一種加式和減式制造結(jié)合的仿生結(jié)構(gòu)一體化成形設(shè)備的制作方法
【專利摘要】一種加式和減式制造結(jié)合的仿生結(jié)構(gòu)一體化成形設(shè)備，屬于組織工程【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明主要包括箱體、支架、多噴頭噴射裝置、減式制造機(jī)構(gòu)、成形臺(tái)、溫控及制冷裝置、三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、原料箱以及控制系統(tǒng)。本發(fā)明采用噴頭擠出成型與減式制造相結(jié)合的復(fù)合式加工裝置，同時(shí)結(jié)合多噴頭噴射裝置豎直移動(dòng)以及成形臺(tái)旋轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使各噴頭可獨(dú)立擠出成型并輔助以銑、鉆、鏜、摩、攻絲等減式制造手段，從而實(shí)現(xiàn)多噴頭成型與減式制造精加工協(xié)同作用下的仿生結(jié)構(gòu)高效堆積一體化成形及后處理過程。
【專利說明】一種加式和減式制造結(jié)合的仿生結(jié)構(gòu)一體化成形設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于組織工程【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種加式和減式制造結(jié)合的仿生結(jié)構(gòu)的一體化成形設(shè)備的設(shè)計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002]加式制造中的快速成型技術(shù)是目前較為熱門的一門交叉學(xué)科。其區(qū)別于傳統(tǒng)制造業(yè)加工方式的主要特點(diǎn)為逐層堆積的增加式成形?？焖俪尚图夹g(shù)應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，如制造、醫(yī)藥、生物、建筑、藝術(shù)以及工業(yè)設(shè)計(jì)等。
[0003]20世紀(jì)80年代末面世的快速成形技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)中比較重要的一員逐步進(jìn)入組織工程的成形領(lǐng)域，其開創(chuàng)的加式新工藝為解決傳統(tǒng)的材料成形技術(shù)所存在的問題提供了新的思路?？焖俪尚图夹g(shù)在組織工程中的生物支架及模具制造方面應(yīng)用最為迅速，美國(guó)的麻省理工學(xué)院、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、密歇根大學(xué)、新加坡國(guó)立大學(xué)和國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)都在從事這方面的研究工作。其中，有的研究者采用現(xiàn)有的快速成形工藝設(shè)備和材料直接成形，如新加坡國(guó)立大學(xué)Hutmacher的研究小組、麻省理工學(xué)院M.J.Cima的研究小組和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的骨組織工程中心。而另外一些研究者則致力于為組織工程的支架材料開發(fā)新的快速成形工藝，以滿足支架成形的特殊要求，如清華大學(xué)的激光快速成形中心。經(jīng)過近20年的持續(xù)努力，實(shí)現(xiàn)三維快速成型已有SLA、FDM、3DP、SLS和LOM等幾大類技術(shù)。
[0004]低溫沉積制造工藝(LDM)是由清華大學(xué)機(jī)械系材料加工技術(shù)研究所針對(duì)生物材料成形的特殊要求而開發(fā)的新工藝。低溫沉積制造是指將支架材料制成液態(tài)，經(jīng)由噴頭，將溶液以絲狀擠出，在低溫成形室中堆積成形。
[0005]低溫沉積制造具體的工藝過程為:用三維建模軟件建立三維模型，用分層處理軟件將模型分層，得到用于成形的坐標(biāo)代碼；選擇實(shí)驗(yàn)的材料，按照合適的比例配制溶液，制成備用；將材料加入到成形設(shè)備的各噴頭的噴射器中，計(jì)算機(jī)中的控制軟件根據(jù)輸入的層片文件和設(shè)定的加工參數(shù)控制各噴頭的掃描運(yùn)動(dòng)和擠壓/噴射運(yùn)動(dòng)。在低溫成形室中，從噴頭中出來的材料迅速凝固且相互粘接在一起，堆積成形冷凍支架；將冷凍支架放入冷凍干燥機(jī)中，進(jìn)行冷凍干燥處理，去除溶劑，得到常溫下為固態(tài)的支架。在此過程中，溶劑的升華使冷凍支架內(nèi)產(chǎn)生微孔結(jié)構(gòu)。
[0006]目前清華大學(xué)機(jī)械系已經(jīng)有了相應(yīng)的單噴頭和雙噴頭的三維支架受控成型裝置，并且對(duì)噴頭的設(shè)計(jì)和成形性能做了相關(guān)研究，設(shè)計(jì)并制作了活塞擠壓噴頭。如清華大學(xué)先進(jìn)制造快速成形實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的CLRF-2000-1I型生物材料快速成形機(jī)。同時(shí)清華大學(xué)機(jī)械系還保有部分快速成型機(jī)的改進(jìn)型專利，改進(jìn)方面如:獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的多噴頭噴射，包含史都華運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的六維成型臺(tái)，矩陣式或轉(zhuǎn)盤式多噴頭排列等。
