自動化控制的轉(zhuǎn)盤式氣動多噴頭生物3d打印成形系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種自動化控制的轉(zhuǎn)盤式氣動多噴頭生物3D打印成形系統(tǒng)及方法，本系統(tǒng)包括：噴射裝置、三維運動機構、成形臺以及控制系統(tǒng)，所述的噴射裝置采用轉(zhuǎn)盤式多噴頭噴射裝置，設置在三維運動機構中Z1軸運動機構上而隨Z1軸運動滑塊上下滑動；所述的成形臺安裝在三維運動機構中X軸運動滑塊上；所述的控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是聯(lián)接控制轉(zhuǎn)盤式多噴頭噴射裝置和三維運動機構的電機。本系統(tǒng)利用氣動擠出成形工藝原理,由控制系統(tǒng)控制成形臺、三維運動機構的運動以及噴射裝置的噴料,實現(xiàn)非均質(zhì)多種材料梯度的復雜三維支架。本發(fā)明提供的自動化控制的轉(zhuǎn)盤式氣動多噴頭生物3D打印成形系統(tǒng)，可實現(xiàn)自動化程度高、易控制、操作簡單。
【專利說明】自動化控制的轉(zhuǎn)盤式氣動多噴頭生物3D打印成形系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種自動化控制的轉(zhuǎn)盤式氣動多噴頭生物3D打印成形系統(tǒng)及方法，能實現(xiàn)復雜三維梯度支架的非均質(zhì)多種材料的精確成形，應用于機械制造和生物制造【技術領域】。
【背景技術】
[0002]組織工程是目前較為熱門的一門交叉學科。其三大要素有細胞、生物材料支架及生長因子。
[0003]在多孔支架成形工藝方面，傳統(tǒng)方法的工藝方法包括纖維粘合法、溶劑澆鑄法/顆粒濾粒法、熔融法、氣體發(fā)泡法、相分離法、燒結(jié)微球法等。這些傳統(tǒng)方法雖然獲得了較成功的多孔支架，但它們所得到的多孔支架的性能并不理想。主要表現(xiàn)在缺乏力學強度、孔隙的相互貫通程度底、孔隙率與孔分布的可控性差，這將影響到細胞的長入和組織的血管化。[0004]3D打印技術(增量制造技術)是近年來發(fā)展的一種新型的機械制造技術，也是生物制造領域的一種新興的技術，為組織工程學提供了有利的方法。增量制造技術是基于離散/堆積成形的原理，把三維模型變成一系列二維層片，再根據(jù)每個層片的輪廓信息進行工藝規(guī)劃，選擇合適的加工參數(shù)，自動生成數(shù)控代碼，最后由成形機接受控制指令制造一系列層片并自動將它們聯(lián)接起來，可以精確的復制出與生物體同樣形狀的形體。
[0005]氣動擠出成形工藝是指將支架材料制成液態(tài)，在氣動泵的壓力下，經(jīng)由噴頭，將溶液以絲狀擠出，在常溫下堆積成形。
[0006]氣動擠出成形的具體工藝過程為:
①通過CT掃描后進行三維重建，補缺得到STL模型文件，然后通過前置處理系統(tǒng)處理后生成加工路徑文件，得到成形的坐標代碼。
[0007]②選擇實驗的材料，按照合適的比例配制溶液，制成備用。
[0008]③將材料加入到成形設備的各噴頭的注射器中，計算機的控制軟件來控制各噴頭的掃描運動和擠壓/噴射運動。在常溫成形室中，從噴頭中出來的材料凝固且相互粘接在一起，堆積成形三維的支架。
[0009]④將制備出的三維支架放入冷凍干燥機，進行冷凍干燥處理，得到常溫下為固態(tài)的支架，成形了三維貫通，有孔隙率的支架。
[0010]然而，人體中的復雜組織或器官一般是由兩種或者兩種以上不同材料組成的復合支架，而且各個支架相互聯(lián)系。隨著研究的不斷深入，多種不同材料梯度的三維支架的成形提出了要求。原有的單噴頭無法滿足科學發(fā)展及醫(yī)學的要求，具有多噴頭的復雜骨支架生物3D打印成形系統(tǒng)的設計和研發(fā)成為了必然。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的是針對已有技術存在的缺陷，提供一種自動化控制的轉(zhuǎn)盤式氣動多噴頭生物3D打印成形系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)盤式多噴頭裝置與進行生物3D打印機構成一體化，具有裝置簡單可靠、制作成本低、工藝可控性好，自動化程度高等優(yōu)點，能實現(xiàn)非均質(zhì)多種材料梯度的再生骨支架。
