一种高分子材料超临界流体微孔发泡三维成型装置及应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高分子材料成型技术，尤其涉及一种高分子材料超临界流体微孔发泡三维成型装置及其应用。
【背景技术】
[0002]三维打印技术是采用分层加工、迭加成形的方式逐层增加材料来生成三维实体。三维打印技术最突出的优点是无需机械加工或模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。由于人体结构的复杂性及医药市场的巨大潜力，三维打印技术已经广泛用于制造医疗辅具、人工植入支架、组织器官等。
[0003]高分子材料三维打印成型，目前主要有熔融沉积制造法(FDM)及光固化法。由于光固化材料对细胞具有一定毒性、需要增加光引发剂及材料受限等缺点，因此在生物医药中，高分子材料三维打印成型技术，用于制备组织工程支架及药物缓释包埋骨架，主要采用FDM法。然而FDM法制备三维结构存在以下不足:
[0004]I)组织工程支架熔融沉积成型后表面光滑，不适合细胞生长及贴附，因此不利于组织再生及药物吸收；
[0005]2)组织工程支架及包埋骨架的尺寸较大，目前，三维熔融沉积技术打印的每条线的尺寸为大于100 μ m，组织工程支架的力学性能较差，调控受限；
[0006]3)熔融沉积过程温度较高，高分子材料容易形成分子链断裂，材料性能改变。上述缺陷限制了三维打印成型技术在生物医药中的应用。
[0007]因此，我们需要一种改进的三维打印成型技术。
【发明内容】
[0008]本发明解决了上述问题，并且，本发明的一个目标是提供一种改进的三维打印成型技术，将微孔发泡高分子材料应用到三维打印成型技术中，解决目前FDM法存在的技术缺陷，实现高分子材料的快速成型，节省材料并有效提高三维结构的力学性能、改善材料的表面及内部结构特性。
[0009]为了实现上述目的，本发明首先提供一种高分子材料超临界流体微孔发泡三维成型装置，包括一微孔发泡组件和一三维打印组件，所述微孔发泡组件在高分子材料内部形成微孔结构，用于三维打印。
[0010]在本发明一实施例中，所述微孔发泡组件包括:
[0011 ] —机身，所述机身呈中空状，分为一第一空腔、一混合腔和一扩散室，其中，
[0012]所述第一空腔与所述混合腔连通，所述扩散室的一端通过一静态混合器与所述混合腔流体连通，所述扩散室的另一端与一微喷头连通；并且，在所述第一空腔内设置一螺杆，所述螺杆延伸至所述混合腔内；
[0013]—进料桶，所述进料桶与所述第一空腔连通；
[0014]一气源，所述气源与所述混合腔连通；通过所述气源向所述混合腔引入超临界流体；
[0015]—第一加热器，所述第一加热器套设于所述机身的外表面，并且，所述第一加热器处于所述进料桶与所述气源之间；以及，
[0016]—第二加热器，所述第二加热器套设于与所述扩散室相对应的所述机身的外表面。
[0017]在本发明一实施例中，在所述第一加热器与所述气源之间还设有一第三加热器，所述第三加热器套设于所述机身的外表面。
[0018]在本发明一实施例中，所述气源通过一流量控制器与所述混合腔连通。
[0019]在本发明一实施例中，所述三维打印组件包括一由计算机控制移动的移动平台；一支架，所述微孔发泡组件放置于所述支架上；所述移动平台沿χ-γ-ζ轴相对所述支架移动，并由伺服电机同步带/丝杆副驱动；在所述移动平台上设置有一第四加热器，用于控制所述移动平台的温度；所述移动平台上还设置有一热电偶测温装置，用于检测所述移动平台的温度。优选地，所述移动平台的三轴运动方式可以是悬臂式或龙门架式。
[0020]本发明还提供一种微孔发泡装置在高分子材料三维成型中的应用。
[0021]在本发明一实施例中，在所述应用中，利用所述微孔发泡装置在高分子材料内部形成微孔结构，形成具有微孔结构的高分子微丝，随后利用三维打印组件完成三维成型。
[0022]在本发明一实施例中，上述应用中的所述微孔发泡装置包括:
[0023]—机身，所述机身呈中空状，分为一第一空腔、一混合腔和一扩散室，其中，
[0024]所述第一空腔与所述混合腔连通，所述扩散室的一端通过一静态混合器与所述混合腔流体连通，所述扩散室的另一端与一微喷头连通；并且，在所述第一空腔内设置一螺杆，所述螺杆延伸至所述混合腔内；
