接触式喷嘴彼此独立，且共用供料系统。在本专利技术的一个方案中，所述非接触式喷嘴的进料通道的内径尺寸为0.05～1mm。在本专利技术的一个方案中，所述3D打印喷头还包括自动进料系统，所述自动进料系统包括设置在活塞连杆组顶部的限位传感器，用于监测料筒内的物料余量，实现自动进料过程。在本专利技术的一个方案中，所述第一电控开关和第二电控开关分别与自动进料系统信号连接，所述自动进料系统控制所述第一电控开关和第二电控开关的开启与关闭，用于实现所述喷头的自动进料过程。在本专利技术的一个方案中，所述第一电控开关、第二电控开关和第三电控开关分别与自动进料系统信号连接，所述自动进料系统控制所述第一电控开关、第二电控开关和第三电控开关的开启与关闭，用于实现所述喷头的自动进料过程。本专利技术还提供上述3D打印喷头的用途，其用于3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种滚珠结构的接触式喷嘴，其特征在于，所述滚珠结构的接触式喷嘴包括固定喷嘴螺纹，进料通道，喷嘴支撑架，进料孔，滚珠和出料口；所述进料通道设置在所述喷嘴支撑架内部，所述固定喷嘴螺纹设置在进料通道顶部侧壁，用于与可提供物料的料筒相连，所述出料口设置在进料通道底部；在靠近出料口处设置进料孔，在出料口和进料孔之间设置滚珠，用于通过滚珠的滚动带出进料通道内的物料。

【技术特征摘要】
1.一种滚珠结构的接触式喷嘴，其特征在于，所述滚珠结构的接触式喷嘴包括固定喷嘴螺纹，进料通道，喷嘴支撑架，进料孔，滚珠和出料口；所述进料通道设置在所述喷嘴支撑架内部，所述固定喷嘴螺纹设置在进料通道顶部侧壁，用于与可提供物料的料筒相连，所述出料口设置在进料通道底部；在靠近出料口处设置进料孔，在出料口和进料孔之间设置滚珠，用于通过滚珠的滚动带出进料通道内的物料。2.根据权利要求1所述的接触式喷嘴，其特征在于，所述进料通道的内径尺寸为0.05～1mm；所述滚珠的直径为0.05～1mm。3.一种3D打印喷头，所述喷头包括权利要求1或2所述的滚珠结构的接触式喷嘴和供料系统；优选地，所述供料系统包括加料装置，步进电机，喷头支撑架，螺杆，活塞连杆组和料筒；所述喷头支撑架为中空结构且下方设置有T型卡槽；所述步进电机固定在所述喷头支撑架上方，且通过设置在喷头支撑架内部的螺杆带动活塞连杆组运动；所述料筒固定在喷头支撑架下方的T型卡槽内，且用于固定和引导活塞连杆组；优选地，所述料筒侧壁设有至少一个第一开口，用于与加料装置相连，所述加料装置用于为料筒提供待打印的物料；所述料筒底部设有至少一个第二开口，所述第二开口与滚珠结构的接触式喷嘴连通。4.根据权利要求3所述的喷头，其特征在于，所述3D打印喷头还包括至少一个第一电控开关和至少一个第二电控开关；在靠近料筒侧壁上的第一开口处设置第一电控开关，用于控制通过所述第一开口的物料量；在靠近料筒底部的第二开口处设置第二电控开关，用于控制通过所述第二开口的物料量。优选地，所述3D打印喷头还包括设置在料筒底部的至少一个第三开口，所述第三开口与非接触式喷嘴连通；所述非接触式喷嘴包括固定喷嘴螺纹，出料口，进料通道和喷嘴支撑架；所述进料通道设置在所述喷嘴支撑架内部，所述固定喷嘴螺纹设置在进料通道顶部侧壁，用于与可提供物料的料筒相连，所述出料口设置在进料通道底部。优选地，所述3D打印喷头还包括至少一个第三电控开关；在靠近料筒底部的第三开口处设置第三电控开关，用于控制通过所述第三开口的物料量。优选地，所述至少一个滚珠结构的接触式喷嘴和至少一个非接触式喷嘴彼此独立，且共用供料系统。优选地，所述非接触式喷嘴的进料通道的内径尺寸为0.05～1mm。优选地，所述3D打印喷头还包括自动进料系统，所述自动进料系统包括设置在活塞连杆组顶部的限位传感器，用于监测料筒内的物料余量，实现自动进料过程。优选地，所述第一电控开关和第二电控开关分别与自动进料系统信号连接，所述自动进料系统控制所述第一电控开关和第二电控开关的开启与关闭，用于实现所述喷头的自动进料过程。优选地，所述第一电控开关、第二电控开关和第三电控开关分别与自动进料系统信号连接，所述自动进料系统控制所述第一电控开关、第二电控开关和第三电控开关的开...

【专利技术属性】
技术研发人员：林锦新，赵超前，方舒仪，吴松全，杨洋，卢衍锦，林智杰，黄婷婷，林俊杰，罗佳斯，李斌，
申请(专利权)人：中国科学院福建物质结构研究所，
类型：发明
国别省市：福建,35