[0012]為達到上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案:
一種自動化控制的轉(zhuǎn)盤式氣動多噴頭生物3D打印成形系統(tǒng)包括噴射裝置、三維運動機構、成形臺以及控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的噴射裝置采用轉(zhuǎn)盤式多噴頭噴射裝置，設置在三維運動機構中Zl軸運動機構上而隨Zl軸運動滑塊上下滑動；所述的成形臺安裝在三維運動機構中X軸運動滑塊上；所述的控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是聯(lián)接控制轉(zhuǎn)盤式多噴頭噴射裝置和三維運動機構的電機。
[0013]所述轉(zhuǎn)盤式多噴頭噴射裝置包括控制轉(zhuǎn)盤電機、橫梁、電機軸、連接管、轉(zhuǎn)盤、螺母、注射器活塞筒體、注射器針頭、軸套、槽型光電開關和槽型光電開關遮擋物；所述橫梁固定安裝在Zl軸運動滑塊上；所述控制轉(zhuǎn)盤電機通過螺絲固定安裝在橫梁上，電機軸朝下；所述軸套是一個外螺紋套筒，電機軸與軸套一端螺紋連接；所述轉(zhuǎn)盤中間有一個通孔，內(nèi)圈為內(nèi)螺紋，轉(zhuǎn)盤與軸套另一端連接，為內(nèi)外螺紋連接方式；控制轉(zhuǎn)盤電機運行帶動電機軸旋轉(zhuǎn)，同時帶動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)運動，即帶動注射器活塞筒體和注射器針頭旋轉(zhuǎn)；所述轉(zhuǎn)盤上方表面安裝4個連接管，連接管周向均勻分布在轉(zhuǎn)盤上，連接管上連接氣管，有氣泵提供氣體；所述轉(zhuǎn)盤下方加工4個內(nèi)螺紋孔，所述螺母上部分外表面加工成外螺紋，螺母的上表面加工達成菱形凸臺，能夠裝進注射器活塞筒體，注射器活塞筒體注入材料溶液，并一起與轉(zhuǎn)盤內(nèi)外螺紋連接，連接之間通過密封圈密封，以防漏氣；通過氣泵提供氣體將注射器活塞筒體中的材料溶液從注射器針頭 中擠出；所述槽型光電開關固連在橫梁下方，槽型光電開關遮擋物固連在轉(zhuǎn)盤上表面，控制轉(zhuǎn)盤電機運行轉(zhuǎn)動后帶動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，即槽型光電開關遮擋物旋轉(zhuǎn)碰到槽型光電開關的信號，停止轉(zhuǎn)盤運動，即注射器針頭到達指定的位置。
[0014]所述的三維運動機構由X軸運動機構、Y軸運動機構、Zl軸運動機構和Z2軸運動機構聯(lián)接成一體，Zi軸運動機構通過橫梁與噴射裝置與連接。
[0015]所述X軸運動機構包括X軸運動導軌與X軸運動滑塊滑配；所述Y軸運動機構包括Y軸運動導軌與Y軸運動滑塊滑配；所述Zl軸運動機構包括Zl軸運動導軌與Zl軸運動滑塊滑配；所述Z2軸運動機構包括Z2軸運動導軌與Z2軸運動滑塊滑配；所述X軸運動導軌與所述Y軸運動滑塊固接，Zl軸運動導軌和Z2軸運動導軌平行豎直固定在一個底板上，Y軸運動導軌平行也固定在底板上。
[0016]所述的成形臺是一個成形平臺，成形平臺與所述的X軸運動機構固連。
[0017]所述的控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括一個計算機系統(tǒng)聯(lián)接一個控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)聯(lián)接用于控制轉(zhuǎn)盤式多噴頭噴射裝置和三維運動機構的電機。
