[發明專利]連續變纖維直徑的擠出式3D打印方法、打印系統和應用

在審

• 申請號: 202211082302.9
• 申請日: 2022-09-06
• 公開（公告）號: CN115476508A
• 公開（公告）日: 2022-12-16
• 發明（設計）人: 阮長順;屈華偉
• 申請（專利權）人: 深圳先進技術研究院
• 主分類號: B29C64/165
• 分類號: B29C64/165;B29C64/393;B29C64/386;B33Y10/00;B33Y50/02;B33Y50/00
• 代理公司: 深圳市科進知識產權代理事務所(普通合伙) 44316
• 代理人: 劉建偉

1.一種連續變纖維直徑的擠出式3D打印方法，其特征在于，建立打印速度與纖維的截面面積的函數關系，確定擠出頭高度與纖維狀態的對應關系；通過設計打印路徑各處的打印速度和/或擠出頭高度，形成變打印速度和/或變擠出頭高度打印，實現連續變直經纖維的逐層堆積成型，精確控制成型后各處的纖維直徑。

2.根據權利要求1所述的連續變纖維直徑的擠出式3D打印方法，其特征在于，將β-TCP和分子量為14000的PCL按重量比1∶4的混合，制備成β-TCP/PCL墨水。

3.根據權利要求2所述的連續變纖維直徑的擠出式3D打印方法，其特征在于，擠壓參數為：擠出氣壓為400kPa，擠出頭內徑尺寸為400μm，加熱溫度為72℃時，打印速度與β-TCP/PCL纖維的截面面積的函數關系建立過程如下：

基于質量守恒定律，考慮單位時間內通過擠出頭的墨水體積和沉積纖維的單位長度，如下(式1.1)所示：

式中，V為單位時間內β-TCP/PCL墨水被擠出的體積(mm³)；Q為擠出頭的流量(mm³/s)，可由公式(1.2)確定，Q＝3.75mm³/s；Δt為單位時間(s)；S為擠出式3D打印β-TCP/PCL纖維的截面面積(mm²)；Δl為單位時間內擠出式3D打印β-TCP/PCL纖維的長度(mm)；

式中，Q為β-TCP/PCL墨水被擠出的流量(mm³/s)；m為180s的時間內被擠出墨水的質量(g)，通過電子天平稱量獲得；ρ為β-TCP/PCL墨水的密度(kg/m³)，忽略相變對其密度的影響；t為擠出β-TCP/PCL墨水所用的時間，t＝180s；

式中，U為β-TCP/PCL墨水擠出的流速(mm/s)；Q為β-TCP/PCL墨水擠出的流量(mm³/s)；D為擠出頭內徑尺寸，D＝400μm；

由(式1.1)可得打印速度和纖維截面面積的關系，如下(式1.4)所示：

式中，v為打印速度(mm/s)；S為β-TCP/PCL纖維的截面面積(mm²)。

4.根據權利要求2所述的連續變纖維直徑的擠出式3D打印方法，其特征在于，始終控制打印速度為β-TCP/PCL墨水擠出的流速的2-20倍。

5.根據權利要求2所述的連續變纖維直徑的擠出式3D打印方法，其特征在于，始終控制擠出頭高度為擠出頭內徑的0.4-1.0倍。

6.根據權利要求1所述的連續變纖維直徑的擠出式3D打印方法，其特征在于，墨水材料為PCL，或GelMA。

7.根據權利要求1所述的連續變纖維直徑的擠出式3D打印方法，其特征在于，擠出式3D打印為常溫擠出式3D打印或低溫冷凍擠出式3D打印。

8.一種采用如權利要求1-7任意一項所述的連續變纖維直徑的擠出式3D打印方法的3D打印系統，其特征在于，包括用于裝入墨水的打印頭，位于所述打印頭的下端用于擠出墨水的擠出頭，以及用于放置打印產品的支撐平臺和控制裝置；所述擠出頭與支撐平臺之間的垂直距離為擠出頭高度，所述擠出頭的運動速度稱為打印速度；其中，擠出頭高度和打印速度根據所述控制裝置進行調整變化。

9.一種如權利要求1-7任意一項所述的連續變纖維直徑的擠出式3D打印方法在打印梯度孔隙組織工程支架中的應用，其特征在于，所述支架包括骨組織工程支架、軟骨組織工程支架、半月板組織工程支架和血管組織工程支架。

10.一種如權利要求1-7任意一項所述的連續變纖維直徑的擠出式3D打印方法在打印可穿戴柔性傳感器或超結構中的應用。