仿生多孔连续碳纤维增强陶瓷骨支架的3D打印装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种仿生多孔连续碳纤维增强陶瓷骨支架的3D打印装置及方法，本发明专利技术所述的装置，将连续纤维预处理装置与陶瓷浆料挤出装置结合，实现了连续纤维增强陶瓷骨支架3D打印装置的一体化设计。本发明专利技术的方法所采用的纤维预处理材料为与基体材料相同但固含量较低的陶瓷浆料，固含量较低的陶瓷浆料具有更好的浸润性，不仅可以黏附于碳纤维复丝的外部，还可以渗入碳纤维复丝内部，实现黏附，从而提高复合材料的生物性能。

3D printing device and method of biomimetic porous continuous carbon fiber reinforced ceramic bone scaffold

【技术实现步骤摘要】
仿生多孔连续碳纤维增强陶瓷骨支架的3D打印装置及方法
本专利技术属于3D打印
，具体涉及一种仿生多孔连续碳纤维增强陶瓷骨支架的3D打印装置及方法。
技术介绍
生物陶瓷材料如羟基磷灰石、磷酸钙等具有良好的生物相容性、骨传导性以及对人体无毒副作用等优点，因此成为重要的人工骨移植材料，但陶瓷材料固有的脆性，极大地限制了其在承载力，可靠性高的
的广泛应用。为此，人们研发出以纤维为增强材料的陶瓷基复合材料以提高其力学性能。碳纤维是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量的新型纤维材料，具备密度小、质量轻、强度高、低膨胀系数等一系列优点，碳纤维作为增强体，在基体中既能够有效控制裂纹产生和生长，又能较大幅度地提高陶瓷材料的综合力学性能。相较于传统碳纤维增强陶瓷基复合材料的成型制造，利用3D打印技术的高效性和灵活性，可以更快速的制备出孔结构可控且具有优异力学性能的骨支架。由于陶瓷浆料特有的粘度特性，当浆料粘度太低，骨支架无法成型或成型后力学性能较差；粘度过高，浆料挤出困难，支架精度较低。此外，与短切纤维增强先相比，连续纤维增强陶瓷材料的挤出过程，还需考虑二者的黏附作用，保证陶瓷浆料可以均匀包覆纤维共同从喷嘴挤出完成3D打印过程。
技术实现思路
为解决上述现有技术的缺点和不足，本专利技术提供了一种可以实现连续碳纤维增强陶瓷骨支架的装置和方法。通过对碳纤维复丝的预处理，使连续碳纤维黏附陶瓷浆料共同从喷嘴挤出，提高支架力学性能；通过采用气动和螺杆式混合传动可以连续，均匀地挤出粘度较大的陶瓷浆料，确保支架成型精度。从装置和工艺两方面获得高精度、高强度、孔结构可控且生物性能优异的陶瓷骨支架。为达到上述目的，本专利技术所述一种仿生多孔连续碳纤维增强陶瓷骨支架的3D打印装置，包括纤维预处理装置和复合材料挤出装置；所述纤维预处理装置包括储丝辊和预处理槽，所述预处理槽上端设有进丝口和进料口，下端设有出丝口，出丝口安装有加热导管，加热导管固定于加热块中，加热块下方设有纤维进给装置；所述复合材料挤出装置包括挤出料筒和螺筒，螺筒上开设有浆料输入口，所述挤出料筒一端与气动装置连接，另一端开设有出料口，出料口通过输料管与浆料输入口连接；螺筒中安装有螺杆，螺杆由动力装置驱动，螺筒前端向下延伸有延伸部，延伸部下端固定有喷嘴，喷嘴外部下方设置有剪切装置。进一步的，纤维进给装置包括主动轮和从动轮，主动轮为齿轮，从动轮为圆盘，从动轮和主动轮之间的间距为包裹低固相比浆料的碳纤维。进一步的，预处理槽内部设有两列用于张紧纤维的张紧辊。进一步的，延伸部中设固定有纤维导管，纤维导管上端伸出延伸部，下部与喷嘴连接。一种基于上述的一种仿生多孔连续碳纤维增强陶瓷骨支架的3D打印装置的3D打印方法，包括以下步骤：步骤1、将去离子水和丙三醇按照7:3～8:2的质量比混合配制成溶液A；步骤2、在溶液A中加入聚丙烯酸铵，聚丙烯酸铵的质量为HA粉末质量的1％～2％，搅拌均匀，调节其PH值为9后得到溶液B；步骤3、将溶液B与HA粉末进行混合，分别配制低固相比和高固相比的HA悬浮液，低固相比的HA悬浮液的固相比为5％～10％，高固相比的HA悬浮液的固相比为20％～30％；步骤4、在步骤3配制的低固相比和高固相比的HA悬浮液中分别加入羟丙基甲基纤维素作为粘结剂，并球磨得到低固相比浆料和高固相比浆料；步骤5、将碳纤维从进丝口进入预处理槽中，经纤维进给装置后引入喷嘴；步骤6、将低固相比浆料从