[0018]一種利用上述系統(tǒng)進行生物3D打印成形方法，實現(xiàn)非均質(zhì)多種材料梯度的再生骨支架制備，其特征在于:包括如下操作步驟:
a.在制備成形支架前，通過CT掃描重建得到三維模型，用數(shù)據(jù)處理軟件進行模型分層，得到成形的坐標G代碼，將文件輸入到計算機控制軟件中；
b.將混合的3D打印材料溶液分別裝載于活塞式注射器的注射器活塞筒體中，消除注射器活塞筒體中的氣泡，再將注射器活塞筒體安裝在轉(zhuǎn)盤上；
c.將轉(zhuǎn)盤式多噴頭噴射裝置與三維運動機構連接在一起，安裝在Zl軸運動滑塊上，利用控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)驅(qū)動三維運動機構以及噴射裝置的電機，再通過噴射裝置的電機來控制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，通過槽型光電開關來確定注射器針頭的精確位置，然后通過氣泵提供氣壓來控制注射器活塞筒體中液體擠出，從而控制注射器針頭的輸出液流的速度；
d.根據(jù)預設的支架結(jié)構與坐標G代碼，在計算機系統(tǒng)程序控制下，在空間的指定位置通過3D打印方式加工出非均質(zhì)多種材料梯度的再生骨支架制品。
[0019]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點:
1.本發(fā)明采用轉(zhuǎn)盤來構造多噴頭的周向排列方式，可以實現(xiàn)噴頭間的自由切換，自動化程度高，可用于非均質(zhì)多種材料支架的成形。
[0020]2.對于支架成形的編程控制來說，只須通過電機的轉(zhuǎn)動來控制轉(zhuǎn)盤來換噴頭，不受噴頭位置參數(shù)的影響。
[0021]3.本發(fā)明實現(xiàn)了通過控制噴頭來成形支架，操作簡單，增加了噴頭噴絲的穩(wěn)定性。
[0022]綜上所述，本發(fā)明所述系統(tǒng)利用轉(zhuǎn)盤式多噴頭噴射裝置、三維運動機構以及控制系統(tǒng)綜合實現(xiàn)了非均質(zhì)多種材料支架的成形。該系統(tǒng)具有結(jié)構簡單可靠、自動化程度高、易控制等優(yōu)點，適用于組織工程中具有復雜三維結(jié)構的非均質(zhì)多種材料支架成形。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明提供的自動化控制的轉(zhuǎn)盤式氣動多噴頭生物3D打印成形系統(tǒng)的實施例的結(jié)構示意圖。
[0024]圖2是噴射裝置的結(jié)構示意圖。
[0025]圖3是圖2中66的視圖。
[0026]圖4是氣動擠出成形的簡易工藝流程。
[0027]在圖1至圖4中:
I一X軸運動機構，11 一X軸運動控制電機， 12 — X軸絲杠(外殼內(nèi)部)，
13—X軸運動滑塊，
2—Y軸運動機構，21—Y軸運動控制電機(外殼內(nèi)部)，22—Y軸絲杠(外殼內(nèi)部)， 23 — Y軸光桿， 24 — Y軸運動滑塊一，25 — Y軸運動滑塊二，
3—Zl軸運動機構，31—Zl軸運動控制電機，32— Zl軸絲杠(外殼內(nèi)部)，
33—Zl軸運動滑塊，
4一Z2軸運動機構， 41 一Z2軸運動控制電機，42 — Z2軸絲杠(外殼內(nèi)部)，
43—Z2軸運動滑塊，
5 一成形平臺，
6—噴射裝置，61—控制轉(zhuǎn)盤電機，62—橫梁，
63—電機軸，64—連接管，65—轉(zhuǎn)盤，
66—螺母，67—注射器活塞筒體，68—注射器針頭，
69—軸套，71—槽型光電開關，72—槽型光電開關遮擋物，
8 一計算機系統(tǒng)，9 一底板，91 一基座1，
92—基座2。【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖及實施例進行進一步詳細說明本發(fā)明的具體結(jié)構、工作原理及工作過程內(nèi)容:
實施例一:
