一种加式和减式制造结合的仿生结构一体化成形设备的制作方法
【专利摘要】一种加式和减式制造结合的仿生结构一体化成形设备，属于组织工程【技术领域】。本实用新型主要包括箱体、支架、多喷头喷射装置、减式制造机构、成形台、温控及制冷装置、三维运动机构、原料箱以及控制系统。本实用新型采用喷头挤出成型与减式制造相结合的复合式加工装置，同时结合多喷头喷射装置竖直移动以及成形台旋转偏转运动，使各喷头可独立挤出成型并辅助以铣、钻、镗、摩、攻丝等减式制造手段，从而实现多喷头成型与减式制造精加工协同作用下的仿生结构高效堆积一体化成形及后处理过程。
【专利说明】一种加式和减式制造结合的仿生结构一体化成形设备
【技术领域】
[0001]本实用新型属于组织工程【技术领域】，特别涉及一种加式和减式制造结合的仿生结构的一体化成形设备的设计。
【背景技术】
[0002]加式制造中的快速成型技术是目前较为热门的一门交叉学科。其区别于传统制造业加工方式的主要特点为逐层堆积的增加式成形。快速成型技术应用领域非常广泛，如制造、医药、生物、建筑、艺术以及工业设计等。
[0003]20世纪80年代末面世的快速成形技术作为先进制造技术中比较重要的一员逐步进入组织工程的成形领域，其开创的加式新工艺为解决传统的材料成形技术所存在的问题提供了新的思路。快速成型技术在组织工程中的生物支架及模具制造方面应用最为迅速，美国的麻省理工学院、卡内基梅隆大学、密歇根大学、新加坡国立大学和国内的清华大学都在从事这方面的研究工作。其中，有的研究者采用现有的快速成形工艺设备和材料直接成形，如新加坡国立大学Hutmacher的研究小组、麻省理工学院M.J.Cima的研究小组和卡内基梅隆大学的骨组织工程中心。而另外一些研究者则致力于为组织工程的支架材料开发新的快速成形工艺，以满足支架成形的特殊要求，如清华大学的激光快速成形中心。经过近20年的持续努力，实现三维快速成型已有SLA、FDM、3DP、SLS和LOM等几大类技术。
[0004]低温沉积制造工艺(LDM)是由清华大学机械系材料加工技术研究所针对生物材料成形的特殊要求而开发的新工艺。低温沉积制造是指将支架材料制成液态，经由喷头，将溶液以丝状挤出，在低温成形室中堆积成形。
[0005]低温沉积制造具体的工艺过程为:用三维建模软件建立三维模型，用分层处理软件将模型分层，得到用于成形的坐标代码；选择实验的材料，按照合适的比例配制溶液，制成备用；将材料加入到成形设备的各喷头的喷射器中，计算机中的控制软件根据输入的层片文件和设定的加工参数控制各喷头的扫描运动和挤压/喷射运动。在低温成形室中，从喷头中出来的材料迅速凝固且相互粘接在一起，堆积成形冷冻支架；将冷冻支架放入冷冻干燥机中，进行冷冻干燥处理，去除溶剂，得到常温下为固态的支架。在此过程中，溶剂的升华使冷冻支架内产生微孔结构。
[0006]目前清华大学机械系已经有了相应的单喷头和双喷头的三维支架受控成型装置，并且对喷头的设计和成形性能做了相关研究，设计并制作了活塞挤压喷头。如清华大学先进制造快速成形实验室自主研发的CLRF-2000-1I型生物材料快速成形机。同时清华大学机械系还保有部分快速成型机的改进型专利，改进方面如:独立运动的多喷头喷射，包含史都华运动机构的六维成型台，矩阵式或转盘式多喷头排列等。
[0007]然而快速原型技术由于其逐层叠加的加工方式导致了其产品的一大劣势，其成型出的生物支架外形具有高度相同的台阶型纹路，成型体内腔和外表面不光滑，无法达到高精度尺寸的要求，产品成形后还需后期处理，效率较低等。原有的快速原型设备无法完全满足成型具有光滑高精度内外表面的支架材料的要求，复合内腔外壁打磨、铣平面凹槽、精确定位打孔等工序的一体化成形设备的设计和研发便成为必然。而现今各高校和研究机构的相关研发目标仅限为降低效率、减小成型时的层距和喷头位移以相对提高精度和光洁度，并不能从根本上解决如何实现成形材料光滑的内腔和外表面、在某些相对位置要求高的地方保证高精度，减少工序提高效率等问题，由传统机械工业加工方式的优势汲取灵感，带减式制造机构的快速原型加工系统必将成为未来的发展趋势。