进料口加入预处理槽中，高固相比浆料加入挤出料筒中；步骤7、在纤维进给装置的驱动下，浸润有低固相比浆料的碳纤维通过出丝口进入加热导管中，通过加热块的加热，完成固化；步骤8、固化后的碳纤维通过纤维进给装置送入喷嘴；步骤9、气动装置将挤出料筒中的高固相比浆料通过输料管输入至螺筒内；步骤10、动力装置带动螺杆转动，推动高固相比浆料逐渐向前运动至喷嘴，在喷嘴处，高固相比浆料包覆固化后的碳纤维，形成复合丝材；步骤11、复合丝材从喷嘴处被不断挤出，三轴运动平台中的XY运动平台按照打印路径运动，使得复合丝材不断堆积到XY运动平台上，待一层复合丝材打印结束后，剪切装置切断喷嘴出口处的复合丝材，之后Z轴升降台下降一个层厚的距离，改变打印方向，重复上述步骤，层层沉积实现多孔陶瓷骨支架的成型，得到多孔陶瓷骨支架坯体；步骤12、将打印好的多孔陶瓷骨支架坯体在室温下干燥12h～24h，然后在干燥箱中50℃～70℃干燥1h～2h，在马弗炉中以3℃/min升温至400℃～500℃，保温3h～4h，最后在热压炉中以1100℃～1200℃烧结3h～4h，得到多孔连续碳纤维增强陶瓷骨支架。进一步的，步骤3中，配制低好固相比和高固相比的HA悬浮液后，将低固相比和高固相比的HA悬浮液分别球磨。进一步的，步骤4中，在球磨完成的低固相比和高固相比的悬浮液中分别加入正丁醇。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益的技术效果：1)本专利技术所述的装置，将连续纤维预处理装置与陶瓷浆料挤出装置结合，实现了连续纤维增强陶瓷骨支架3D打印装置的一体化设计。进一步的，采用气动式和螺杆式结合的方式实现陶瓷浆料的挤出。该混动式结构可以适应陶瓷浆料高粘度的特点；此外针对不同含量的纤维复丝和不同直径的浆料可以通过调节气动压力和螺杆转速来调节浆料进给量及压力，以满足不同支架的成型要求；由于浆料在挤出过程中，压力偏高或者浆料粘度较低，在停止挤出后，可能有浆料从喷嘴流出，即所谓的流涎现象，螺杆式传动过程中可以采用螺杆的反转来减少流涎现象的出现。进一步的，采用加热块固化预处理碳纤维，一方面通过加热软化纤维，促进浆料与纤维的结合；另一方面，通过加热使黏附在碳纤维表面的浆料固化，包裹碳纤维，可以防止纤维复丝在挤出过程中散开和断裂。2)本专利技术的方法所采用的纤维预处理材料为与基体材料相同但固含量较低的陶瓷浆料，主要有以下几点优势：(1)固含量较低的陶瓷浆料具有更好的浸润性，不仅可以黏附于碳纤维复丝的外部，还可以渗入碳纤维复丝内部，实现黏附，从而提高复合材料的生物性能。(2)经预处理的碳纤维表面会黏附一层陶瓷浆料，避免了碳纤维直接与用于成型的高固含量浆料结合，通过陶瓷材料与陶瓷材料之间的结合，解决高固含量浆料与碳纤维黏附困难的问题。(3)传统的树脂预处理材料最终需经过脱脂烧结，排除树脂，此过程会造成支架开裂、变形等缺陷。而采用陶瓷材料作为预处理材料在支架成型后不需要进行脱脂烧结，使烧结支架具有更好的力学性能。进一步的，步骤4中，在球磨完成的低固相比和高固相比的悬浮液中分别加入正丁醇，防止HA悬浮液起泡，进而防止挤出丝材出现孔洞或凹坑缺陷。附图说明图1是本专利技术连续碳纤维增强陶瓷骨支架3D打印装置的示意图；图2是连续碳纤维增强羟基磷灰石骨支架的形貌图；图3是连续碳纤维增强羟基磷灰石骨支架的断面SEM图；图4是支架断裂过程中连续碳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仿生多孔连续碳纤维增强陶瓷骨支架的3D打印装置，其特征在于，包括纤维预处理装置和复合材料挤出装置；/n所述纤维预处理装置包括储丝辊(1)和预处理槽(5)，所述预处理槽(5)上端设有进丝口(3)和进料口(4)，下端设有出丝口(7)，出丝口(7)安装有加热导管(8)，加热导管(8)固定于加热块(9)中，加热块(9)下方设有纤维进给装置(10)；/n所述复合材料挤出装置包括挤出料筒(20)和螺筒(14)，螺筒(14)上开设有浆料输入口(18)，所述挤出料筒(20)一端与气动装置(21)连接，另一端开设有出料口，出料口通过输料管(19)与浆料输入口(18)连接；螺筒(14)中安装有螺杆(15)，螺杆(15)由动力装置驱动，螺筒(14)前端向下延伸有延伸部，延伸部下端固定有喷嘴(12)，喷嘴(12)外部下方设置有剪切装置(22)。/n