[0025]—进料桶，所述进料桶与所述第一空腔连通；
[0026]—气源，所述气源与所述混合腔连通；通过所述气源向所述混合腔引入超临界流体；
[0027]—第一加热器，所述第一加热器套设于所述机身的外表面，并且，所述第一加热器处于所述进料桶与所述气源之间；
[0028]—第二加热器，所述第二加热器套设于与所述扩散室相对应的所述机身的外表面；以及，
[0029]—第三加热器，所述第三加热器套设于所述机身的外表面，并设于所述第一加热器与所述气源之间。
[0030]在本发明一实施例中，上述应用中的所述气源通过一流量控制器与所述混合腔连通。
[0031 ] 在本发明一实施例中，上述应用中的所述三维打印组件包括一由计算机控制移动的移动平台；一支架，所述微孔发泡组件放置于所述支架上；所述移动平台沿X-Y-Z轴相对所述支架移动，并由伺服电机同步带/丝杆副驱动；在所述移动平台上设置有一第四加热器，用于控制所述移动平台的温度；所述移动平台上还设置有一热电偶测温装置，用于检测所述移动平台的温度。优选地，所述移动平台的三轴运动方式可以是悬臂式或龙门架式。
[0032]需要说明的是，本发明中使用的三维打印组件为现有技术，其包含已知的控制用计算机和控制系统，用于控制所述移动平台的移动，以层层叠加地形成三维构件。本发明中在已知的三维打印组件上增加加热器和热电偶测温装置，用于控制移动平台的温度，实现微孔发泡高分子材料的成型。
[0033]在本领域中，微孔发泡高分子材料是一种高分子材料，其内部泡孔尺寸一般小于10 μπι且数目非常多，因此，微孔发泡高分子材料一方面可以保持一般泡沫高分子材料的优点:质量轻、节省原料、能有效吸收能量、隔音隔热效果好、比强度高等；另一方面，由于泡孔尺寸远小于材料内部原有的缺陷，泡孔的存在不会降低材料的力学性能，反而会使材料本身所具有的裂纹尖端钝化，有利于组织裂纹在应力作用下扩展，进而改善了泡沫塑料的力学性能。因此，与未发泡的高分子材料相比，微孔高分子材料除了密度可减少5%?95%夕卜，还具有以下优点:较高的冲击强度(最多可达未发泡高分子材料的5倍)、较高的韧性(最多可达未发泡高分子材料的5倍)、较低的介电常数和较低的热传导系数。
[0034]在本发明中，利用微孔发泡高分子材料的上述特性，在微孔发泡技术中引入超临界流体，可以在更低的温度进行发泡，从而减少高分子材料高温下降解程度，解决FDM法存在的问题。
[0035]在本发明中，创新地将微孔发泡技术和三维成型技术结合在一起，利用微孔结构的特性，提高三维结构的力学强度及生物相容性，并利于加速降解。同时，同时，本发明通过在微孔发泡技术中由于超临界流体的引入，降低三维打印过程高分子材料黏度，进而减小打印过程每条线的尺寸，解决常规高分子材料FDM法三维打印成型技术中存在的问题。
【附图说明】
[0036]通过以下的详细描述和所附附图，本发明的上述及其他物体、特征和优点将是显而易见的，其中:
[0037]图1是本发明一实施例的高分子材料超临界流体微孔发泡三维成型装置的结构示意图；
[0038]图2是所述高分子材料超临界流体微孔发泡三维成型装置中的微孔发泡装置。
【具体实施方式】
[0039]以下，将参考附图，对本发明的一些示例性实施例进行描述。在以下的描述中，不同附图中显示的相同元件将被标以相同的标号。此外，在以下本发明的描述中，当会造成本发明的主题不清楚时，将会省略对于本文所含的已知功能和构造的详细描述。
[0040]此外，当描述本发明的组件时，本文可能使用例如第一、第二、A、B、(a)、(b)之类的术语。这些用语都不用于定义一相应组件的本质、顺序或次序，而仅仅用于区别相应组件与其他组件。应当注意的是，即使在说明书中描述到一组件是“连接”、“耦合”或“加入”至另一组件，在第一和第二组件间也可以“连接”、“耦合”或“加入” 一第三组件，尽管所述第一组件可能是被直接连接、耦合或加入所述第二组件。
[0041]图1是本发明一实施例的超临界流体高分子材料超临界流体微孔发泡三维成型装置的结构示意图；图2是所述高分子材料超临界流体微孔发泡三维成型装置中的微孔发泡装置。
[0042]请参见图1和图2，本实