[发明专利]一种加式和减式制造结合的仿生结构一体化成形设备

说明书

技术领域

本发明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

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。

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。

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。

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。

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-Ⅱ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。

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。

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：

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；

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；

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；

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。

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。

发明内容