【技术特征摘要】
1.一种仿生多孔连续碳纤维增强陶瓷骨支架的3D打印装置，其特征在于，包括纤维预处理装置和复合材料挤出装置；
所述纤维预处理装置包括储丝辊(1)和预处理槽(5)，所述预处理槽(5)上端设有进丝口(3)和进料口(4)，下端设有出丝口(7)，出丝口(7)安装有加热导管(8)，加热导管(8)固定于加热块(9)中，加热块(9)下方设有纤维进给装置(10)；
所述复合材料挤出装置包括挤出料筒(20)和螺筒(14)，螺筒(14)上开设有浆料输入口(18)，所述挤出料筒(20)一端与气动装置(21)连接，另一端开设有出料口，出料口通过输料管(19)与浆料输入口(18)连接；螺筒(14)中安装有螺杆(15)，螺杆(15)由动力装置驱动，螺筒(14)前端向下延伸有延伸部，延伸部下端固定有喷嘴(12)，喷嘴(12)外部下方设置有剪切装置(22)。


2.根据权利要求1所述的一种仿生多孔连续碳纤维增强陶瓷骨支架的3D打印装置及工艺，其特征在于，纤维进给装置(10)包括主动轮和从动轮，主动轮为齿轮，从动轮为圆盘，从动轮和主动轮之间的间距为包裹低固相比浆料的碳纤维。


3.根据权利要求1所述的一种仿生多孔连续碳纤维增强陶瓷骨支架的3D打印装置，其特征在于，所述预处理槽(5)内部设有两列用于张紧纤维的张紧辊(6)。


4.根据权利要求1所述的一种仿生多孔连续碳纤维增强陶瓷骨支架的3D打印装置，其特征在于，所述延伸部中设固定有纤维导管(11)，纤维导管(11)上端伸出延伸部，下部与喷嘴(12)连接。


5.一种基于权利要求1所述的打印装置的仿生多孔连续碳纤维增强陶瓷骨支架的3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将去离子水和丙三醇按照7:3～8:2的质量比混合配制成溶液A；
步骤2、在溶液A中加入聚丙烯酸铵，聚丙烯酸铵的质量为HA粉末质量的1％～2％，搅拌均匀，调节其PH值为9后得到溶液B；
步骤3、将溶液B与HA粉末进行混合，分别配制低固相比和高固相比的HA悬浮液，低固相比的HA悬浮液的固相比为5％～10％，高固相比的HA悬浮液的固相比为...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵雪妮，刘傲，魏森森，杨智，陈雪岩，郑佳梅，王力宏，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61