一种挤出成型—光固化一体式的三维打印机及其打印方法技术

本发明专利技术公开了一种挤出成型—光固化一体式的三维打印机及其打印方法，包括：机架；光固化成型料槽模块，固定设置在X、Y轴运动机构上；复合成型平台模块，固定设置在Z轴运动机构上；无干涉切换装置，利用齿轮啮合原理控制挤出成型平台和光固化成型平台的反向运动；光处理装置，位于所述料槽模块的底端，并固定设置在X、Y轴运动机构上，用于将光固化成型的图形投影至复合式沉积平台上；X轴系统驱动电机固定于X轴运动机构上，驱动X轴系统电机丝杠带动复合式沉积平台翻转。本发明专利技术通过光固化技术打印个性化定制的高精度三维结构，再通过挤出成型技术打印生物材料，实现多种材料高精度个性化快速打印。打印。打印。

【技术实现步骤摘要】
一种挤出成型
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光固化一体式的三维打印机及其打印方法


[0001]本专利技术涉及生物材料3D打印领域，特别涉及一种结合喷头挤出成型技术与数字化光处理技术的复合三维打印机及其打印方法。

技术介绍

[0002]生物3D打印基于离散
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堆积成形原理，将生物材料或生物单元按仿生形态学、生物结构或生物体功能，在特定环境下用三维打印的技术手段制造出具有个性化的体外三维结构模型或体外三维生物体。此技术是工程制造、材料科学与生命科学交叉诞生的新兴学科。
[0003]数字化光处理（Digital Light Processing，简称DLP）立体成型技术是一类重要的光固化增材制造技术，它是基于美国德州仪器公司开发的数字微镜组件(Digital Micromirror Device, DMD)来完成视觉数字信息显示技术。DLP三维打印技术的基本原理是数字光源投射在液态光敏材料的表面, 通过控制DMD中不同镜片的开关角度来控制入射光能否被反射至光吸收器吸收，通过镜片阵列的开关组合形成不同图案的掩模用于固化每层材料的特定区域,进而各层堆叠形成完整的材料快速成型样品。DLP三维打印技术具有成型性好、精度高、打印结构多样化等优点，但不可打印非光敏材料或含细胞的生物材料以及高粘度的生物材料，且只可使用单种材料进行固化。目前有研究实现了转换多个液缸以实现换液从而进行多材料光固化的方法，但该方法需要将已经打印好结构浸没在另一种液体当中，无法避免材料污染的问题。
[0004]挤出沉积式生物打印技术包括气动挤出、机械挤出、螺杆挤出，它的基本原理是将热熔性或热融性的生物材料放入料筒升温使材料形成半流动状态，使之受力挤出并冷却成型于底板，材料按指定轨迹逐层成型并层层堆积。挤出沉积式生物打印适用生物材料广泛、喷头温度易控制、相较于DLP打印技术打印速度快，但其打印成型性差，成型结构易塌陷，打印结构单一，不利于模型的个性化定制。
[0005]基于上述矛盾，同时结合目前骨科医疗领域的强烈需求，亟需开发一种将DLP技术与挤出成型技术相结合的3D打印设备，解决光固化设备的打印材料单一、打印速度慢等问题以及挤出成型设备成型细微结构难、个性化定制难、打印精度低等问题。

