[发明专利]一种基于微流控原理的仿生像素化异质材料的3D打印装置及方法

说明书

本发明涉及3D打印领域，特别涉及一种基于微流控原理的仿生像素化异质材料的3D打印装置及方法，用于实现精细化刚柔耦合异质材料的一体化成型。打印装置在传统挤出式3D打印装置的基础上增加了模块化变通道混流器，通过层层累积获得内含像素化仿生刚柔耦合异质材料打印实体，结合打印前刚性材材料及柔性材料前驱体的制备以及打印完成后打印制件的后处理，实现了单一通道内刚柔耦合材料特征性分布，其独特的材料分布模式在组织工程及制造领域具有重大应用潜力。

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，特别涉及一种基于微流控原理的仿生像素化异质材料的3D打印装置及方法。

背景技术

自然界生物善于利用有限的材料实现优越力学特性，而刚柔两种材料合理的空间配置是生物材料常用的强化策略。如贝壳珍珠层是一种天然的有机-无机层状复合材料，其独特的多尺度、多层次刚柔“砖-泥”组装结构赋予其优异的强韧机械性能；软木利用刚柔两种异质材料以周期交替的方式(早材和晚材) 组合成复合多孔树干，兼具高的比刚度和比强度的同时，还能降低弹性阶段因局部失稳而发生脆性断裂的风险。因此，开发刚柔耦合非均匀材料一体化成型策略具有深刻的研究意义。

目前，通过传统成型方式生产刚柔耦合异质材料多采用拼接组装的范式，一体成型的难度较大。而3D打印作为一种高效灵活的成型方式，为刚柔耦合模型的制备提供了实现手段。目前较为成熟的刚柔异质材料成型为多材料喷射打印，其刚柔耦合一体化成型的原理和彩色喷墨打印的原理一致，即通过实时调整软硬两种油墨的打印比例实现打印件刚度调节，但是这种方式的耗材开发成本较高，可供选择的材料少，再加上高昂的硬件成本，很大程度上限制其应用。

于是，开发一套低成本、材料适应范围广的异质刚柔耦合材料一体化成型 3D打印装置及方法具有重要的科研及工业应用价值。

发明内容

针对现有技术中缺乏低成本、可达像素化级别刚柔耦合异质材料一体化成型的技术手段。本发明提供一种基于微流控原理的仿生像素化异质材料的3D打印装置，再次，提供一种基于微流控原理的仿生像素化异质材料的3D打印方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种基于微流控原理的仿生像素化异质材料的3D打印装置，包括：

材料匀速输送系统，其用以控制及调节输送到模块化变通道混流器中材料的挤出速度、挤出量及挤出时间；

模块化变通道混流器，其上接材料匀速输送系统，根据需要选择合适的变通道混流器或将多种变通道混流器拼接组装使用，流经变通道混流器的材料被分流、重新整合，从而获得像素化刚柔耦合挤出材料特征；

三维运动成型平台，从模块化变通道混流器挤出的具有像素化刚柔耦合特征的材料沉积在成型平台上，成型平台可在X、Y、Z三维空间内运动，实现内含像素化刚柔耦合特征材料的累积成型；

计算机软件控制系统，其基于内含像素化刚柔耦合材料特征的三维模型，分解成结构模型和刚柔材料分布模型，选择合适的模块化变通道混流器的同时，规划模块化变通道混流器的旋转运动代码及三维运动成型平台空间移动代码，以及材料匀速输送系统中材料的挤出速度及挤出量。

进一步地，所述材料匀速输送系统，包括：

软性材料匀速输送系统和刚性材料匀速输送系统；

其中，软性材料匀速输送系统和刚性材料匀速输送系统，均包括：

材料供应筒，其用以盛放打印材料；

材料匀速输送泵，其用以控制材料的输送时间及匀速输送速度；

固定支架，其用以固定材料供应筒及材料匀速输送泵；

材料输送软管，其一端连接材料供应筒，另一端连接变通道混流器，用以将材料由材料供应筒匀速输送到模块化变通道混流器入口。