參見圖f圖3，本自動化控制的轉(zhuǎn)盤式氣動多噴頭生物3D打印成形系統(tǒng)，包括噴射裝置、三維運動機構、成形臺和控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其特征在于:所述的噴射裝置采用轉(zhuǎn)盤式多噴頭噴射裝置，設置在三維運動機構中Zl軸運動機構上而隨Zl軸運動滑塊上下滑動；所述的成形臺安裝在三維運動機構中X軸運動滑塊上；所述的控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是聯(lián)接控制轉(zhuǎn)盤式多噴頭噴射裝置和三維運動機構的電機。
[0029]實施例二:
本實例與實例一基本相同，特別之處如下:
所述轉(zhuǎn)盤式多噴頭噴射裝置包括控制轉(zhuǎn)盤電機、橫梁、電機軸、連接管、轉(zhuǎn)盤、螺母、注射器活塞筒體、注射器針頭、軸套、槽型光電開關和槽型光電開關遮擋物；所述橫梁固定安裝在Zl軸運動滑塊上；所述控制轉(zhuǎn)盤電機通過螺絲固定安裝在橫梁上，電機軸朝下；所述軸套是一個外螺紋套筒，電機軸與軸套一端螺紋連接；所述轉(zhuǎn)盤中間有一個通孔，內(nèi)圈為內(nèi)螺紋，轉(zhuǎn)盤與軸套另一端連接，為內(nèi)外螺紋連接方式；控制轉(zhuǎn)盤電機運行帶動電機軸旋轉(zhuǎn)，同時帶動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)運動，即帶動注射器活塞筒體和注射器針頭旋轉(zhuǎn)；所述轉(zhuǎn)盤上方表面安裝4個連接管，連 接管周向均勻分布在轉(zhuǎn)盤上，連接管上連接氣管，有氣泵提供氣體；所述轉(zhuǎn)盤下方加工4個內(nèi)螺紋孔，所述螺母上部分外表面加工成外螺紋，螺母的上表面加工達成菱形凸臺，能夠裝進注射器活塞筒體，注射器活塞筒體注入材料溶液，并一起與轉(zhuǎn)盤內(nèi)外螺紋連接，連接之間通過密封圈密封，以防漏氣；通過氣泵提供氣體將注射器活塞筒體中的材料溶液從注射器針頭中擠出；所述槽型光電開關固連在橫梁下方，槽型光電開關遮擋物固連在轉(zhuǎn)盤上表面，控制轉(zhuǎn)盤電機運行轉(zhuǎn)動后帶動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，即槽型光電開關遮擋物旋轉(zhuǎn)碰到槽型光電開關的信號，停止轉(zhuǎn)盤運動，即注射器針頭到達指定的位置。
[0030]所述的三維運動機構由X軸運動機構、Y軸運動機構、Zl軸運動機構和Z2軸運動機構聯(lián)接成一體，Zi軸運動機構通過橫梁與噴射裝置與連接。
[0031]所述X軸運動機構包括X軸運動導軌與X軸運動滑塊滑配；所述Y軸運動機構包括Y軸運動導軌與Y軸運動滑塊滑配；所述Zl軸運動機構包括Zl軸運動導軌與Zl軸運動滑塊滑配；所述Z2軸運動機構包括Z2軸運動導軌與Z2軸運動滑塊滑配；所述X軸運動導軌與所述Y軸運動滑塊固接，Zl軸運動導軌和Z2軸運動導軌平行豎直固定在一個底板上，Y軸運動導軌平行也固定在底板上。
[0032]所述的成形臺是一個成形平臺，成形平臺與所述的X軸運動機構固連。
[0033]所述的控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括一個計算機系統(tǒng)聯(lián)接一個控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)聯(lián)接用于控制轉(zhuǎn)盤式多噴頭噴射裝置和三維運動機構的電機。
[0034]實施例三:
參見圖4，利用上述系統(tǒng)進行生物3D打印成形方法，實現(xiàn)非均質(zhì)多種材料梯度的再生骨支架制備，其特征在于:包括如下操作步驟:
a.在制備成形支架前，通過CT掃描重建得到三維模型，用數(shù)據(jù)處理軟件進行模型分層，得到成形的坐標G代碼，將文件輸入到計算機控制軟件中；b.將混合的3D打印材料溶液分別裝載于活塞式注射器的注射器活塞筒體中，消除注射器活塞筒體中的氣泡，再將注射器活塞筒體安裝在轉(zhuǎn)盤上；