[0007]然而快速原型技術(shù)由于其逐層疊加的加工方式導(dǎo)致了其產(chǎn)品的一大劣勢(shì)，其成型出的生物支架外形具有高度相同的臺(tái)階型紋路，成型體內(nèi)腔和外表面不光滑，無法達(dá)到高精度尺寸的要求，產(chǎn)品成形后還需后期處理，效率較低等。原有的快速原型設(shè)備無法完全滿足成型具有光滑高精度內(nèi)外表面的支架材料的要求，復(fù)合內(nèi)腔外壁打磨、銑平面凹槽、精確定位打孔等工序的一體化成形設(shè)備的設(shè)計(jì)和研發(fā)便成為必然。而現(xiàn)今各高校和研究機(jī)構(gòu)的相關(guān)研發(fā)目標(biāo)僅限為降低效率、減小成型時(shí)的層距和噴頭位移以相對(duì)提高精度和光潔度，并不能從根本上解決如何實(shí)現(xiàn)成形材料光滑的內(nèi)腔和外表面、在某些相對(duì)位置要求高的地方保證高精度，減少工序提高效率等問題，由傳統(tǒng)機(jī)械工業(yè)加工方式的優(yōu)勢(shì)汲取靈感，帶減式制造機(jī)構(gòu)的快速原型加工系統(tǒng)必將成為未來的發(fā)展趨勢(shì)。
[0008]中國(guó)專利文獻(xiàn)(申請(qǐng)?zhí)?01110205970.1，201010193213.2，200910093785.0)所涉
及的一種固定式多噴頭復(fù)雜器官前體三維成形加工系統(tǒng)、一種復(fù)雜器官前體三維受控成形機(jī)用多噴頭噴射裝置、轉(zhuǎn)盤式多噴頭復(fù)雜器官前體三維受控成形系統(tǒng)等，其噴射裝置均為固定式，只包含三維運(yùn)動(dòng)裝置一個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，噴頭組件排列在矩形盤或圓盤上，不同噴頭組件裝有不同的成形材料。但固定式多噴頭成形系統(tǒng)有以下不足之處:
[0009]①固定式噴射裝置只能用噴頭進(jìn)行加工和尺寸控制，成型體表面和內(nèi)腔粗糙，需要后期處理如打磨、鉆孔、銑平面等，成型效率低；
[0010]②成形臺(tái)只能依靠三維運(yùn)動(dòng)裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，加工圓截面和圓環(huán)截面類材料成型時(shí)位置參數(shù)由相互垂直的X軸Y軸控制，精確度有待提高；
[0011]③固定式噴頭均為螺桿擠壓式且不可更換，在進(jìn)行加工時(shí)存在結(jié)構(gòu)性弊端，無法精細(xì)控制被擠出材料的多少；
[0012]④噴射裝置各噴頭只有一個(gè)噴嘴，在進(jìn)行多方位成形時(shí)局限性較大。
[0013]⑤原料由噴頭擠出之前無加熱處理，加工成型難度會(huì)隨材料熔點(diǎn)不同而變化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明針對(duì)已有技術(shù)的不足之處，提供一種加式和減式制造結(jié)合的仿生結(jié)構(gòu)的一體化成形設(shè)備，該系統(tǒng)采用噴頭擠出成型與減式制造相結(jié)合的復(fù)合式加工裝置，同時(shí)結(jié)合多噴頭噴射裝置豎直移動(dòng)以及成形臺(tái)旋轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使各噴頭可獨(dú)立擠出成型并輔助以銑、鉆、鏜、摩、攻絲等減式制造手段，從而實(shí)現(xiàn)多噴頭成型與減式制造精加工協(xié)同作用下的高效堆積一體化成形及后處理過程。
[0015]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種加式和減式制造結(jié)合的仿生結(jié)構(gòu)的一體化成形設(shè)備，所述一體化成形設(shè)備包括箱體、多噴頭噴射裝置、三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、成形臺(tái)、溫控及制冷裝置、原料箱、滅菌器件及控制單元；所述三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和成形臺(tái)設(shè)置在箱體內(nèi)部，所述三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括X軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、Y軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及Z軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；所述成形臺(tái)固定于三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，其特征在于:所述一體化成形設(shè)備還包括一個(gè)減式制造機(jī)構(gòu)，所述的減式制造機(jī)構(gòu)包括機(jī)頭和機(jī)座，所述機(jī)頭包括夾持裝置、異步電機(jī)和加工刀頭，所述機(jī)座固定在所述箱體上，所述機(jī)頭通過絲杠滑塊機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)座上；所述異步電機(jī)的輸出軸與所述夾持裝置相連接，所述夾持裝置設(shè)置在機(jī)頭下方；所述加工刀頭安裝在所述夾持裝置中；所述多噴頭噴射裝置通過支架安裝在所述機(jī)頭前面。
