靜電拉絲三維打印系統的制作方法
【專利摘要】本發明屬于材料打印和三維成型【技術領域】，整套系統由以下部分構建組成(1)材料擠出裝置；(2)可更換打印噴頭；(3)高壓電場控制裝置；(4)三維移動平臺；(5)環境控制裝置；(6)噴嘴輔熱裝置；(7)攝像頭和光源。不同于傳統的以產生液滴為目的打印方法，該系統直接利用高壓靜電場配合氣動擠出、三維收集和環境控制等輔助手段，直接產生連續的細絲狀材料進行打印。在采用同樣尺寸噴嘴工作的情況下，打印產物尺寸遠小于傳統噴墨和熔融擠出法，成型精度能提高一個量級以上，而且噴頭不易堵塞。通過三維聯動，能對材料進行精密三維打印堆積成型。
【專利說明】靜電拉絲三維打印系統
【技術領域】
[0001]該系統可用于用于多種材料的高精度、無損和快速三維打印；
[0002]可應用于組織工程的快速制備，進行人工組織(血管、軟骨等)的個性化三維成型；
[0003]可用于生物材料支架的3D打印，生化芯片的快速制備，細胞培養基的打印等。
【背景技術】
[0004]目前常用的打印技術有擠出成型、噴墨打印過程和靜電噴霧打印。其中擠出成型、噴墨打印過程液體直接擠出，不施加高壓靜電場，所得產物為液滴，尺寸與管徑相仿或略大。(b)靜電噴霧打印時，雖施加高壓靜電場，不需要擠出壓，但所得產物為不同尺寸的小液滴，比管徑低一個量級。因此急需解決打印產物直徑受針頭尺寸影像的問題。同時傳統打印技術無法加載活性單元的問題也急需解決。
【發明內容】
[0005]而靜電拉絲三維打印，在過程施加高壓靜電場，需要擠出壓以及拉絲收集底座，產物為尺寸均勻的細絲，比管徑小一個量級以上。因此解決了絲的直徑受管徑限制的影響。
[0006]針對現有技術的不足，本發明旨在發明一種可以控制拉絲尺寸并實現三維成型的技術。該拉絲均是一些帶電的生物相容性好的材料，可以混入細胞實現細胞三維打印。也可打印培養基，實現為3D培養的細胞提供營養物質。同時也可以加入藥物和細胞，檢測藥物對單個細胞的影響。
[0007]與現有技術相比，本發明的優勢在于:
[0008]1.可以控制產物的尺寸，解決了傳統材料打印和擠出成型法中擠出絲的直徑受針頭直徑限制和易堵塞的問題；
[0009]2.解決了傳統材料打印方法不能使用以細胞為代表的活體材料的問題；
[0010]3.解決了在已知組織器官的三維數字模型的基礎上，不能定位裝配活細胞/材料單元，制造活體組織或器官的問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1是本系統的結構示意圖；
[0012]圖2是對不同打印方法的比較研究(采用同樣的噴嘴系統，內徑約為100微米)。(a)擠出成型和噴墨打印過程，(b)靜電噴霧打印過程，(C)是靜電拉絲打印過程。
[0013]圖3所示是針管內徑為210微米，用聚氧乙烯(分子量約為30萬)乙酸溶液時打印的圖形。(a)施加高壓靜電場為2000V。(b)調節電壓得到拉絲直徑不同的三維圖形。
【具體實施方式】
[0014]下面結合實例對本發明技術進行進一步說明。
[0015]如圖1所述本發明發明包括:1.氣壓控制材料擠出裝置，用于定速輸出打印材料；2.可更換的，用于不同材料打印的打印噴頭；3.高壓控制源，在打印過程中，提供高壓靜電場，使從針頭擠出的材料受電場力，同時在重力和表面張力等力的作用下拉絲成型，并使拉出的細絲比噴嘴內徑小一個數量級以上；4.三維移動平臺，用于材料堆積成型的控制，使材料堆積形成不同的圖形，以及三維復雜成型。5.環境控制裝置，用于材料的前期處理和打印成型件的后處理，并使打印過程處于合適的溫度和濕度中。6.噴嘴輔熱裝置，用于溫度控制，調節打印溫度至活性材料最適溫度。
[0016]打印過程中，首先通過I的作用，將含有帶電離子的生物材料從打印噴頭2中擠出。同時高壓控制源3在打印噴頭和接收平臺之間形成高壓靜電場。因此打印出的材料收到電場力、表面張力、電場力等力的共同作用。各力達到平衡后便形成了內徑比針頭內徑小一個尺寸以上的細絲。同時三維移動平臺4由電腦控制移，形成不同圖案和立體圖形。在整個過程中6用來達到合適的噴嘴溫度，5來控制整個環境的溫度和濕度。7來實時觀察打印狀態。如圖3所示是針管內徑為210微米，用聚氧乙烯(分子量約為30萬)乙酸溶液用上述方法打印的圖形。
[0017]上述以較佳實例公開了本靜電拉絲3D打印系統，然其并非用以限制本發明技術，凡采用等同替換或者等效替換方式所獲得的技術方案，均落在本發明打印技術的保護范圍之內。
【權利要求】
1.本材料打印成型系統包括(I)材料擠出裝置，用于定速輸出打印材料；(2)可更換打印噴頭，用于不同材料的打印，可打印單種材料，也可以同時打印多種材料；(3)高壓電場控制裝置，用于打印過程的控制，克服打印材料的表面張力，形成細絲。(4)三維移動平臺，用于材料堆積成型的控制；(5)環境控制裝置，用于材料的前期處理和打印成型件的后處理:(6)噴嘴輔熱裝置，用于控制噴嘴溫度，調節噴嘴溫度至活性材料最適溫度。(7)攝像頭和光源，用于實時觀察打印情況。
2.根據權利要求1所述的材料打印成型系統，其特征是，利用高壓靜電場配合氣動擠出、三維收集和環境控制等輔助手段，直接產生連續的精細絲狀材料進行打印。在采用同樣尺寸噴嘴工作的情況下，打印產物尺寸遠小于傳統噴墨和熔融擠出法，成型精度能提高一個量級以上，而且噴頭不易堵塞。
3.根據權利要求1所述的材料打印成型系統的材料擠出裝置，其特征是可將以細胞為代表的活體材料進行直接打印成型，不損害材料本身活性。
4.根據權利要求1所述的材料打印成型系統的三維移動平臺，其特征是，在已知的三維數字模型的基礎上(如活體組織或器官)，可以形成不同速度、形狀的三維復雜移動，定位裝配活細胞/材料單元，進行三維打印成型。
【文檔編號】B29C67/00GK104441655SQ201410587053
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年10月28日 優先權日:2014年10月28日
【發明者】譚志凱, 王洪杰, 譚擁軍 申請人:湖南大學