c.將轉(zhuǎn)盤式多噴頭噴射裝置與三維運動機構連接在一起，安裝在Zl軸運動滑塊上，利用控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)驅(qū)動三維運動機構以及噴射裝置的電機，再通過噴射裝置的電機來控制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，通過槽型光電開關來確定注射器針頭的精確位置，然后通過氣泵提供氣壓來控制注射器活塞筒體中液體擠出，從而控制注射器針頭的輸出液流的速度；
d.根據(jù)預設的支架結(jié)構與坐標G代碼，在計算機系統(tǒng)程序控制下，在空間的指定位置通過3D打印方式加工出非均質(zhì)多種材料梯度的再生骨支架制品。
[0035]實施例四:
本自動化控制的轉(zhuǎn)盤式氣動多噴頭生物3D打印成形系統(tǒng)，如圖1~圖3所示，包括噴射裝置1、三維運動機構I1、成形臺II1、控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)IV。所述的噴射裝置I采用轉(zhuǎn)盤式多噴頭噴射裝置，該轉(zhuǎn)盤式多噴頭噴射裝置6包括控制轉(zhuǎn)盤電機61、橫梁62、電機軸63、連接管64、轉(zhuǎn)盤65、螺母66、注射器活塞筒體67、注射器針頭68、軸套69、槽型光電開關71、槽型光電開關遮擋物72 ;所述轉(zhuǎn)盤式多噴頭裝置設置在三維運動機構中Zl軸運動機構3上，與Zl軸運動滑塊33上下滑動；所述成形臺III安裝在三維運動機構中X軸運動滑塊13上。 [0036]本發(fā)明中，所述轉(zhuǎn)盤65可以采用圓形、正方形、長方形或多邊形，本實施例中，轉(zhuǎn)盤65為圓形，如圖1、圖2所示。
[0037]圖1為本發(fā)明三維運動機構的機構示意圖，所述三維運動機構II包括X軸運動機構1、Y軸運動機構2、Zl軸運動機構3、Z2軸運動機構4 ;所述X軸運動機構I包括X軸運動導軌及X軸運動滑塊13 ;所述Y軸運動機構2包括Y軸運動導軌及Y軸運動滑塊；所述Y軸運動導軌包括Y軸絲杠22和Y軸光桿23 ；Y軸運動滑塊包括Y軸運動滑塊一 24和Y軸運動滑塊二 25 ;所述X軸絲杠12固連在所述Y軸運動滑塊一 24和Y軸運動滑塊二 25上；X軸運動滑塊13套接在所述X軸運動導軌上；Χ軸運動控制電機11的電機軸與X軸絲杠12固連；X軸運動控制電機11轉(zhuǎn)動時，X軸運動滑塊13做X軸平動；所述Y軸運動軌跡包括Y軸絲杠22和Y軸光桿23 ;所述Y軸絲杠22和Y軸光桿23固接在所述底板9上；所述Y軸運動滑塊一 24和Y軸運動滑塊二 25分別套接在Y軸絲杠22和Y軸光桿23上；所述Y軸運動控制電機21的電機軸與Y軸絲杠22固連；Υ軸運動控制電機21轉(zhuǎn)動時，所述Y軸運動滑塊做Y軸平動；所述Zl軸運動機構和Ζ2軸運動機構分別固連在基座1、基座2上，所述Zl軸運動機構3包括Zl軸運動導軌及Zl軸運動滑塊33 ;所述Ζ2軸運動機構4包括Ζ2軸運動導軌及Ζ2軸運動滑塊43 ；Z1軸運動滑塊33套接在所述Zl軸運動導軌上；Z1軸運動控制電機31的電機軸與Zl軸絲杠32固連；Z1軸運動控制電機31轉(zhuǎn)動時，Zl軸運動滑塊33做Zl軸平動(LI軸運動滑塊43套接在所述Z2軸運動導軌上(LI軸運動控制電機41的電機軸與Z2軸絲杠42固連；Z2軸運動控制電機41轉(zhuǎn)動時，Z2軸運動滑塊43做Z2軸平動；所述成形平臺5可以隨著X軸運動機構1、Y軸運動機構2—起做X、Y 二維方向運動。
