[發(fā)明專利]一種仿生階層通孔材料的3D打印系統(tǒng)與方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110370543.2
• 申請日: 2021-04-07
• 公開（公告）號: CN113085181B
• 公開（公告）日: 2022-03-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周雪莉;劉慶萍;任雷;任露泉;韓志武;李冰倩;宋正義;李桂偉;吳千;王振國;何禹霖;劉昊;楊新宇
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號: B29C64/20
• 分類號: B29C64/20;B29C64/393;B29C64/386;B29C64/314;B29C64/336;B33Y30/00;B33Y50/00;B33Y50/02;B33Y40/00;B33Y40/10
• 代理公司: 長春市四環(huán)專利事務(wù)所(普通合伙) 22103
• 代理人: 張冉昕

本發(fā)明涉及多孔材料增材制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種仿生階層通孔材料的3D打印系統(tǒng)與方法，用于制備高比表面積和快傳輸速率兼具的多孔材料樣件。基于擠出式3D打印工藝借助機(jī)械設(shè)計及冷凍結(jié)晶相結(jié)合的方法，可實(shí)現(xiàn)3D打印樣件內(nèi)擠出單道長絲內(nèi)階層通孔結(jié)構(gòu)的貫穿分布，其獨(dú)特的孔隙結(jié)構(gòu)使得相關(guān)材料樣件在催化劑載體、生物細(xì)胞和組織支架、吸附劑、藥物載體等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及多孔材料的增材制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種仿生階層通孔材料的3D打印系統(tǒng)與方法。

背景技術(shù)

階層多孔材料是一類具有兩種及兩種以上孔隙結(jié)構(gòu)，或者含有多種規(guī)格孔徑的多孔材料，因其獨(dú)特的孔結(jié)構(gòu)特性及塊狀體材料的外觀形貌，在催化、分離、吸附、過濾等重要領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間。一般來說，多孔材料的制備方法根據(jù)致孔劑的類型可以分為：溶劑致孔、氣體致孔、固體顆粒致孔、晶體致孔和聚合物模板致孔等，為獲得不同類型、不同規(guī)格的孔隙結(jié)構(gòu)，通常將以上造孔方法的兩種相結(jié)合，例如：溶劑致孔和后交聯(lián)法、聚合物模板致孔和氣體致孔等。但高比表面積和快傳輸速率兼具的多孔材料的制備仍然是一個挑戰(zhàn)。

蓮科植物根莖，如蓮藕，是一種天然的多級結(jié)構(gòu)。整體來說，它含有兩類孔隙結(jié)構(gòu)，一類是規(guī)整有序取向的厘米級的通孔結(jié)構(gòu)，另一類是藕壁上的次級孔結(jié)構(gòu)。介觀尺度的通孔結(jié)構(gòu)有利于氣體的傳輸，微觀尺度的次級孔有助于有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)的傳輸與吸收。兩種孔隙結(jié)構(gòu)形態(tài)不同，功能各異，性能互補(bǔ)。蓮藕特有的階層多孔結(jié)構(gòu)為新型多孔聚合物的設(shè)計提供了思路。復(fù)刻蓮藕階層孔狀結(jié)構(gòu)，有利于獲得與其響應(yīng)的優(yōu)越特性，但傳統(tǒng)制備技術(shù)在實(shí)現(xiàn)仿生藕狀結(jié)構(gòu)材料方面還存在巨大挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中缺乏將生物啟發(fā)的藕狀階層通孔材料工程化的技術(shù)手段，本發(fā)明提供了一種仿生階層通孔材料的3D打印系統(tǒng)與方法。首先是一種仿生階層通孔材料的3D打印系統(tǒng)，再次，提供一種仿生階層通孔材料的3D打印方法。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案具體如下：

一種仿生階層通孔材料的3D打印系統(tǒng)，其具體特征如下，包括：

增材成型制造模塊，其用以控制數(shù)字化造孔擠出模塊在X、Y、Z三維空間內(nèi)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)內(nèi)含宏觀通孔結(jié)構(gòu)擠出單道的三維累積成型；

供料模塊，其用以儲存和輸送打印前驅(qū)體材料及造孔溶液；

實(shí)時氣壓輸送模塊，其用以控制壓縮空氣的輸出，進(jìn)而調(diào)節(jié)數(shù)字化造孔擠出模塊內(nèi)所述前驅(qū)體材料系統(tǒng)及造孔溶液的擠出時間、擠出速度及擠出量；

計算機(jī)控制系統(tǒng)，其基于預(yù)定義內(nèi)含打印程序的三維模型，并將所述可打印模型的結(jié)構(gòu)特征以三維運(yùn)動代碼的方式傳送至所述增材成型制造模塊、供料模塊及實(shí)時氣壓輸送模塊，以使所述增材成型制造模塊能夠獲得數(shù)字化造孔擠出模塊擠出的移動軌跡、供料模塊材料輸送量及實(shí)時氣壓輸送模塊的氣壓信號；

進(jìn)一步地，所述增材成型制造模塊包括：

數(shù)字化造孔擠出模塊，其設(shè)置在增材運(yùn)動硬件系統(tǒng)的中間部位，與供料模塊、實(shí)時氣壓輸送模塊及計算機(jī)控制系統(tǒng)直接相連；

增材運(yùn)動硬件系統(tǒng)，其用于控制數(shù)字化造孔擠出模塊在X、Y、Z三維空間內(nèi)的運(yùn)動。

制冷控溫組件，其設(shè)置在增材成型制造模塊的外圍，使數(shù)字化造孔擠出模塊、增材運(yùn)動硬件系統(tǒng)均位于其內(nèi)部空間，具有制冷控溫的功能；

其中，制冷控溫組件能實(shí)現(xiàn)打印環(huán)境溫度的控制，溫度范圍-20℃～室溫；

其中，所述數(shù)字化造孔擠出模塊包括：

機(jī)械運(yùn)動裝置，其與增材運(yùn)動硬件系統(tǒng)直接相連，接收增材運(yùn)動硬件系統(tǒng)輸出的運(yùn)動信號，控制數(shù)字化造孔擠出模塊的空間運(yùn)動；