技术实现思路

[0006]针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种将挤出成型工艺和光固化工艺相结合的新型挤出成型—光固化一体式的三维打印机及其打印方法，解决三维打印过程中存在的多种材料（包括生物材料、光敏材料等）个性化打印问题，实现多种材料高精度个性化快速打印。
[0007]为实现上述目的,本专利技术采用以下技术方案,一种挤出成型—光固化一体式的三维打印机，其特征在于，包括：机架；X、Y轴运动机构，固定设置在所述机架上；光固化成型料槽模块，固定设置在所述X、Y轴运动机构上，包括钻孔、X轴系统驱动
电机、X轴系统电机丝杠、X轴电机座、光处理装置；两个钻孔对称分布；Z轴运动机构，固定设置在所述机架上；Z轴系统驱动电机，固定设置在所述Z轴运动机构上；优选地，所述复合成型平台模块，固定设置在所述Z轴运动机构上，包括挤出成型平台、光固化成型平台、无干涉切换装置，用于通过电机驱动齿轮啮合控制挤出成型平台和光固化成型平台沿Z轴的运动。
[0008]光处理装置，位于所述料槽模块的底端，并固定设置在X、Y轴运动机构上, 用于将光固化成型的图形投影至复合式沉积平台上；优选地，所述光处理装置，采用投影设备，所述投影设备包括：固化光源，由若干发光器件组成的发光屏幕；投影面板，用于固定固化光源。
[0009]优选地，所述挤出成型平台包括L型安装板，供料驱动电机滚珠丝杠、供料驱动电机、限扭夹具、U型卡槽、针管、温控系统；L型安装板，分别用于固定供料驱动电机于挤出成型齿轮板和校正供料驱动电机滚珠丝杠在运动过程中产生的偏移；优选地，所述限扭夹具，与供料驱动电机滚珠丝杠通过螺纹连接，包括滚珠轴承和钢珠轴承活头；滚珠轴承，用于减小摩擦；钢珠轴承活头，用于消除供料驱动电机滚珠丝杠进给过程中产生的扭矩；U型卡槽，固定于针管尾部，与钢珠轴承活头的接触面为半球状凹槽，用于避免钢珠轴承活头在运动过程中造成针管的活塞轴受力偏移的问题，同时利于针管均匀供料；温控系统，包括散热风扇、散热孔、针管孔；散热风扇，用于散出温控系统内的余热，使其达到快速冷却；散热孔，用于均匀散出温控系统内的余热，防止局部过热；针管孔，内部嵌有聚酰亚胺加热膜，使针管大面积均匀受热。
[0010]光固化成型平台包括光固化成型固定模块、复合式沉积平台；优选地，光固化成型固定模块，用于将光固化成型平台固定于光固化成型齿轮板及连接复合式沉积平台，其特征还包括吸盘式电磁铁嵌于光固化成型固定模块内部；优选地，吸盘式电磁铁，通电连接光固化成型模块与复合式沉积平台，断电将二者分离；复合式沉积平台，其尺寸和厚度是基于后续平台的运动与料槽口的大小进行合理设计的，不存在与料槽发生摩擦、碰撞等问题。
[0011]优选地，复合式沉积平台还包括：螺纹接口、滑块、支撑杆、橡胶圈；螺纹接口、滑块与支撑杆为一个整体，嵌于复合式沉积平台内部，可沿X轴平动；橡胶圈包裹在支撑杆的右端口，用于防止料槽中打印材料浸入复合式沉积平台内部，同时在支撑杆被推至钻孔（右）端时，与其紧密配合，防止打印过程中复合式沉积平台发生抖动；螺纹接口为活动接口，嵌于滑块左侧外壳内部，可实现沿X轴方向360
°
转动。
[0012]优选地，所述无干涉切换装置包括：挤出成型齿轮板、齿轮、齿轮电机、光固化型齿轮板；齿轮电机，固定设置在Z轴运动机构上；挤出成型齿轮板、齿轮与光固化型齿轮板之间相互啮合，通过齿轮电机的螺纹杆旋转控制挤出成型平台和光固化型平台沿Z轴方向的反向移动。
[0013]优选地，所述机架采用铝合金管材搭建，在所述机架外部设置有遮光机罩，控制整个三维打印机运行的控制系统，所述控制系统包括单片机部件以及与单片机部件电连接的外部PC机，置于机架右侧。
[0014]本专利技术还提供一种基于上述的挤出成型—光固化一体式的三维打印机的打印方法，包括以下步骤：1）进行光固化成型：通过无干涉切换装置、Z轴运动机构与X、Y轴运动机构的运动，使光固化成型平台中的复合式沉积平台进入料槽模块浸没在打印材料中，利用光处理装置发出的光投影至光固化成型平台，同时使Z轴运动机构沿Z轴方向向上运动，使打印材料快速成型；2）进行复合式沉积平台的定位：光固化成型完成后，Z轴运动机构将复合式沉积平台沿Z轴向下运动至与钻孔（左）同高，X轴系统驱动电机通电，使X轴系统电机丝杠沿顺时针方向旋转作X轴方向进给穿过钻孔，进入复合式沉积平台的螺纹接口直至接触滑块，滑块沿X轴方向运动，推动支撑杆穿出复合式沉积平台，穿入钻孔（右），与其实现紧密配合，完成定位；3）正向翻转复合式沉积平台：复合式沉积平台定位完成后，吸盘式电磁铁断电，光固化成型模块与复合式沉积平台分离，X轴系统电机丝杠继续沿顺时针方向旋转，带动复合式沉积平台相较于初始位置进行180