[0038]圖2為本發(fā)明噴射裝置I的結(jié)構示意圖，所述的噴射裝置I采用轉(zhuǎn)盤式多噴頭噴射裝置6。該轉(zhuǎn)盤式多噴頭噴射裝置6包括控制轉(zhuǎn)盤電機61、橫梁62、電機軸63、連接管64、轉(zhuǎn)盤65、螺母66、注射器活塞筒體67、注射器針頭68、軸套69、槽型光電開關71、槽型光電開關遮擋物72構成；所述橫梁62安裝在Zl軸運動滑塊33上；所述控制轉(zhuǎn)盤電機61通過螺絲安裝在橫梁62上，電機軸63朝下放置；所述軸套69是一個外螺紋套筒，電機軸63與軸套69 —端連接；所述轉(zhuǎn)盤65中間有一個通孔，內(nèi)圈為內(nèi)螺紋，轉(zhuǎn)盤65與軸套69另一端連接，為內(nèi)外螺紋連接方式；控制轉(zhuǎn)盤電機61運行帶動電機軸63旋轉(zhuǎn)，同時帶動轉(zhuǎn)盤65旋轉(zhuǎn)運動，即帶動注射器活塞筒體67和注射器針頭68旋轉(zhuǎn)；所述轉(zhuǎn)盤65上方表面安裝4個連接管64，連接管64周向均勻分布在轉(zhuǎn)盤65上，連接管64上連接氣管，有氣泵提供氣體；所述轉(zhuǎn)盤65下方加工4個內(nèi)螺紋孔，所述螺母66上部分外表面加工成外螺紋，螺母66的上表面加工達成如圖4所示，能夠裝進注射器活塞筒體67，注射器活塞筒體67注入材料溶液，并一起與轉(zhuǎn)盤65內(nèi)外螺紋連接，連接之間通過密封圈密封，以防漏氣。通過氣泵提供氣體將注射器活塞筒體67中的材料溶液從注射器針頭68中擠出；所述槽型光電開關固連在橫梁62下方，槽型光電開關遮擋物固連在轉(zhuǎn)盤65上表面，控制轉(zhuǎn)盤電機61運行轉(zhuǎn)動后帶動轉(zhuǎn)盤65旋轉(zhuǎn)，即槽型光電開關遮擋物旋轉(zhuǎn)碰到槽型光電開關的信號，停止轉(zhuǎn)盤65運動，即注射器針頭68到達指定的位置。
[0039]圖3為本發(fā)明螺母66的視圖，所述螺母66的上表面加工樣式為注射器活塞筒體67上方的模型，能夠剛好將注射器活塞筒體67放進去夾住，螺母66外圓柱上表面加工為外螺紋，與轉(zhuǎn)盤65下方的內(nèi)螺紋孔連接。
[0040]本發(fā)明所述的自動化控制的轉(zhuǎn)盤式氣動多噴頭生物3D打印成形系統(tǒng)，所述控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括計算機系統(tǒng)8和控制系統(tǒng)。
[0041]在本實施例中，結(jié)合圖f圖4，利用本實施例自動化控制的轉(zhuǎn)盤式氣動多噴頭生物3D打印成形系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)盤式多噴頭裝置與進行生物3D打印機構成一體化，能實現(xiàn)非均質(zhì)多種材料梯度的三維骨支架，其非均質(zhì)多種材料梯度的三維骨支架制備的方法，敘述如下:
成形支架前，通過CT掃描后進行三維重建，補缺得到STL模型文件，然后通過前置處理系統(tǒng)處理后生成加工路徑文件，得到成形的坐標G代碼。將加工參數(shù)輸入到計算機控制軟件。
[0042]選擇實驗的材料，本實施例中用PLAG和TCP溶液按照合適的比例配制溶液，裝入注射器活塞筒體67 (a)中；用海藻酸鈉和TCP溶液按照合適的比例配制溶液，裝入注射器活塞筒體67(b)中；用明膠和殼聚糖溶液按照合適的比例配制溶液，裝入注射器活塞筒體67(c)中，制備成形材料備用。
[0043]開啟三維運動機構II的開關，先將注射器活塞筒體67 (a)通過手動控制調(diào)節(jié)到成形臺指定的位置，通過氣泵提供氣體來擠壓注射器活塞筒體67 (a)中的溶液，調(diào)整氣壓速度達到溶液均勻的針頭擠出時，然后通過計算機控制系統(tǒng)發(fā)出命令按照程序運行成形平臺5，當制備出需要的層數(shù)時，注射器活塞筒體67 (a)中的氣體通過繼電器停止供氣，啟動控制轉(zhuǎn)盤電機61運行至槽型光電開關遮擋物72碰到槽型光電開關71信號時，控制轉(zhuǎn)盤電機61停止運行，注射器活塞筒體67 (b)精確到達成形平臺5指定位置，此時接通注射器活塞筒體67(b)中的氣體，調(diào)整氣壓速度達到均勻的針頭擠出時，控制成形平臺5程序繼續(xù)運行，當制備出需要的層數(shù)時，注射器活塞筒體67(b)中的氣體通過繼電器停止供氣，這樣循環(huán)往復，制 備出非均質(zhì)多種材料梯度的再生骨支架。
[0044]成形支架后，依照特定程序?qū)⒊尚纹脚_5移出成形加工區(qū)域，再將其取出。
