专利名称：无加热液化过程的挤压、喷射成形工艺方法
技术领域：
本发明属于快速原型工艺技术领域，特别涉及直接堆积成形的快速原型工艺的改进。
目前世界上所有将材料微滴(射流)(Materials Droplet)直接堆积成形的快速原型工艺(Rapid Prototyping Technology)都遵循着统一原理，即将材料加热到熔点获得熔融态和流态(流动之状态，大多非牛顿流体)，然后采用连续或脉冲式压力将熔融态的材料通过喷嘴微孔挤出、喷射形成材料液态微滴(射流)，控制液滴运动到要求的位置并堆积，依据液滴之热能通过热传导与已成形体之热交换，并产生扩散方式与已成形体连接，同时同点冷却，从而完成一质点的堆积，最终形成一个三维实体。这就形成了所谓熔融沉积成形。这就是如Stratasys公司的FDM工艺、Genesys工艺、Sanders公司的ModelMaker工艺、3D SYSTEM公司的Thermal jet工艺以及BPM公司的Ballistic ParticleManufacturing工艺所采用的基本原理，这一原理得到相关美国专利的保护。
图1就是最典型的一种工艺方法，图中，料丝14缠绕在丝盘15上，经送丝机构送抵喷头11,12。加热熔化后，在后端固体料丝的推动下，挤出堆积，在工作台面16上成形，获得成形件13。图2是该方法的工艺原理流程。包括以下步骤材料经过加热，超过熔点温度熔化，获得液态材料后加压，从喷嘴微孔喷出，材料液滴从喷头上的喷嘴喷出，液滴堆积并低于熔点而固化，并在工作台面上堆积粘结成三维实体。
上述的FDM等成形工艺存在以下不足之处其一，目前的快速成形工艺由于存在加热液化过程而导致较大的残余应力和需要成形室和温控系统以及高温扫描系统，因而系统复杂、成本高，成形质量低。
其二，必须对材料加热熔融液化，这对于不耐高温的特种材料而言是无法适应的，使其应用范围受到局限。例如，目前生物工程中的组织工程框架结构制作方法是采用化学发泡、灌注成形的方法。此方法不能保证所成形的孔洞是完全导通的，难以控制孔洞的大小、形状、孔洞分布梯度和成形复杂形状。而上述成形方法，虽能控制孔洞的分布并成形复杂形状，但不能保护生物活性材料宝贵的特殊性质，不适应组织工程的需要。
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种无加热液化过程的挤压、喷射成形工艺方法，本发明将大大简化系统，提高成形质量并降低成本；并可保护许多特种材料，特别是生物活性材料宝贵的特殊性质，以适应生物工程中的组织工程框架结构制作的需要。
本发明提出一种无加热液化过程的挤压、喷射成形工艺方法，包括以下步骤1)材料通过非加热方式形成液态、流态；2)液态材料在加压作用下从常温喷嘴挤出并形成液滴(射流)；3)这些微滴(射流)在规定的路径上滴落堆积，去除溶剂后粘结固化成形，得到实体零件。
本发明所说的非加热方式形成液态、流态包括采用以下五种方法在内的无加热液化方法①加溶剂使其溶解，如聚乳酸PLA作为溶质，氯仿作为溶剂；②加水使其水解，如聚乳酸加水水解，对苯二甲酸加水水解；③加黏胶、液体(包括熔融体和各种流体)，如聚氨酯加成形辅剂乌络托品；④通过非成形材料加热超过软化点和熔化点之液化过程使微米级或纳米级材料质点粘连而形成胶状流态，通过挤压或喷射成形；⑤氢键阻断，如用尿素作氢键阻断剂组织热明胶凝固。
