一种生物陶瓷坯体的3D打印方法技术

本发明专利技术涉及一种生物陶瓷坯体的3D打印方法，包括建立目标坯体的三维模型；对三维模型进行分层处理，获取每层激光扫描路径的数据；配制具有冷冻干燥特性的浆料，将冷冻干燥机和X‑Y双坐标激光扫描设备、铺料装置相连接；冷冻干燥机保持低温，将一层浆料铺设在打印平台上，采用冷冻板使浆料快速凝固，降低冷冻干燥机内部真空度，采用X‑Y双坐标激光扫描设备对该层凝固的浆料进行选择性的辐照，使溶剂升华，然后恢复常压，打印平台降低一层；重复上述操作，通过层层累积，制得被凝固浆料包围的干燥坯体，然后去除外部的凝固浆料，得到目标坯体。上述方案可制得多级孔隙结构的生物陶瓷坯体，加工效率高、成本低、绿色无污染。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及生物陶瓷坯体生产领域，具体涉及一种生物陶瓷坯体的3D打印方法。
技术介绍
随着数字化设计制造技术以及生物陶瓷材料的发展，骨骼修复体的应用日趋广泛。人体骨骼形状复杂，牙齿更具有薄片特征和尖锐特征等不规则的形状。采用传统的计算机数控加工骨骼修复体，加工设备的研制成本极高，铣削过程中伴随大量的材料浪费，不符合绿色制造的要求。人体骨骼由松质骨和密质骨组成。松质骨呈疏松的海绵状，由骨小梁相互连接形成，孔隙率为30％-90％；密质骨相对密实，孔隙率为5％-30％。人体骨骼既有1～10μm的微孔又有100～800μm的大孔，属于多级孔隙结构。为提高骨骼修复体的生物兼容性，促进人体组织的长入，修复体应具有多级孔隙结构。制备多孔陶瓷的传统工艺有添加造孔剂法、有机泡沫浸渍法、发泡法、挤压成型法、颗粒堆积法等。这些常用的方法可以制备出孔隙率较高、孔径均匀分布的多孔陶瓷，但要制备出类似于天然骨结构的多级孔隙结构还有一定困难。冷冻干燥法的原理是将浆料中的溶剂冷冻，然后在低压条件下将溶剂冰升华除去，其余材料留在原位，最终形成与冰晶结构完全相同的多孔微结构。由于冰晶的生长呈树枝状，存在较大的树枝以及较小的分支，干燥后形成的生坯具有多级孔隙结构。采用冷冻干燥技术加工多级孔隙结构，传统的方法是冷冻浇注。冷冻浇注法加工三维零件时，需要事先加工好相应的模具，浆料注入模具中进行冷冻干燥，脱
模后，得到目标坯体。骨骼修复体的形状极其复杂，个体之间存在较大的差异，采用冷冻浇注法加工骨骼修复体，需为每个患者定做复杂模具，且模具为一次性使用，成本极高。冷冻干燥过程耗时长，其中以干燥过程耗时最长，且干燥时间随物料厚度的增加而成倍增加。3D打印技术是高新加工技术的重要分支，加工过程无需刀具、模具和夹具，相对于传统的减法制造，在加工复杂形状产品时具有明显优势，且大大减少了加工过程中的材料浪费。应用3D打印技术加工人体骨骼修复体，具有效率高、成本低、浪费少的优点。生物陶瓷坯体的3D打印方法，按照材料状态的不同分为基于粉体和基于浆料两种。基于粉体的3D打印方法，采用粘结剂将生物陶瓷颗粒粘连在一起使其成形，这种方法难以控制坯体的孔隙结构。基于浆料的3D打印方法，主要通过蒸发溶剂的方法使浆料固化成形，溶剂蒸发的过程存在气液界面，由于张力的作用，使孔隙结构不可控。基于浆料的3D打印方法还包括立体光固化成型法(SLA)，这种方法以光敏树脂为粘结剂，脱脂过程会污染环境。专利号CN104108131A公布了一种陶瓷材料的3D打印成型方法按照打印程序将浆料喷射而出，通过冷冻使坯体定型，最后采用冷冻干燥或普通干燥的方式对坯体进行干燥处理。这种技术受其喷射工艺的限制，浆料固含量的适用范围窄；对坯体进行干燥时，采用冷冻干燥法耗时长，采用普通干燥法，由于气液界面张力的作用，坯体易出现变形。
技术实现思路
本专利技术的目的就是提供一种生物陶瓷坯体的3D打印方法，其可有效解决上述问题，制得多级孔隙结构的生物陶瓷坯体，且加工效率高、成本低、绿色无污染。为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种生物陶瓷坯体的3D打印方法，包括如下操作步骤：S1：建立目标坯体的三维模型；S2：对三维模型进行分层处理，获取每层激光扫描路径的数据；S3：配制具有冷冻干燥特性的浆料，将冷冻干燥机和X-Y双坐标激光扫描设备、铺料装置相连接；S4：冷冻干燥机保持低温，将一层浆料铺设在打印平台上，采用冷冻板使浆料快速凝固，降低冷冻干燥机内部真空度，根据步骤S2中获取的每层激光扫描路径的数据，采用X-Y双坐标激光扫描设备对该层凝固的浆料进行选择性的辐照，使溶剂升华，然后恢复常压，打印平台降低一层；S5：重复步骤S4，通过层层累积，制得被凝固浆料包围的干燥坯体，然后去除外部的凝固浆料，得到目标坯体。具体的方案为：浆料的组分包括溶剂、生物陶瓷粉体、粘结剂，生物陶瓷粉体的含量为5～90wt％，粘结剂的含量为1～30wt％。浆料中还可根据工艺加入分散剂、抗冻剂等其他添加剂。