[0045]將支架放入冷凍干燥機中，進行冷凍干燥處理，得到常溫下為固態(tài)的支架，產(chǎn)生微孔結(jié)構，復雜支架的制備工作完成。
[0046]在本實施例中，參見圖1~圖4，利用本實施例自動化控制的轉(zhuǎn)盤式氣動多噴頭生物3D打印成形系統(tǒng)，通過成形平臺5運動來制備出非均質(zhì)多種材料梯度的復雜三維支架。此外利用本發(fā)明提供的自動化控制的轉(zhuǎn)盤式氣動多噴頭生物3D打印成形系統(tǒng)，可實現(xiàn)自動化程度高、易控制，生產(chǎn)操作簡單，工藝控制容易，生產(chǎn)效率高。
[0047]上面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例進行了說明，但本發(fā)明不限于上述實施例，還可以根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明創(chuàng)造的目的做出多種變化，凡依據(jù)本發(fā)明技術方案的精神實質(zhì)和原理下做的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，只要符合本發(fā)明的發(fā)明目的，只要不背離本發(fā)明自動化控制的轉(zhuǎn)盤式氣動多噴頭生物3D打印成形系統(tǒng)的技術原理和發(fā)明構思，都屬于本 發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種自動控制的轉(zhuǎn)盤式氣動多噴頭生物3D打印成形系統(tǒng)，包括噴射裝置(I )、三維運動機構(II )、成形臺(III)和控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(IV)，其特征在于:所述的噴射裝置(I )采用轉(zhuǎn)盤式多噴頭噴射裝置(6)，設置在三維運動機構(II )中Zl軸運動機構(3)上而隨Zl軸運動滑塊(33)上下滑動；所述的成形臺(III)安裝在三維運動機構(II )中X軸運動滑塊(13)上；所述的控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(IV)是聯(lián)接控制轉(zhuǎn)盤式多噴頭噴射裝置(6)和三維運動機構(II )的電機。
2.根據(jù)權利要求1所述的自動控制的轉(zhuǎn)盤式氣動多噴頭生物3D打印成形系統(tǒng)，其特征在于:所述轉(zhuǎn)盤式多噴頭噴射裝置(6)包括控制轉(zhuǎn)盤電機(61)、橫梁(62)、電機軸(63)、連接管(64)、轉(zhuǎn)盤(65)、螺母(66)、注射器活塞筒體(67)、注射器針頭(68)、軸套(69)、槽型光電開關(71)和槽型光電開關遮擋物(72);所述橫梁(62)固定安裝在Zl軸運動滑塊(33)上；所述控制轉(zhuǎn)盤電機(61)通過螺絲固定安裝在橫梁(62)上，電機軸(63)朝下；所述軸套(69)是一個外螺紋套筒，電機軸(63)與軸套(69) 一端螺紋連接；所述轉(zhuǎn)盤(65)中間有一個通孔，內(nèi)圈為內(nèi)螺紋，轉(zhuǎn)盤(65)與軸套(69)另一端連接，為內(nèi)外螺紋連接方式；控制轉(zhuǎn)盤電機(61)運行帶動電機軸(63)旋轉(zhuǎn)，同時帶動轉(zhuǎn)盤(65)旋轉(zhuǎn)運動，即帶動注射器活塞筒體(67)和注射器針頭(68)旋轉(zhuǎn)；所述轉(zhuǎn)盤(65)上方表面安裝4個連接管(64)，連接管(64)周向均勻分布在轉(zhuǎn)盤(65)上，連接管(64)上連接氣管，有氣泵提供氣體；所述轉(zhuǎn)盤(65)下方加工4個內(nèi)螺紋孔，所述螺母(66)上部分外表面加工成外螺紋，螺母(66)的上表面加工達成菱形凸臺，能夠裝進注射器活塞筒體(67)，注射器活塞筒體(67)注入材料溶液，并一起與轉(zhuǎn)盤(65)內(nèi)外螺紋連接，連接之間通過密封圈密封，以防漏氣；通過氣泵提供氣體將注射器活塞筒體(67)中的材料溶液從注射器針頭(68)中擠出；所述槽型光電開關(71)固連在橫梁(62)下方，槽型光電開關遮擋物(72)固連在轉(zhuǎn)盤(65)上表面，控制轉(zhuǎn)盤電機(61)運行轉(zhuǎn)動后帶動轉(zhuǎn)盤(65)旋轉(zhuǎn)，即槽型光電開關遮擋物(72)旋轉(zhuǎn)碰到槽型光電開關(71)的信號，停止轉(zhuǎn)盤(65)運動，即注射器針頭(68)到達指定的位置。