本发明所说的液态材料固化包括以下五种方法在内的材料固化方法①溶剂挥发，如溶剂氯仿的挥发后留下聚乳酸固体；②水分蒸发，如水分蒸发后留下对苯二甲酸固体；③同点或不同点喷射固化剂；如先喷射或挤出成形材料细沙或金属粉，再喷射树脂、对甲苯磺酸；④粘胶液体等粘结剂固化，如聚乳酸固化；⑤氢键键合，加尿酶是尿素分解，明胶大分子重新获得氢键结合能力；等非成形材料冷却低于凝固点和固化点之凝固固化过程。
本发明所说的加压方式采用包括通入压力气体、螺杆增压在内的加压方法。
采用本发明的无加热液化过程的挤压、喷射成形工艺方法特别适用于生物工程中的组织工程框架结构的制造。
本发明的无加热液化挤压、喷射原形原理及特点1．材料并非必须加热熔化而获得液态、熔融态和流态，而可以采用化学溶剂溶解、用水溶化或水解，材料先制成纳米级(10-9m)粉末，加“胶体”溶剂通过乳化工艺获得乳胶状之流态以及“氢键阻断”等许多方法，其共同特点就是不经过加热液化过程。此举之重大意义在于保护了许多特种材料，特别是生物活性材料宝贵的特殊性质。去除加热液化过程有利提高成形精度，降低成本。
2．传统的FDM等工艺液滴堆积在已成形体上，存在热交换现象(如传导方式)，并通过扩散完成连接。本发明方法的固化是由于溶剂挥发、水分蒸发而导致材料固化或溶剂、粘结剂(均非材料本身)固化而使材料或使粉末固结、恢复氢键键合而凝固以及同点喷射固化剂而完成。其基本点在于材料本身并未通过低于熔点之方式而固化，材料通过非加热方式形成液态、流态。液态材料在通入之压力气体、螺杆增压作用下从喷嘴挤出并形成液滴(射流)，这些微滴(射流)在规定的路径上滴落堆积，去除溶剂后粘结固化成形，得到实体零件。如连续挤出材料，则形成丝状而非微滴，但上述分析则仍是适用的。
3．本发明的成形材料为浆料，可以通过成形主料与溶剂混合乳化、溶解、水解和氢键阻断等方法得到。由于不升温，或升温不超过主料的熔点，避免对生物材料等特种材料的不利影响。这种挤出工艺不存在加热环节，因而非常适合组织工程框架结构的制造。
框架结构是组织工程三要素之一。其余两个因素是靶细胞和生长因子，它们都需要复合于框架结构而起作用。多孔的框架结构为细胞的爬行、繁衍提供必要支撑环境，从而实现立体培养。使得象骨、血管、肝脏和肾脏等具有空间结构的器官重建成为可能。
本发明可根据人体器官的解剖学特征数据重构框架结构的几何模型。数据模型来源于动物、人体器官CT测量的解剖学数据，不仅可以实现个性化服务，而且和其它原有器官在尺寸、形状上密切吻合。快速成形机的生产过程由数据模型控制，成形材料经喷头逐层进行。由于喷嘴尺寸、喷射速度可以精密控制，因而从几何上可以实现高精度生产。不再需要制作模具和灌模制作工艺。
4．非常适合具有生物活性的组织工程材料的快速成形。因为不需要加热，可以保证成形过程不破坏材料的生物活性。同样适用于非生物材料如各种高分子材料、聚合物、塑料等之挤压、喷射成形过程。
以上所述之液态微滴如果在连续喷射过程中就会相互连接起来，或连续挤压就形成“射流”。如挤压喷射就属此类。上述各种分析对此种情况同样是适用的。
附图简要说明图1为已有的一种典型的FDM成形工艺示意图。
图2为FDM成形工艺流程框图。
图3为本发明的无加热液化过程的挤压、喷射成形工艺方法流程框图。
图4为本实施例采用的成形设备机械结构示意图。
图5为图4中的X-Y扫描系统机械结构示意图。
本发明的无加热液化过程的挤压、喷射成形工艺方法，如图3所示，包括以下步骤1)材料通过非加热方式形成液态、流态；2)液态材料在加压作用下从常温喷嘴挤出并形成液滴(射流)；3)这些微滴(射流)在规定的路径上滴落堆积，去除溶剂后粘结固化成形，得到实体零件。