[0008]中国专利文献(申请号201110205970.1，201010193213.2，200910093785.0)所涉
及的一种固定式多喷头复杂器官前体三维成形加工系统、一种复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置、转盘式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统等，其喷射装置均为固定式，只包含三维运动装置一个运动机构，喷头组件排列在矩形盘或圆盘上，不同喷头组件装有不同的成形材料。但固定式多喷头成形系统有以下不足之处:
[0009]①固定式喷射装置只能用喷头进行加工和尺寸控制，成型体表面和内腔粗糙，需要后期处理如打磨、钻孔、铣平面等，成型效率低；
[0010]②成形台只能依靠三维运动装置进行运动，加工圆截面和圆环截面类材料成型时位置参数由相互垂直的X轴Y轴控制，精确度有待提高；
[0011]③固定式喷头均为螺杆挤压式且不可更换，在进行加工时存在结构性弊端，无法精细控制被挤出材料的多少；
[0012]④喷射装置各喷头只有一个喷嘴，在进行多方位成形时局限性较大。
[0013]⑤原料由喷头挤出之前无加热处理，加工成型难度会随材料熔点不同而变化。
实用新型内容
[0014]本实用新型针对已有技术的不足之处，提供一种加式和减式制造结合的仿生结构的一体化成形设备，该系统采用喷头挤出成型与减式制造相结合的复合式加工装置，同时结合多喷头喷射装置竖直移动以及成形台旋转偏转运动，使各喷头可独立挤出成型并辅助以铣、钻、镗、摩、攻丝等减式制造手段，从而实现多喷头成型与减式制造精加工协同作用下的高效堆积一体化成形及后处理过程。
[0015]本实用新型的技术方案如下:一种加式和减式制造结合的仿生结构的一体化成形设备，所述一体化成形设备包括箱体、多喷头喷射装置、三维运动机构、成形台、温控及制冷装置、原料箱、灭菌器件及控制单元；所述三维运动机构和成形台设置在箱体内部，所述三维运动机构包括X轴运动机构、Y轴运动机构及Z轴运动机构；所述成形台固定于三维运动机构上，其特征在于:所述一体化成形设备还包括一个减式制造机构，所述的减式制造机构包括机头和机座，所述机头包括夹持装置、异步电机和加工刀头，所述机座固定在所述箱体上，所述机头通过丝杠滑块机构安装在机座上；所述异步电机的输出轴与所述夹持装置相连接，所述夹持装置设置在机头下方；所述加工刀头安装在所述夹持装置中；所述多喷头喷射装置通过支架安装在所述机头前面。
[0016]本实用新型所述的一种加式和减式制造结合的仿生结构的一体化成形设备，其特征在于:所述减式制造机构中的加工刀头包括铣刀、镗刀、钻头、丝锥、砂轮、磨光轮或毛刷。
[0017]本实用新型所述的一种加式和减式制造结合的仿生结构的一体化成形设备，其特征在于:所述多喷头喷射装置包括喷头、喷头支架、喷头支架丝杠、喷头支架导轨和喷头支架电机，所述喷头支架丝杠和喷头支架导轨固定在所述支架上；所述喷头支架设置在喷头支架丝杠和喷头支架导轨上，沿喷头支架导轨上下运动；所述喷头支架电机采用步进电机或伺服电机。
