一種微球分層疊加增材制造方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及生物醫(yī)藥、航天航空、凈化過濾等技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種微球分層疊加增材制造方法，包括微球選擇和預(yù)處理：按照預(yù)設(shè)要求選擇微球材質(zhì)和直徑，進(jìn)行粘合預(yù)處理；微球疊加堆積增材：通過3D打印機(jī)將預(yù)處理的微球進(jìn)行分層疊加增材制造；疊加體的固化成形：粘合層固化或/和凝固形成打印體；打印體的后續(xù)處理：按照微球粘合方法、打印體的材質(zhì)、功能和用途，對所述打印體進(jìn)行后續(xù)處理。本發(fā)明專利技術(shù)能夠有效改變微球堆積單元的接觸點(diǎn)數(shù)和面積，實(shí)現(xiàn)多孔打印體形態(tài)和尺寸以及內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的可控制造。印體形態(tài)和尺寸以及內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的可控制造。印體形態(tài)和尺寸以及內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的可控制造。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種微球分層疊加增材制造方法


[0001]本專利技術(shù)涉及生物醫(yī)藥、航天航空、凈化過濾等
，特別涉及一種微球分層疊加增材制造方法。

技術(shù)介紹

[0002]增材制造,又名3D打印技術(shù)、快速成型技術(shù)、自由成型技術(shù)等，是基于離散
?
堆積原理，在計算機(jī)輔助下采用分層加工、疊加成型的技術(shù)，即通過逐層增加材料來形成3D實(shí)體。因高精度、個性化制造及復(fù)雜形狀構(gòu)建上的獨(dú)特顯著優(yōu)勢，3D打印滲入了各行各業(yè)，并引領(lǐng)創(chuàng)新?，F(xiàn)有增材制造技術(shù)主要分為熔融層積成型技術(shù)、三維印刷技術(shù)、立體平版印刷技術(shù)、選區(qū)激光燒結(jié)、激光成型技術(shù)和紫外線成型技術(shù)等。熔融擠壓堆積成型技術(shù)是最為常用的技術(shù)工藝，其原理是利用熱塑性聚合物材料在熔融狀態(tài)下，從噴頭處擠壓出，凝固形成輪廓形狀薄層，層層地疊加形成產(chǎn)品。在制作過程中，熔融材料與工作臺接觸時會產(chǎn)生瞬時附著力，必須保證合適的附著力才能順利完成打印，用力過大將破壞產(chǎn)品的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，過小無法完成打印體的實(shí)現(xiàn)。熔融材料與工作臺接觸時降溫才可能粘合固定成形，此時會出現(xiàn)附著力的相應(yīng)下降，也將影響打印體的形成。
[0003]增材制造技術(shù)雖有廣泛應(yīng)用前景，但要成為生物醫(yī)用領(lǐng)域的主力成員還有很多問題有待解決：1、基于可選生物材料的局限性，盡管很多可打印材料都具備自己的優(yōu)勢，但作為植入材料既要滿足生理?xiàng)l件的要求，又要與人體有良好的應(yīng)答反應(yīng)；2、基于3D打印采用離散
?
堆積技術(shù)的局限性，使得制品基質(zhì)疏松和微孔較多，尤其金屬和無機(jī)類均采用粉體為原料，打印過程中制品表面和內(nèi)部極易殘留或形成微粒。本專利技術(shù)通過微球精準(zhǔn)分層堆積的方法，為上述問題提供解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