[0016]本發(fā)明所述的一種加式和減式制造結(jié)合的仿生結(jié)構(gòu)的一體化成形設(shè)備，其特征在于:所述減式制造機(jī)構(gòu)中的加工刀頭包括銑刀、鏜刀、鉆頭、絲錐、砂輪、磨光輪或毛刷。
[0017]本發(fā)明所述的一種加式和減式制造結(jié)合的仿生結(jié)構(gòu)的一體化成形設(shè)備，其特征在于:所述多噴頭噴射裝置包括噴頭、噴頭支架、噴頭支架絲杠、噴頭支架導(dǎo)軌和噴頭支架電機(jī)，所述噴頭支架絲杠和噴頭支架導(dǎo)軌固定在所述支架上；所述噴頭支架設(shè)置在噴頭支架絲杠和噴頭支架導(dǎo)軌上，沿噴頭支架導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)；所述噴頭支架電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)。
[0018]本發(fā)明所述的一種加式和減式制造結(jié)合的仿生結(jié)構(gòu)一體化成形設(shè)備，其特征在于:所述成形臺(tái)為旋轉(zhuǎn)式可偏轉(zhuǎn)成形臺(tái)，該旋轉(zhuǎn)式可偏轉(zhuǎn)成形臺(tái)包括托盤、臺(tái)面夾持機(jī)構(gòu)、成型臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)、成型臺(tái)偏轉(zhuǎn)電機(jī)和偏轉(zhuǎn)架；所述臺(tái)面夾持機(jī)構(gòu)固定在托盤表面，所述托盤與成型臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)輸出軸固定連接，所述成型臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)固定在所述偏轉(zhuǎn)架上方，偏轉(zhuǎn)架與所述成型臺(tái)偏轉(zhuǎn)電機(jī)的輸出軸連接，所述成型臺(tái)偏轉(zhuǎn)電機(jī)固定于三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的Z軸運(yùn)動(dòng)滑塊上；所述成型臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)與所述成型臺(tái)偏轉(zhuǎn)電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)。
[0019]本發(fā)明所述的一種加式和減式制造結(jié)合的仿生結(jié)構(gòu)的一體化成形設(shè)備，其特征在于:所述噴頭支架上表面開有圓孔，所述噴頭以單一、并列或陣列均勻分布在所述噴頭支架上。
[0020]本發(fā)明所述的一種加式和減式制造結(jié)合的仿生結(jié)構(gòu)的一體化成形設(shè)備，其特征在于:所述噴頭采用電機(jī)助推式噴頭、壓電式噴頭、氣動(dòng)噴涂閥或微流體噴頭，所述電機(jī)助推式噴頭包括螺桿擠壓式噴頭和氣動(dòng)擠壓式噴頭，所述電機(jī)助推式噴頭端部配備單一或多個(gè)噴嘴。
[0021]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和突出性效果:
[0022]I)本發(fā)明采用了噴頭擠出成型與減式制造相結(jié)合的復(fù)合式加工設(shè)計(jì)，其中多噴頭噴射裝置進(jìn)行快速原型類的加式成型，減式制造機(jī)構(gòu)可對(duì)已經(jīng)成型的材料進(jìn)行高精度加工，如鉆、銑、鏜、磨及拋光等，兩套裝置可協(xié)同或獨(dú)立完成材料的成形加工工序；可用于金屬材料、陶瓷材料、生物材料、高分子材料、溶液或凝膠態(tài)細(xì)胞基質(zhì)材料等的成形；其中多噴頭噴射裝置可垂直運(yùn)動(dòng) 方便協(xié)同加工避免干涉，固定式支架所安裝的噴頭采用單一、并列或陣列方式來構(gòu)造多噴頭的排列方式，可以將幾種不同材料體系直接加工成內(nèi)部帶盲孔或壁上帶噴孔的仿生結(jié)構(gòu)體。
[0023]2)本發(fā)明采用了旋轉(zhuǎn)式可偏轉(zhuǎn)成形臺(tái)設(shè)計(jì)，成形臺(tái)托盤為圓形或其他規(guī)則圖形，托盤上方設(shè)有臺(tái)面加持機(jī)構(gòu)，托盤下方中心位置安裝有旋轉(zhuǎn)電機(jī)，使成形臺(tái)可繞幾何中心轉(zhuǎn)動(dòng)，可提高現(xiàn)有技術(shù)水平下管狀柱狀球狀材料成形精度；旋轉(zhuǎn)電機(jī)與偏轉(zhuǎn)電機(jī)固定，偏轉(zhuǎn)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臺(tái)向某一角度進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)傾斜角度的噴射成型及減式制造工序，同時(shí)可提高成形效率。
[0024]3)本發(fā)明采用多噴頭噴射裝置可更換噴頭設(shè)計(jì)，噴頭可采用螺桿擠壓式噴頭、壓電式噴頭、氣動(dòng)噴涂閥或微流體噴頭，螺桿擠壓式及氣動(dòng)擠壓式噴頭上的噴嘴上采用單一噴嘴或多個(gè)噴嘴，適合多噴嘴與壓電式噴頭結(jié)合進(jìn)行高精度單層或多層細(xì)胞三維成形；壓電式噴頭及微流體噴頭適合對(duì)某一特定位置噴射極少量的液體材料，完成高精度微量成型，在生物及組織工程學(xué)方面的細(xì)胞定點(diǎn)打印應(yīng)用前景廣闊。