°
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种挤出成型—光固化一体式的三维打印机，其特征在于，包括：机架（1）；X、Y轴运动机构（2），固定设置在所述机架（1）上；光固化成型料槽模块（3），固定设置在所述X、Y轴运动机构（2）上，包括钻孔（31）、X轴系统驱动电机（32）、X轴系统电机丝杠（33）、X轴电机座（34）、光处理装置（35）；两个钻孔（31）对称分布；Z轴运动机构（4），固定设置在所述机架（1）上；Z轴系统驱动电机（5），固定设置在所述Z轴运动机构（4）上；复合成型平台模块（6），固定设置在所述Z轴运动机构（4）上，包括挤出成型平台（61）、光固化成型平台（62）、无干涉切换装置（63），用于通过电机驱动齿轮啮合控制挤出成型平台（61）和光固化成型平台（62）沿Z轴的运动；光处理装置（35），位于所述料槽模块（3）的底端，并固定设置在X、Y轴运动机构（2）上，用于将光固化成型的图形投影至复合式沉积平台上（622）。2.如权利要求1所述的一种挤出成型—光固化一体式的三维打印机，其特征在于，所述光处理装置（35）采用投影设备，所述投影设备包括：固化光源，由若干发光器件组成的发光屏幕；投影面板，用于固定固化光源。3.如权利要求1所述的一种挤出成型—光固化一体式的三维打印机，其特征在于：所述挤出成型平台（61）包括L型安装板（611）、（612），供料驱动电机滚珠丝杠（613）、供料驱动电机（614）、限扭夹具（615）、U型卡槽（616）、针管（617）、温控系统（618）；所述L型安装板（611）、（612），分别用于固定供料驱动电机（614）于挤出成型齿轮板（631）和校正固定供料驱动电机滚珠丝杠（613）在运动过程中产生的偏移；所述限扭夹具（615），与供料驱动电机滚珠丝杠（613）通过螺纹连接，包括滚珠轴承（6151）和钢珠轴承活头（6152）；滚珠轴承（6151），用于减小摩擦；钢珠轴承活头（6152），用于消除供料驱动电机滚珠丝杠（613）进给过程中产生的扭矩；所述U型卡槽（616），固定于针管（617）尾部，与钢珠轴承活头（6152）的接触面为半球状凹槽，用于避免钢珠轴承活头（6152）在运动过程中造成针管（617）的活塞轴受力偏移的问题，同时利于针管（617）均匀供料；所述温控系统（618），包括散热风扇（6181）、散热孔（6182）、针管孔（6183）；散热风扇（6181），用于散出温控系统（618）内的余热，使其达到快速冷却；散热孔（6182），用于均匀散出温控系统（618）内的余热，防止局部过热；针管孔（6183），内部嵌有聚酰亚胺加热膜，使针管（617）大面积均匀受热。4.如权利要求1所述的一种挤出成型—光固化一体式的三维打印机，其特征在于，所述光固化成型平台（62）包括光固化成型固定模块（621）、复合式沉积平台（622）；所述光固化成型固定模块（621），用于将光固化成型平台（62）固定于光固化成型齿轮板（632）及连接复合式沉积平台（622），其特征还包括吸盘式电磁铁（6211）嵌于光固化成型固定模块（621）内部；所述吸盘式电磁铁（6211），通电连接光固化成型模块（621）与复合式沉积平台（622），断电将二者分离；
所述复合式沉积平台（622），其尺寸和厚度是基于后续平台的运动与料槽口的大小进行合理设计的，不存在与料槽发生摩擦、碰撞等问题；所述复合式沉积平台（622）还包括：螺纹接口（6221）、滑块（6222）、支撑杆（6223）、橡胶圈（62...

【专利技术属性】
技术研发人员：许燕，陈宇彤，王森森，印治涛，金文阳，于永波，张旭婧，杨蒙蒙，海几哲，周建平，
申请(专利权)人：新疆大学，
类型：发明
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