3.根據(jù)權利要求1所述的自動控制的轉(zhuǎn)盤式氣動多噴頭生物3D打印成形系統(tǒng)，其特征在于:所述的三維運動機構(II )由X軸運動機構(I)、Y軸運動機構(2)、Zl軸運動機構(3)和Z2軸運動機構(4)聯(lián)接成一體，Zl軸運動機構(3)通過橫梁(62)與噴射裝置(I )與連接。
4.根據(jù)權利要求3所述的自動控制的轉(zhuǎn)盤式氣動多噴頭生物3D打印成形系統(tǒng)，其特征在于:所述X軸運動機構(I)包括X軸運動導軌與X軸運動滑塊(13)滑配；所述Y軸運動機構(2)包括Y軸運動導軌與Y軸運動滑塊滑配；所述Zl軸運動機構(3)包括Zl軸運動導軌與Zl軸運動滑塊(33)滑配；所述Z2軸運動機構(4)包括Z2軸運動導軌與Z2軸運動滑塊(43)滑配；所述X軸運動導軌與所述Y軸運動滑塊固接，Zl軸運動導軌和Z2軸運動導軌平行豎直固定在一個底板(9)上，Y軸運動導軌(24、25)平行也固定在底板(9)上。
5.根據(jù)權利要求1所述的自動控制的轉(zhuǎn)盤式氣動多噴頭生物3D打印成形系統(tǒng)，其特征在于:所述的成形臺(III)是一個成形平臺(5)，成形平臺(5)與所述的X軸運動機構(I)固連。
6.根據(jù)權利要求1所述的自動控制的轉(zhuǎn)盤式氣動多噴頭生物3D打印成形系統(tǒng)，其特征在于:所述的控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(IV)包括一個計算機系統(tǒng)(8)聯(lián)接一個控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)聯(lián)接用于控制轉(zhuǎn)盤式多噴頭噴射裝置(6)和三維運動機構(II )的電機。
7.一種利用權利要求1所述的自動控制的轉(zhuǎn)盤式氣動多噴頭生物3D打印成形方法，實現(xiàn)非均質(zhì)多種材料梯度的再生骨支架制備，其特征在于:包括如下操作步驟: a.在制備成形支架前，通過CT掃描重建得到三維模型，用數(shù)據(jù)處理軟件進行模型分層，得到成形的坐標G代碼，將文件輸入到計算機控制軟件中； b.將混合的3D打印材料溶液分別裝載于活塞式注射器的注射器活塞筒體(67)中，消除注射器活塞筒體(67)中的氣泡，再將注射器活塞筒體安裝在轉(zhuǎn)盤上； c.將轉(zhuǎn)盤式多噴頭噴射裝置(6)與三維運動機構(II)連接在一起，安裝在Zl軸運動滑塊(33)上，利用控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)驅(qū)動三維運動機構(II )以及噴射裝置的電機，再通過噴射裝置的電機來控制轉(zhuǎn)盤(65)轉(zhuǎn)動，通過槽型光電開關(71)來確定注射器針頭(68)的精確位置，然后通過氣泵提供氣壓來控制注射器活塞筒體(67)中液體擠出，從而控制注射器針頭出8)的輸出液流的速度； d.根據(jù)預設的支架結(jié)構與坐標G代碼，在計算機系統(tǒng)程序控制下，在空間的指定位置通過3D打印方式加工出非均質(zhì)多種材料梯度的再生骨支架制品。
【文檔編號】A61F2/28GK103948456SQ201410162181
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月22日 優(yōu)先權日:2014年4月22日
【發(fā)明者】江鄭龍, 劉媛媛, 李瑜, 鄭璐璐, 謝明亮, 胡慶夕 申請人:上海大學