[0025]4)本發(fā)明采用原料箱設(shè)計(jì)，原料箱內(nèi)部安裝多個(gè)料筒，料筒用導(dǎo)管分別連接不同噴頭，且料筒設(shè)置單獨(dú)的加熱溫控裝置，使材料可熔融擠出或噴出，適合加工成型不同熔點(diǎn)性能迥異的材料，將成形材料范圍擴(kuò)大至高熔點(diǎn)金屬材料(如鎳基合金、鈷基合金、鈦基合金2、陶瓷材料、低熔點(diǎn)聚合物、有機(jī)玻璃(如聚甲基丙烯酸甲酯)、高分子材料與無機(jī)鹽復(fù)合材料(如聚乳酸和聚羥基乙酸共聚物(PLGA)，PLGA與磷酸鈣復(fù)合物)等。
[0026]5)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了加式制造和減式制造集成一體的加工方式，實(shí)現(xiàn)了材料在成形臺(tái)上不同溫度、多角度、高精度、高效率的快速堆積和后期處理過程。
[0027]綜上，本發(fā)明所述系統(tǒng)利用多噴頭噴射裝置、減式制造機(jī)構(gòu)、三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)式可偏轉(zhuǎn)成形臺(tái)、控制系統(tǒng)等綜合實(shí)現(xiàn)了快速原型與傳統(tǒng)加工共同完成復(fù)雜高精度三維結(jié)構(gòu)的協(xié)同高效成形。該系統(tǒng)利用多噴頭裝置、減式制造機(jī)構(gòu)與成形臺(tái)交互成形方式，具有成形精度高、同時(shí)進(jìn)行后期處理、內(nèi)腔和外表面光滑、噴嘴可更換等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于內(nèi)部帶盲孔或壁上帶噴孔的仿生結(jié)構(gòu)一體化成型具有巨大的作用，并可適用于所有材料的三維精確成形。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明提供的一種加式和減式制造結(jié)合的仿生結(jié)構(gòu)的一體化成形設(shè)備的實(shí)施實(shí)例的示意圖(部分剖視)。
[0029]圖2是本發(fā)明提供的一種加式和減式制造結(jié)合的仿生結(jié)構(gòu)的一體化成形設(shè)備機(jī)頭的示意圖。
[0030]圖3是本發(fā)明提供的一種加式和減式制造結(jié)合的仿生結(jié)構(gòu)的一體化成形設(shè)備噴射裝置示意圖。
[0031]圖4是本發(fā)明提供的一種加式和減式制造結(jié)合的仿生結(jié)構(gòu)的一體化成形設(shè)備成形臺(tái)的示意圖。
[0032]圖5是本發(fā)明提供的一種加式和減式制造結(jié)合的仿生結(jié)構(gòu)的一體化成形設(shè)備三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的俯視圖。
[0033]圖6是控制單元完成材料成形及后處理的流程圖。
[0034]圖1至圖5中:
[0035]I —箱體，2 —噴頭，3 —支架，
[0036]4—原料箱，5—成形臺(tái)，6—溫控制冷裝置，
[0037]8 一噴頭支架， 9 一噴頭支架絲杠，10 —噴頭支架導(dǎo)軌，
[0038]11 一噴頭支架電機(jī)，17 —托盤，18 —外固定結(jié)構(gòu)，
[0039]19 一成型臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)， 20 — X軸運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)，21 — X軸絲杠，
[0040]22 一機(jī)頭，23 —機(jī)座，24 —加持裝置，
[0041]25 — X軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，26 — X軸運(yùn)動(dòng)滑塊， 27 — Y軸運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)，
[0042]28 — Y軸絲杠，29 — Y軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，30 — Y軸運(yùn)動(dòng)第一滑塊，
[0043]32 - Z軸運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)， 37 — Z軸運(yùn)動(dòng)絲杠，38 — Z軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，
[0044]39 - Z軸運(yùn)動(dòng)滑塊，41 一 Y軸運(yùn)動(dòng)第二滑塊，42 —異步電機(jī)，
[0045]43—加工刀頭，45—臺(tái)面加持機(jī)構(gòu)， 46—成型臺(tái)偏轉(zhuǎn)電機(jī)，
[0046]47 —料筒，48 —導(dǎo)管，49 —偏轉(zhuǎn)架。
【具體實(shí)施方式】