[0018]本实用新型所述的一种加式和减式制造结合的仿生结构一体化成形设备，其特征在于:所述成形台为旋转式可偏转成形台，该旋转式可偏转成形台包括托盘、台面夹持机构、成型台旋转电机、成型台偏转电机和偏转架；所述台面夹持机构固定在托盘表面，所述托盘与成型台旋转电机输出轴固定连接，所述成型台旋转电机固定在所述偏转架上方，偏转架与所述成型台偏转电机的输出轴连接，所述成型台偏转电机固定于三维运动机构中的Z轴运动滑块上；所述成型台旋转电机与所述成型台偏转电机采用步进电机或伺服电机。
[0019]本实用新型所述的一种加式和减式制造结合的仿生结构的一体化成形设备，其特征在于:所述喷头支架上表面开有圆孔，所述喷头以单一、并列或阵列均匀分布在所述喷头支架上。
[0020]本实用新型所述的一种加式和减式制造结合的仿生结构的一体化成形设备，其特征在于:所述喷头采用电机助推式喷头、压电式喷头、气动喷涂阀或微流体喷头，所述电机助推式喷头包括螺杆挤压式喷头和气动挤压式喷头，所述电机助推式喷头端部配备单一或多个喷嘴。
[0021]本实用新型具有以下优点和突出性效果:
[0022]I)本实用新型采用了喷头挤出成型与减式制造相结合的复合式加工设计，其中多喷头喷射装置进行快速原型类的加式成型，减式制造机构可对已经成型的材料进行高精度加工，如钻、铣、镗、磨及抛光等，两套装置可协同或独立完成材料的成形加工工序；可用于金属材料、陶瓷材料、生物材料、高分子材料、溶液或凝胶态细胞基质材料等的成形；其中多喷头喷射装置可垂直运动方便协同加工避免干涉，固定式支架所安装的喷头采用单一、并列或阵列方式来构造多喷头的排列方式，可以将几种不同材料体系直接加工成内部带盲孔或壁上带喷孔的仿生结构体。
[0023]2)本实用新型采用了旋转式可偏转成形台设计，成形台托盘为圆形或其他规则图形，托盘上方设有台面加持机构，托盘下方中心位置安装有旋转电机，使成形台可绕几何中心转动，可提高现有技术水平下管状柱状球状材料成形精度；旋转电机与偏转电机固定，偏转电机可实现旋转台向某一角度进行偏转，实现倾斜角度的喷射成型及减式制造工序，同时可提闻成形效率。
[0024]3)本实用新型采用多喷头喷射装置可更换喷头设计，喷头可采用螺杆挤压式喷头、压电式喷头、气动喷涂阀或微流体喷头，螺杆挤压式及气动挤压式喷头上的喷嘴上采用单一喷嘴或多个喷嘴，适合多喷嘴与压电式喷头结合进行高精度单层或多层细胞三维成形；压电式喷头及微流体喷头适合对某一特定位置喷射极少量的液体材料，完成高精度微量成型，在生物及组织工程学方面的细胞定点打印应用前景广阔。
[0025]4)本实用新型采用原料箱设计，原料箱内部安装多个料筒，料筒用导管分别连接不同喷头，且料筒设置单独的加热温控装置，使材料可熔融挤出或喷出，适合加工成型不同熔点性能迥异的材料，将成形材料范围扩大至高熔点金属材料(如镍基合金、钴基合金、钛基合金)、陶瓷材料、低熔点聚合物、有机玻璃(如聚甲基丙烯酸甲酯)、高分子材料与无机盐复合材料(如聚乳酸和聚羟基乙酸共聚物(PLGA)，PLGA与磷酸钙复合物)等。
[0026]5)本实用新型实现了加式制造和减式制造集成一体的加工方式，实现了材料在成形台上不同温度、多角度、高精度、高效率的快速堆积和后期处理过程。
[0027]综上，本实用新型所述系统利用多喷头喷射装置、减式制造机构、三维运动机构、旋转式可偏转成形台、控制系统等综合实现了快速原型与传统加工共同完成复杂高精度三维结构的协同高效成形。该系统利用多喷头装置、减式制造机构与成形台交互成形方式，具有成形精度高、同时进行后期处理、内腔和外表面光滑、喷嘴可更换等优点，对于内部带盲孔或壁上带喷孔的仿生结构一体化成型具有巨大的作用，并可适用于所有材料的三维精确成形。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1是本实用新型提供的一种加式和减式制造结合的仿生结构的一体化成形设备的实施实例的示意图(部分剖视)。