[0004]本專利技術(shù)要解決的技術(shù)問題是克服上述技術(shù)缺陷，為充分發(fā)揮微球形態(tài)規(guī)則均一、力學(xué)強(qiáng)度高、堆積留有孔隙和操作便利等優(yōu)勢，采用微球分層疊加粘合固定的三維快速成形技術(shù)制造多孔打印體；其核心在于精準(zhǔn)控制所述微球形態(tài)和尺寸、粘結(jié)劑和粘結(jié)方法、打印方法和條件等關(guān)鍵要素，改變微球堆積單元的接觸點(diǎn)數(shù)和面積，實(shí)現(xiàn)多孔打印體形態(tài)和尺寸以及內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的可控制造，提供一種微球分層疊加增材制造方法。
[0005]一種微球分層疊加增材制造方法，包括以下步驟：
[0006]步驟S1，微球選擇和預(yù)處理：按照預(yù)設(shè)要求選擇微球材質(zhì)和直徑，進(jìn)行粘合預(yù)處理為下一步做準(zhǔn)備；
[0007]步驟S2，微球疊加堆積增材：通過3D打印機(jī)將預(yù)處理的微球進(jìn)行分層疊加增材制造；
[0008]步驟S3，疊加體的固化成形：粘合層固化或/和凝固形成打印體；
[0009]步驟S4，打印體的后續(xù)處理：按照微球粘合方法、打印體的材質(zhì)、功能和用途，對所述打印體進(jìn)行后續(xù)處理即可。
[0010]進(jìn)一步地，步驟S1中，所述微球材質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)物理或/和化學(xué)方法堆積粘合成形要求，經(jīng)震篩或/和洗篩方法選擇所需微球徑，球徑為10
?
2000μm之間，但不僅限于所述微球徑和篩選方法；
[0011]所述微球材質(zhì)由無機(jī)材料、有機(jī)材料、金屬材料和復(fù)合材料中的至少一種構(gòu)成；
[0012]所述無機(jī)材料包括羥基磷灰石及其摻雜物、磷酸三鈣及其摻雜物、氧化鋁及其摻雜物、氧化鋯及其摻雜物、二氧化鈦及其摻雜物、二氧化硅及其摻雜物、鋁鎂尖晶石及其摻雜物中的至少一種，但不僅限于所述無機(jī)材料；
[0013]所述有機(jī)材料包括食糖、石蠟、油脂、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乳酸、聚醚醚酮中的至少一種，但不僅限于所述有機(jī)材料；
[0014]所述金屬材料包括金及其合金、銀及其合金、銅及其合金、鐵及其合金、鈦及其合金、鉭及其合金、鋁及其合金、鎂及其合金、鋅及其合金中的至少一種，但不僅限于所述金屬材料；
[0015]所述復(fù)合材料由所述無機(jī)材料、有機(jī)材料和金屬材料中的至少二種成分構(gòu)成。
[0016]進(jìn)一步地，所述微球材質(zhì)選用非溶性液體清洗處理，清除所述微球表面的材料微?；?和外來微粒，清除掉的材料微?；?和外來微粒的粒徑小于10μm。
[0017]進(jìn)一步地，所述預(yù)處理是在微球表面形成能夠粘結(jié)微球的粘結(jié)層，其方法包括加熱熔融、溶劑溶解和涂膠粘結(jié)；
[0018]所述加熱熔融是通過升溫熔融微球表層形成熔融層，所述熔融層能夠?qū)⑾嗷ソ佑|的微球粘合為一體，快速降溫使得粘合點(diǎn)固定，所述熔融層厚度為微球徑的0.01％至30％，但不僅限于所述厚度；
[0019]所述溶劑溶解是通過溶劑溶解微球表層形成溶解層，所述溶解層能夠?qū)⑾嗷ソ佑|的微球粘合為一體，快速去除和稀釋溶劑使得粘合點(diǎn)固定；
[0020]所述涂膠粘結(jié)是采用快速固化的瞬干膠或/和光固化粘合膠或/和與微球同質(zhì)的漿料作為膠粘劑，涂裹微球表面形成膠粘層，使得相互接觸的微球粘合為一體，通過快速升溫促進(jìn)所述膠粘層固化或/和凝固使得粘合點(diǎn)固定。
[0021]進(jìn)一步地，所述熔融層、所述溶解層和所述膠粘層處于未固化或未凝固狀態(tài)，形成的粘合層厚度與打印體強(qiáng)度、孔隙率和孔徑密切相關(guān)，隨粘合層厚度增加力學(xué)強(qiáng)度提高，而孔隙率和孔徑則反之；
[0022]打印體內(nèi)最大孔徑為等于或小于微球直經(jīng)，單個微球可形成的孔隙具體計算方法：
[0023]單球形成孔隙量(立方微米)＝微球直徑的立方體體積
–
微球體積＝φ3?
4/3πγ3；
[0024]打印體孔隙率(％)＝單球形成孔隙量
×
打印體微球總數(shù)/打印體體積。
[0025]進(jìn)一步地，在步驟S2中，將所需的預(yù)處理微球通過打印機(jī)的噴頭定量、定速和定向分層疊加堆積于打印機(jī)的載物臺，使得所述微球完成相互粘結(jié)形成疊加體，每個疊加層厚度至少為一個微球徑，也可是多個微球徑厚度，根據(jù)打印體高度決定疊加層數(shù)，其計算方法：
[0026]微球疊加層數(shù)(層)＝打印體高度/微球徑；
[0027]所述定量是指單位時間內(nèi)噴頭所噴出的微球數(shù)量，從1個/秒至100個/秒，但不僅
限于所述定量；
[0028]所述定速是指微球從噴頭所噴出的速度，所述定速為0.001微米/秒至1000米/秒，但不僅限于所述速度；
[0029]所述定向是指微球從噴頭所噴出的方向，可為垂直、平射和斜射等中的至少一種，但不僅限于所述方向。
[0030]進(jìn)一步地，所述步驟S2中，為實(shí)現(xiàn)打印體形態(tài)、尺寸和微結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)制造，需考慮余量控制，所述余量控制在
?
40％至40％之間，但不僅限于所述余量，其計算方法：
[0031]打印體制備尺寸(毫米)＝打印體預(yù)期尺寸/(1
?
余量)，
[0032]余量(％)＝(打印體制備尺寸
?
打印體預(yù)期尺寸)/打印體制備尺寸。
[0033]進(jìn)一步地，步驟S3中，所述加熱熔融采用快速降溫方法使得所述熔融層凝固，實(shí)現(xiàn)微球粘合點(diǎn)固定，所述降溫方法包括吹冷風(fēng)、沖冷水和冷環(huán)境中的至少一種，降溫速度為0.1
?
100℃/秒，降溫時間為0.001
?
...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】