[0047]下面結(jié)合附圖及實(shí)施實(shí)例進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、工作原理和工作過程內(nèi)容。本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種加式和減式制造結(jié)合的仿生結(jié)構(gòu)的一體化成形設(shè)備，如圖1至圖3所示，所述系統(tǒng)包括箱體1、多噴頭噴射裝置、三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、成形臺(tái)5、溫控及制冷裝置
6、原料箱4、滅菌器件及控制單元；所述三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和成形臺(tái)5設(shè)置在箱體I內(nèi)部，所述三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括X軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、Y軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及Z軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；所述成形臺(tái)5固定于三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，其特征在于:所述一體化成形設(shè)備還包括一個(gè)減式制造機(jī)構(gòu)，所述的減式制造機(jī)構(gòu)包括機(jī)頭22和機(jī)座23，所述機(jī)頭22包括夾持裝置24、異步電機(jī)42和加工刀頭43，所述機(jī)座23固定在所述箱體I上，所述機(jī)頭22通過絲杠滑塊機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)座23上；所述異步電機(jī)42的輸出軸與所述夾持裝置24相連接，所述夾持裝置24設(shè)置在機(jī)頭下方；所述加工刀頭43安裝在所述夾持裝置24中；所述多噴頭噴射裝置通過支架3安裝在所述機(jī)頭22前面；溫控及制冷裝置6設(shè)置在箱體I外部，由管道與箱體I聯(lián)通。
[0048]圖4為本發(fā)明成型臺(tái)的示意圖，所述成形臺(tái)5為旋轉(zhuǎn)式可偏轉(zhuǎn)成形臺(tái)，所述成型臺(tái)5包括托盤17、臺(tái)面加持機(jī)構(gòu)45、成型臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)19、成型臺(tái)偏轉(zhuǎn)電機(jī)46和偏轉(zhuǎn)架49 ；所述臺(tái)面加持機(jī)構(gòu)45固定在托盤17上方，所述成型臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)19輸出軸連接托盤17下方中心位置，所述成型臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)19固定在所述偏轉(zhuǎn)架50上方，偏轉(zhuǎn)架49與所述成型臺(tái)偏轉(zhuǎn)電機(jī)46的輸出軸連接，所述成型臺(tái)偏轉(zhuǎn)電機(jī)46固定于三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的Z軸運(yùn)動(dòng)滑塊46上。成形臺(tái)5由控制系統(tǒng)控制繞托盤幾何中心轉(zhuǎn)動(dòng)或向某一方向進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。成形加工圓截面和圓環(huán)截面類材料時(shí)，只需轉(zhuǎn)動(dòng)托盤而避免噴頭在水平面的移動(dòng)；在進(jìn)行斜向加工或打磨外表面時(shí)，只需驅(qū)動(dòng)偏轉(zhuǎn)電機(jī)使整個(gè)臺(tái)面偏轉(zhuǎn)一定角度，提高加工精度和效率。
[0049]圖5為本發(fā)明三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的俯視圖，所述三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括X軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、Y軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及Z軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；所述X軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括X軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌25、X軸運(yùn)動(dòng)滑塊26、X軸絲杠21和X軸運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)20 ;所述Y軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括Y軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌29、Y軸運(yùn)動(dòng)滑塊、Y軸絲杠28和Y軸運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)27 'Y軸運(yùn)動(dòng)滑塊包括Y軸運(yùn)動(dòng)滑塊一 30和Y軸運(yùn)動(dòng)滑塊二 41 ;所述X軸絲杠21和X軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌25兩端分別固接在所述Y軸運(yùn)動(dòng)滑塊一 30和Y軸運(yùn)動(dòng)滑塊二 41上；Χ軸運(yùn)動(dòng)滑塊26套接在所述X軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌25上；Χ軸運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)20固定在所述Y軸運(yùn)動(dòng)滑塊二 41上，且X軸運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)20的電機(jī)軸與X軸絲杠21固接；Χ軸運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)20轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，X軸運(yùn)動(dòng)滑塊26做X軸平動(dòng)；所述Y軸運(yùn)動(dòng)滑塊一 30和Y軸運(yùn)動(dòng)滑塊二 41分別套接在Y軸絲杠28和Y軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌29上；Υ軸運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)27固定在設(shè)備底部，與Y軸絲杠28連接，Y軸運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)27轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，所述Y軸運(yùn)動(dòng)滑塊做Y軸方向平動(dòng)。所述Z軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 固接在所述X軸運(yùn)動(dòng)滑塊26上，包括Z軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌38、Z軸運(yùn)動(dòng)滑塊39、Z軸運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)32及Z軸運(yùn)動(dòng)絲杠37，Z軸運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)32固定在X軸運(yùn)動(dòng)滑塊26上，Z軸運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)32的電機(jī)軸與Z軸運(yùn)動(dòng)絲杠37固接；Ζ軸運(yùn)動(dòng)滑塊39位于Z軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌38上且套接在Z軸運(yùn)動(dòng)絲杠37上；Ζ軸運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)32轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，Z軸運(yùn)動(dòng)滑塊39做Z軸方向平動(dòng)。
[0050]圖6是控制單元完成材料成形的基本流程圖。本發(fā)明所述的控制系統(tǒng)包括含有軟件的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)硬件；所述的控制系統(tǒng)對(duì)多噴頭噴射裝置的豎直移動(dòng)、減式制造設(shè)備的加工啟停，成形臺(tái)5的旋轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)、三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)以及所有噴頭噴射的啟停進(jìn)行總體調(diào)控，并控制以上所述運(yùn)動(dòng)組件不發(fā)生干涉，處理反饋信息并檢測(cè)設(shè)備工作狀態(tài)。
[0051]結(jié)合圖1~6圖，實(shí)施例的工作原理和工作過程，敘述如下:
[0052]實(shí)施例1:器官前體的成形:1)三維結(jié)構(gòu)成形前用三維建模軟件建立三維模型，用分層處理軟件將模型分層，得到用于成形的數(shù)控代碼，將層片文件和加工參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)控制軟件；2)選擇實(shí)驗(yàn)的材料，本實(shí)施例中用合成高分子聚氨酯(PU)/四乙二醇(Tetraglycol)溶液做血管系統(tǒng)的外圍支架材料、選擇含一定比例的脂肪干細(xì)胞和成體細(xì)胞，以含內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子的磷酸緩沖液(PBS)或明膠/纖維蛋白原混合溶液為原料，按照合適的比例配制，制成成形材料備用；3)啟動(dòng)紫外滅菌器件，給整個(gè)箱體滅菌；4)將不同成形材料分別加入到一體化成形設(shè)備原料箱的各料筒中，開啟料筒中的加熱溫控裝置并設(shè)定為不同溫度，將系統(tǒng)試運(yùn)行達(dá)到加工條件并除去噴頭中氣泡；5)開始加工前設(shè)定各噴頭位置及成形臺(tái)的初始坐標(biāo)，利用控