本发明的实施例是利用现有的MEM-300-Ⅱ型熔融挤出制造设备，采用无加热的喷头常温挤出。浆料经送料机构注入喷头内部的储料室，加上气体压力，在数控系统的控制下，实现连续挤压喷出或离散喷出。
MEM-300型设备由机架、装在机架上的X、Y导轨、Z轴及其上面的喷头装置、驱动与控制电路，温度控制电路、成形室和工控机组成，如图4所示。在图4中，工作平台43在Z轴42的拖动下，实现自上而下的运动，以便喷头和成形表面保持恒定耙距。图5为图4中的X-Y扫描系统机械结构示意图。在图5中，喷头51在X轴上水平移动，X轴和喷头一起沿着Y轴移动，从而实现整个水平面的路径扫描。
MEM300型快速成形设备，取消了对喷头加热、温控装置，取消了成形室升温系统，因而，硬件成本得以削减。由常温挤压成形技术带来的利益还有成形件热应力很小，尺寸和形状精度更容易保证。
本实施例利用上述设备进行的挤压、喷射工艺的具体实现方法为首先建立目的成形件的CAD模型，由清华大学激光快速成形中心研制的控制软件进行分层和扫描路径规划。将成形材料装入喷头储料室内，安装压气管，打开空压机。
启动控制软件。喷头在控制软件驱动下，沿着规划的扫描路径扫描成形零件的轮廓和内部填充。
为了成形材料快速脱离溶剂并固化，成形室应采用干冰等方法适当降低温度使熔剂脱出。
本发明形成材料液态、流态，以及材料固化的三种实施例如下实施例一将成形材料——聚乳酸溶解于氯仿等有机溶剂中形成的糊状材料，置于喷头储料腔内，通过喷头喷射成形。喷射过程中，氯仿挥发，材料固化。
实施例二将ABS通过丙酮溶化后挤压或喷射成形。
实施例三羟基磷灰石纳米粉末-胶原通过溶化的聚乳酸形成乳状材料，经喷头挤压或喷射成形。
权利要求
1．一种无加热液化过程的挤压、喷射成形工艺方法，包括以下步骤1)材料通过非加热方式形成液态、流态；2)液态材料在加压作用下从常温喷嘴挤出并形成液滴(射流)；3)这些微滴(射流)在规定的路径上滴落堆积，去除溶剂后粘结固化成形，得到实体零件。
2．如权利要求1所述的无加热液化过程的挤压、喷射成形工艺方法，其特征在于，所说的材料通过非加热方式形成液态、流态，采用以下五种方法之一种①加溶剂使其溶解；②加水使其水解；③加黏胶、液体；④通过非成形材料加热超过软化点和熔化点之液化过程使微米级或纳米级材料质点粘连而形成胶状流态，通过挤压或喷射成形；或⑤氢键阻断。
3．如权利要求1所述的无加热液化过程的挤压、喷射成形工艺方法，其特征在于，所说的液态材料固化包括以下五种方法之一种①溶剂挥发；②水分蒸发；③同点或不同点喷射固化剂；④粘结剂固化；或⑤氢键键合。
4．如权利要求1所述的无加热液化过程的挤压、喷射成形工艺方法，其特征在于，所说的加压方式同时采用通入压力气体、螺杆增压的方法，或采用其中之一种方法。
5．采用如权利要求1所述的无加热液化过程的挤压、喷射成形工艺方法，其特征在于，用于生物工程中的组织工程框架结构的制造。
全文摘要
本发明属于快速原型工艺技术领域,包括以下步骤:材料通过非加热方式形成液态、流态;液态材料在加压作用下从常温喷嘴挤出并形成液滴(射流);这些微滴(射流)在规定的路径上滴落堆积,去除溶剂后粘结固化成形,得到实体零件。本发明将大大简化系统,提高成形质量并降低成本;并可保护许多特种材料,特别是生物活性材料宝贵的特殊性质,以适应生物工程中的组织工程框架结构制作的需要。
文档编号B29C67/00GK1302725SQ0012498
公开日2001年7月11日 申请日期2000年9月29日 优先权日2000年9月29日
发明者颜永年, 张人佶, 卢清萍, 熊卓, 史廷春, 陈立峰, 崔福斋, 胡蕴玉, 郑卫国, 王笠 申请人:清华大学