【技術(shù)特征摘要】
1.一種微球分層疊加增材制造方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟S1，微球選擇和預(yù)處理：按照預(yù)設(shè)要求選擇微球材質(zhì)和直徑，進(jìn)行粘合預(yù)處理為下一步做準(zhǔn)備；步驟S2，微球疊加堆積增材：通過3D打印機(jī)將預(yù)處理的微球進(jìn)行分層疊加增材制造；步驟S3，疊加體的固化成形：粘合層固化或/和凝固形成打印體；步驟S4，打印體的后續(xù)處理：按照微球粘合方法、打印體的材質(zhì)、功能和用途，對所述打印體進(jìn)行后續(xù)處理。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微球分層疊加增材制造方法，其特征在于：步驟S1中，所述微球材質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)物理或/和化學(xué)方法堆積粘合的要求，經(jīng)震篩或/和洗篩方法選擇所需微球徑，球徑為10
?
2000μm之間，但不僅限于所述微球徑和篩選方法；所述微球材質(zhì)由無機(jī)材料、有機(jī)材料、金屬材料和復(fù)合材料中的至少一種構(gòu)成；所述無機(jī)材料包括羥基磷灰石及其摻雜物、磷酸三鈣及其摻雜物、氧化鋁及其摻雜物、氧化鋯及其摻雜物、二氧化鈦及其摻雜物、二氧化硅及其摻雜物、鋁鎂尖晶石及其摻雜物中的至少一種，但不僅限于所述無機(jī)材料；所述有機(jī)材料包括食糖、石蠟、油脂、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乳酸、聚醚醚酮中的至少一種，但不僅限于所述有機(jī)材料；所述金屬材料包括金及其合金、銀及其合金、銅及其合金、鐵及其合金、鈦及其合金、鉭及其合金、鋁及其合金、鎂及其合金、鋅及其合金中的至少一種，但不僅限于所述金屬材料；所述復(fù)合材料由所述無機(jī)材料、有機(jī)材料和金屬材料中的至少二種成分構(gòu)成。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種微球分層疊加增材制造方法，其特征在于：所述微球材質(zhì)選用非溶性液體清洗處理，清除所述微球表面的材料微粒或/和外來微粒，清除掉的材料微?；?和外來微粒的粒徑小于10μm。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種微球分層疊加增材制造方法，其特征在于：所述預(yù)處理是在微球表面形成能夠粘結(jié)微球的粘結(jié)層，其方法包括加熱熔融、溶劑溶解和涂膠粘結(jié)；所述加熱熔融是通過升溫熔融微球表層形成熔融層，所述熔融層能夠?qū)⑾嗷ソ佑|的微球粘合為一體，快速降溫使得粘合點(diǎn)固定，所述熔融層厚度為微球徑的0.01％至30％，但不僅限于所述厚度；所述溶劑溶解是通過溶劑溶解微球表層形成溶解層，所述溶解層能夠?qū)⑾嗷ソ佑|的微球粘合為一體，快速去除和稀釋溶劑使得粘合點(diǎn)固定；所述涂膠粘結(jié)是采用快速固化的瞬干膠或/和光固化粘合膠或/和與微球同質(zhì)的漿料作為膠粘劑，涂裹微球表面形成膠粘層，使得相互接觸的微球粘合為一體，通過快速升溫促進(jìn)所述膠粘層固化或/和凝固使得粘合點(diǎn)固定。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種微球分層疊加增材制造方法，其特征在于：所述熔融層、所述溶解層和所述膠粘層處于未固化或未凝固狀態(tài)，形成的粘合層厚度與打印體強(qiáng)度、孔隙率和孔徑密切相關(guān)，隨粘合層厚度增加力學(xué)強(qiáng)度提高，而孔隙率和孔徑則反之；打印體內(nèi)最大孔徑為等于或小于微球直經(jīng)，單個微球可形成的孔隙具體計算方法：單球形成孔隙量(立方微米)＝立方體體積
–
微球體積＝φ3
?
4/3πγ3；打印體孔隙率(％)＝單球形成孔隙量
×
打印體微球總數(shù)/打印體體積。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微球分層疊加增材制造方法，其特征在于：在步驟S2中，
將所需的預(yù)處理微球通過打印機(jī)的噴頭定量、定速和定向分層疊加堆積噴入打印機(jī)的載物臺，使得所述微球完成相互粘結(jié)形成疊加體，每個疊加層厚度至少為一個微球徑，也可是多個微球徑厚度，根據(jù)打印體高度決...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：盧霄，盧建熙，范存義，郝永強(qiáng)，
申請(專利權(quán))人：盧建熙，
類型：發(fā)明
國別省市：