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)中(刀)，啟動(dòng)溫控制冷裝置，使設(shè)備內(nèi)溫度降到一定的實(shí)驗(yàn)值并維持基本恒定，之后開始成形工作；6)由控制系統(tǒng)根據(jù)輸入的層片文件和設(shè)定的加工參數(shù)控制成形臺(tái)的旋轉(zhuǎn)與偏轉(zhuǎn)、三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及噴頭豎直移動(dòng)的協(xié)同工作，控制裝有不同液態(tài)材料的各噴頭配合進(jìn)行擠壓和噴射運(yùn)動(dòng)；7)每當(dāng)一層材料完成堆積成型后，系統(tǒng)控制噴頭在噴頭支架帶動(dòng)下上升，裝有極細(xì)毛刷的減式制造機(jī)構(gòu)對(duì)內(nèi)孔處進(jìn)行打磨，使孔壁光滑，之后再進(jìn)行下一層的堆積；8)完成整體成型后，減式制造機(jī)構(gòu)換裝鉆頭，對(duì)特定位置打一深孔；9)最后減式制造機(jī)構(gòu)換裝磨光輪，對(duì)成形體外表面進(jìn)行打磨，打磨時(shí)成型臺(tái)偏轉(zhuǎn)一定角度以配合不規(guī)則傾斜表面的處理。成形后的結(jié)構(gòu)體放入含凝血酶(20IU/mL)的細(xì)胞培養(yǎng)液中使纖維蛋白原聚合或放入磷酸緩沖液(PBS)中將PU中的有機(jī)溶劑萃取掉，形成既含合成高分子聚氨酯又含細(xì)胞/明膠/纖維蛋白原材料的多種材料結(jié)構(gòu)體，復(fù)雜器官前體的制備工作完成。
[0053]實(shí)施例2:鈦合金硬組織填充材料的光滑圓管的加工成型:1)成形前用三維建模軟件建立三維模型，用分層處理軟件將模型分層，得到用于成形的數(shù)控代碼，選擇圓截面零件的加工方案，設(shè)定成型臺(tái)旋轉(zhuǎn)參數(shù)，將層片文件和加工參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)控制軟件；2)將鈦合金材料植于料桶中，用高于鈦合金熔點(diǎn)(1600°C)以上的溫度對(duì)料筒加熱；3)設(shè)定噴頭與成型臺(tái)中心位置的水平偏移量，在成型臺(tái)開始旋轉(zhuǎn)后噴頭噴射開始；4)主體成型后用臺(tái)面加持機(jī)構(gòu)加緊，減式制造機(jī)構(gòu)采用磨光輪打磨內(nèi)孔壁；5)成型臺(tái)偏轉(zhuǎn)30°，減式制造機(jī)構(gòu)依次換裝鉆頭和絲錐對(duì)成形體外表面打斜孔并攻絲,完成鈦合金硬組織填充材料的加工。
[0054]實(shí)施例3:骨組織修復(fù)材料的成形:1)成形前用三維建模軟件建立三維模型，用分層處理軟件將模型分層，得到用于成形的數(shù)控代碼，將層片文件和加工參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)控制軟件；2)選擇聚乳酸和聚羥基乙酸共聚物(PLGA)和磷酸鈣、可降解磷酸鈣骨水泥與磷酸化殼聚糖為實(shí)驗(yàn)材料，將PLGA溶于1.4-二氧六環(huán)溶液與磷酸鈣粉末混勻，分別與降解磷酸鈣骨水泥與磷酸化殼聚糖固化前的漿料裝入料筒，打開預(yù)熱至噴出條件；3)開始加工前設(shè)定各噴頭位置及成形臺(tái)的初始坐標(biāo)，利用控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)中(刀)，啟動(dòng)溫控制冷裝置，使設(shè)備內(nèi)溫度降到一定值并維持基本恒定，之后開始成形工作；4)由控制系統(tǒng)根據(jù)輸入的層片文件和設(shè)定的加工參數(shù)控制三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和裝有不同液態(tài)材料的各噴頭配合進(jìn)行擠壓和噴射運(yùn)動(dòng)；5)骨組織修復(fù)材料成形后，安裝減式制造機(jī)構(gòu)銑刀，在主體上方銑平臺(tái)和凹槽；6)換裝磨光輪對(duì)所有外露表面進(jìn)行打磨，完成骨組織修復(fù)材料的精確成形。
[0055]實(shí)施例4:鈀金烤瓷牙的成形:1)成形前用三維建模軟件建立三維模型，用分層處理軟件將模型分層，得到用于成形的數(shù)控代碼，將層片文件和加工參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)控制軟件；2)將鈀金烤瓷牙成形材料裝入料筒，打開預(yù)熱至噴出條件；3)開始加工前設(shè)定各噴頭位置及成形臺(tái)的初始坐標(biāo)，利用控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)中(刀)，啟動(dòng)溫控制冷裝置，使設(shè)備內(nèi)溫度降到一定值并維持基本恒定，之后開始成形工作；4)由控制系統(tǒng)根據(jù)輸入的層片文件和設(shè)定的加工參數(shù)控制三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和裝有不同液態(tài)材料的各噴頭配合進(jìn)行擠壓和噴射運(yùn)動(dòng)；5)鈀金烤瓷牙成形后，減式制造機(jī)構(gòu)安裝銑刀，在主體上方銑平臺(tái)和凹槽；6)換裝磨光輪對(duì)所有外露表面`進(jìn)行打磨，完成鈀金烤瓷牙的個(gè)性化成形。
【權(quán)利要求】
