[發(fā)明專利]面向有序梯度多孔材料的3D打印方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110370547.0
• 申請日: 2021-04-07
• 公開（公告）號: CN113103576B
• 公開（公告）日: 2022-01-28
• 發(fā)明（設計）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）人: 吉林大學
• 主分類號: B29C64/188
• 分類號: B29C64/188;B29C64/379;B33Y30/00;B33Y70/10;B33Y40/20;B29C64/40;B33Y80/00
• 代理公司: 長春市四環(huán)專利事務所(普通合伙) 22103
• 代理人: 張冉昕

本發(fā)明涉及增材制造技術領域，特別涉及一種面向有序梯度多孔材料的3D打印系統(tǒng)及方法，用于解決傳統(tǒng)3D打印無法實現(xiàn)擠出單道內各向異性梯度多孔材料的打印問題。具體該系統(tǒng)部分包括：三維成型運動模塊、數(shù)字化超聲輔助制造系統(tǒng)、可控氣壓輸料模塊及計算機控制系統(tǒng)。方法部分包括：內含犧牲模板顆粒打印材料的制備、超聲輔助增材制造及后處理。可實現(xiàn)3D打印中單根擠出長絲內定向孔隙結構由內到外的梯度分布，其獨特的力學特性及物理特性在組織工程、機械領域具有重大應用潛力。

技術領域

本發(fā)明涉及增材制造技術領域，特別涉及一面向有序梯度多孔材料的3D打印方法。

背景技術

自然界生物通過構筑多孔結構在大幅降低自身密度的同時，也能保持優(yōu)異的力學性能（即輕質高強、減震等）高效隔熱、長程液體傳輸?shù)刃阅堋Ｈ绫睒O熊中空多孔的毛發(fā)結構具有極強的保溫隔熱性能；植物桿徑的多孔結構為水分自下而上的定向傳輸提供毛細作用力；骨組織由內到外的梯度多孔結構具有輕質高強的特點。通過對生物材料有序多孔結構的模仿，有望為開發(fā)具有仿生多孔結構與優(yōu)異性能的人工材料提供重要啟示和幫助。

然而，當前傳統(tǒng)制備多孔材料技術（直接模板法、乳液模板法、發(fā)泡法等）僅能實現(xiàn)空隙結構均一、隨機分布，無法滿足我們對仿生有序多孔結構的制備需求，例如骨組織內部由內而外松質骨和密質骨分布，實際是孔徑及孔隙率由內及外逐漸減小的梯度分布模式，具體表現(xiàn)為大孔徑、高孔隙率及低力學特性的松質骨逐漸梯度到小孔徑、低孔隙率及高力學特性的密質骨。復刻相應的骨組織多孔結構，有利于獲得優(yōu)越的力學特性及生理特點。

超聲輔助制造技術有利于促使基質材料內的彌散犧牲模板顆粒呈現(xiàn)一定的集中梯度有序分布模式，基于此原理，我們在擠出式3D打印工藝的基礎上，輔加超聲輔助場，促使彌散增強相梯度有序分布。

本發(fā)明的顯著優(yōu)點在于：1.擠出單道內孔隙密度及孔徑大小由內到外逐漸變小，呈現(xiàn)梯度分布；2.孔隙梯度模式可調可控；3.制備方法簡單易操作、材料適用范圍廣。

發(fā)明內容

針對現(xiàn)有技術中缺乏將生物啟發(fā)的梯度有序多孔材料工程化的技術手段，本發(fā)明提供了一種面向有序梯度多孔材料的3D打印系統(tǒng)及方法。首先是一種面向有序梯度多孔材料的3D打印系統(tǒng)，再次，提供一種面向有序梯度多孔材料的3D打印方法。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案具體如下：

面向有序梯度多孔材料的3D打印系統(tǒng)，其特征在于，包括：

三維成型制造模塊，其用以將內含梯度有序犧牲模板顆粒的材料系統(tǒng)，從材料擠出模塊擠出，然后控制材料擠出模塊在X、Y、Z三維空間內運動，實現(xiàn)內含梯度有序犧牲模板顆粒的擠出單道的累積成型；

數(shù)字化超聲輔助系統(tǒng)，其用以在材料擠出模塊輔加超聲輔助系統(tǒng)，促使基質材料內犧牲模板顆粒呈現(xiàn)一定模式的有序分布；

可控氣壓輸料模塊，其用以控制壓縮空氣的輸出，進而調節(jié)材料擠出模塊內所述材料系統(tǒng)的擠出時間、擠出速度及擠出量；

計算機控制系統(tǒng)，其基于預定義內含打印程序的三維模型，并將所述可打印模型的結構特征以三維運動代碼的方式傳送至所述三維成型制造模塊、數(shù)字化超聲輔助系統(tǒng)及可控氣壓輸料模塊，以使所述三維成型制造模塊能夠獲得輸出材料擠出模塊的移動軌跡、數(shù)字化超聲輔助系統(tǒng)獲得輸出材料擠出模塊的橫向振動振幅與頻率、可控氣壓輸料模塊獲得輸出材料擠出模塊的材料擠出時間、擠出速度與擠出量；

進一步地，所述三維成型制造模塊包括：

材料擠出模塊，其設置在三維運動硬件系統(tǒng)的中間部位，與數(shù)字化超聲輔助系統(tǒng)、可控氣壓輸料模塊及計算機控制系統(tǒng)直接相連；

三維運動硬件系統(tǒng)，其用于控制材料擠出模塊的空間內的運動。

進一步地，所述材料擠出模塊包括：