[0029]图2是本实用新型提供的一种加式和减式制造结合的仿生结构的一体化成形设备机头的示意图。
[0030]图3是本实用新型提供的一种加式和减式制造结合的仿生结构的一体化成形设备喷射装置示意图。
[0031]图4是本实用新型提供的一种加式和减式制造结合的仿生结构的一体化成形设备成形台的示意图。
[0032]图5是本实用新型提供的一种加式和减式制造结合的仿生结构的一体化成形设备三维运动机构的俯视图。
[0033]图6是控制单元完成材料成形及后处理的流程图。
[0034]图1至图5中:
【权利要求】
1.一种加式和减式制造结合的仿生结构一体化成形设备，该设备包括箱体(1)、多喷头喷射装置、三维运动机构、成形台(5)、温控及制冷装置(6)、原料箱(4)、灭菌器件及控制单元；所述三维运动机构和成形台(5)设置在箱体(1)内部，所述三维运动机构包括X轴运动机构、Y轴运动机构及Z轴运动机构；所述成形台(5)固定于三维运动机构上，其特征在于:所述一体化成形设备还包括一个减式制造机构，所述的减式制造机构包括机头(22)和机座(23)，所述机头(22)包括夹持装置(24)、异步电机(42)和加工刀头(43)，所述机座(23)固定在所述箱体(1)上，所述机头(22)通过丝杠滑块机构安装在机座(23)上；所述异步电机(42)的输出轴与所述夹持装置(24)相连接，所述夹持装置(24)设置在机头下方；所述加工刀头(43)安装在所述夹持装置(24)中；所述多喷头喷射装置通过支架(3)安装在所述机头(22)前面。
2.如权利 要求1所述的一种加式和减式制造结合的仿生结构的一体化成形设备，其特征在于:所述减式制造机构中的加工刀头(43)包括铣刀、镗刀、钻头、丝锥、砂轮、磨光轮或毛刷。
3.如权利要求1所述的一种加式和减式制造结合的仿生结构的一体化成形设备，其特征在于:所述多喷头喷射装置包括喷头(2)、喷头支架(8)、喷头支架丝杠(9)、喷头支架导轨(10)和喷头支架电机(11)，所述喷头支架丝杠(9)和喷头支架导轨(10)固定在所述支架(3)上；所述喷头支架(8)设置在喷头支架丝杠(9)和喷头支架导轨(10)上，沿喷头支架导轨(10)上下运动；所述喷头支架电机(11)采用步进电机或伺服电机。
4.如权利要求1所述的一种加式和减式制造结合的仿生结构一体化成形设备，其特征在于:所述成形台(5)为旋转式可偏转成形台，该旋转式可偏转成形台包括托盘(17)、台面夹持机构(45)、成型台旋转电机(19)、成型台偏转电机(46)和偏转架(49);所述台面夹持机构(45)固定在托盘(17)表面，所述托盘(17)与成型台旋转电机(19)输出轴固定连接，所述成型台旋转电机(19)固定在所述偏转架(49)上方，偏转架(49)与所述成型台偏转电机(46)的输出轴连接，所述成型台偏转电机(46)固定于三维运动机构中的Z轴运动滑块(39)上；所述成型台旋转电机(19)与所述成型台偏转电机(46)采用步进电机或伺服电机。
5.如权利要求3所述的一种加式和减式制造结合的仿生结构的一体化成形设备，其特征在于:所述喷头支架(8)上表面开有圆孔，所述喷头(2)以单一、并列或阵列均匀分布在所述嗔头支架上。
6.如权利要求1所述的一种加式和减式制造结合的仿生结构的一体化成形设备，其特征在于:所述喷头(2)采用电机助推式喷头、压电式喷头、气动喷涂阀或微流体喷头，所述电机助推式喷头包括螺杆挤压式喷头和气动挤压式喷头，所述电机助推式喷头端部配备单一或多个喷嘴。
【文档编号】A61F2/28GK203576703SQ201320711925
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年11月12日 优先权日:2013年11月12日
【发明者】王小红, 王镓垠 申请人:清华大学