1.一種加式和減式制造結(jié)合的仿生結(jié)構(gòu)一體化成形設(shè)備，該設(shè)備包括箱體(1)、多噴頭噴射裝置、三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、成形臺(tái)(5)、溫控及制冷裝置(6)、原料箱(4)、滅菌器件及控制單元；所述三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和成形臺(tái)(5)設(shè)置在箱體(1)內(nèi)部，所述三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括X軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、Y軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及Z軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；所述成形臺(tái)(5)固定于三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，其特征在于:所述一體化成形設(shè)備還包括一個(gè)減式制造機(jī)構(gòu)，所述的減式制造機(jī)構(gòu)包括機(jī)頭(22)和機(jī)座(23)，所述機(jī)頭(22)包括夾持裝置(24)、異步電機(jī)(42)和加工刀頭(43)，所述機(jī)座(23)固定在所述箱體(1)上，所述機(jī)頭(22)通過絲杠滑塊機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)座(23)上；所述異步電機(jī)(42)的輸出軸與所述夾持裝置(24)相連接，所述夾持裝置(24)設(shè)置在機(jī)頭下方；所述加工刀頭(43)安裝在所述夾持裝置(24)中；所述多噴頭噴射裝置通過支架(3)安裝在所述機(jī)頭(22)前面。
2.如權(quán)利要求1所述的一種加式和減式制造結(jié)合的仿生結(jié)構(gòu)的一體化成形設(shè)備，其特征在于:所述減式制造機(jī)構(gòu)中的加工刀頭(43)包括銑刀、鏜刀、鉆頭、絲錐、砂輪、磨光輪或毛刷。
3.如權(quán)利要求1所述的一種加式和減式制造結(jié)合的仿生結(jié)構(gòu)的一體化成形設(shè)備，其特征在于:所述多噴頭噴射裝置包括噴頭(2)、噴頭支架(8)、噴頭支架絲杠(9)、噴頭支架導(dǎo)軌(10)和噴頭支架電機(jī)(11)，所述噴頭支架絲杠(9)和噴頭支架導(dǎo)軌(10)固定在所述支架(3)上；所述噴頭支架(8)設(shè)置在噴頭支架絲杠(9)和噴頭支架導(dǎo)軌(10)上，沿噴頭支架導(dǎo)軌(10)上下運(yùn)動(dòng)；所述噴頭支架電機(jī)(11)采用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)。
4.如權(quán)利要求1所述的一種加式和減式制造結(jié)合的仿生結(jié)構(gòu)一體化成形設(shè)備，其特征在于:所述成形臺(tái)(5)為旋轉(zhuǎn)式可偏轉(zhuǎn)成形臺(tái)，該旋轉(zhuǎn)式可偏轉(zhuǎn)成形臺(tái)包括托盤(17)、臺(tái)面夾持機(jī)構(gòu)(45)、成型臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)(19)、成型臺(tái)偏轉(zhuǎn)電機(jī)(46)和偏轉(zhuǎn)架(49);所述臺(tái)面夾持機(jī)構(gòu)(45)固定在托盤(17)表面，所述托盤(17)與成型臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)(19)輸出軸固定連接，所述成型臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)(19)固定在所述偏轉(zhuǎn)架(49)上方，偏轉(zhuǎn)架(49)與所述成型臺(tái)偏轉(zhuǎn)電機(jī)(46)的輸出軸連接`，所述成型臺(tái)偏轉(zhuǎn)電機(jī)(46)固定于三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的Z軸運(yùn)動(dòng)滑塊(39)上；所述成型臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)(19)與所述成型臺(tái)偏轉(zhuǎn)電機(jī)(46)采用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)。
5.如權(quán)利要求3所述的一種加式和減式制造結(jié)合的仿生結(jié)構(gòu)的一體化成形設(shè)備，其特征在于:所述噴頭支架(8)上表面開有圓孔，所述噴頭(2)以單一、并列或陣列均勻分布在所述嗔頭支架上。
6.如權(quán)利要求1所述的一種加式和減式制造結(jié)合的仿生結(jié)構(gòu)的一體化成形設(shè)備，其特征在于:所述噴頭(2)采用電機(jī)助推式噴頭、壓電式噴頭、氣動(dòng)噴涂閥或微流體噴頭，所述電機(jī)助推式噴頭包括螺桿擠壓式噴頭和氣動(dòng)擠壓式噴頭，所述電機(jī)助推式噴頭端部配備單一或多個(gè)噴嘴。
【文檔編號(hào)】B05B15/10GK103598938SQ201310560511
【公開日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月12日
【發(fā)明者】王小紅, 王鎵垠 申請(qǐng)人:清華大學(xué)