溶剂可为水、莰烯，优选为水；生物陶瓷粉体可为生物惰性陶瓷(如氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氧化镁陶瓷、二氧化钛陶瓷)、生物活性陶瓷(如羟基磷灰石陶瓷、磷酸三钙陶瓷、生物玻璃陶瓷)中的一种或组合。优选由氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、羟基磷灰石陶瓷、磷酸三钙陶瓷中的一种或几种组成；粘结剂为水溶性溶胶(如硅溶胶、铝溶胶、锆溶胶)、水玻璃、聚乙烯醇中的一种。优选粘结剂为硅溶胶、铝溶胶、锆溶胶中的一种。步骤S4中冷冻干燥机保持低温，低温是指温度<0℃，优选温度<-20℃。步骤S4中降低冷冻干燥机内部真空度直至真空度<610.5Pa，优选<100Pa。组成冷冻板的材料可为银、铜、金、铝。步骤S4中X-Y双坐标激光扫描设备对该层凝固的浆料进行选择
性的辐照时，激光波长为10.6μm，激光功率为1～10W，激光扫描速度为10～100mm/s。采用上述技术方案进行操作具有如下优点：1、本专利技术利用冷冻干燥可使浆料中固体颗粒原位固定的特性，可获得多级孔隙结构，原料制备工艺简单，材料应用范围广泛，只要能配制成均匀浆料即可，拓展了3D打印技术的应用领域。2、本专利技术采用逐层铺料的方式，无需设计物料喷出或挤出装置，扩大了浆料固含量的适用范围，降低了成本。3、本专利技术采用逐层冷冻的方式，下层为上层提供固体支撑，减少悬臂结构的变形，无需为悬臂结构设计支撑。4、本专利技术采用逐层冷冻干燥的方式，相比于整体冷冻干燥，大大缩短了冷冻干燥的时间。5、本专利技术基于水基浆料冷冻干燥的3D打印方法，加工过程无需模具，缩短了研制和生产周期，成本低，绿色无污染。附图说明图1为本专利技术的流程示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本专利技术进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本专利技术的一种或几种具体的实施方式，并不对本专利技术具体请求的保护范围进行严格限定。实施例1如图1所示，本专利技术的工艺步骤包括：1)采用Pro/E、UG等设计软件或三维扫描仪建立目标坯体的STL格式模型；2)采用计算机软件对所建三维模型进行沿高度方向的分层处理，每层的厚度为0.1～1mm。根据实际需求，按照同心或绕直线的扫描
填充策略，建立每层激光扫描路径的数据，扫描间距为0.1～0.5mm；3)配制浆料：称取100g氧化铝粉(分析纯，过325目)；量取30ml硅溶胶，固相质量分数为30％；量取蒸馏水100ml。将上述原料加入刚玉球磨罐中进行高速球磨2h；4)将球磨后的浆料置于真空除泡机中除泡10min；5)在冷冻干燥机中加入激光扫描设备和铺料装置，激光扫描设备由X-Y双坐标工作台和CO2激光器组成。将除泡后的浆料加入料筒，料筒中保持对浆料搅动，避免浆料沉降；保持冷冻干燥机内部温度在-20℃以下。将一层浆料通过刮片铺设在打印平台上，厚度与计算机分层处理时的层厚相同；采用内部循环液氮的铝制冷冻板自上而下覆盖浆料30s，使浆料快速、充分冷冻；6)移开冷冻板。对冷冻干燥机进行抽真空，使其真空度低于100Pa；7)开启激光器，激光功率为1～10W，激光扫描速度为10～100mm/s，X-Y双坐标工作台根据步骤2)中建立的扫描路径数据控制激光对该层凝固浆料选择性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生物陶瓷坯体的3D打印方法，包括如下操作步骤：S1：建立目标坯体的三维模型；S2：对三维模型进行分层处理，获取每层激光扫描路径的数据；S3：配制具有冷冻干燥特性的浆料，将冷冻干燥机和X‑Y双坐标激光扫描设备、铺料装置相连接；S4：冷冻干燥机保持低温，将一层浆料铺设在打印平台上，采用冷冻板使浆料快速凝固，降低冷冻干燥机内部真空度，根据步骤S2中获取的每层激光扫描路径的数据，采用X‑Y双坐标激光扫描设备对该层凝固的浆料进行选择性的辐照，使溶剂升华，然后恢复常压，打印平台降低一层；S5：重复步骤S4，通过层层累积，制得被凝固浆料包围的干燥坯体，然后去除外部的凝固浆料，得到目标坯体。

【技术特征摘要】
1.一种生物陶瓷坯体的3D打印方法，包括如下操作步骤：S1：建立目标坯体的三维模型；S2：对三维模型进行分层处理，获取每层激光扫描路径的数据；S3：配制具有冷冻干燥特性的浆料，将冷冻干燥机和X-Y双坐标激光扫描设备、铺料装置相连接；S4：冷冻干燥机保持低温，将一层浆料铺设在打印平台上，采用冷冻板使浆料快速凝固，降低冷冻干燥机内部真空度，根据步骤S2中获取的每层激光扫描路径的数据，采用X-Y双坐标激光扫描设备对该层凝固的浆料进行选择性的辐照，使溶剂升华，然后恢复常压，打印平台降低一层；S5：重复步骤S4，通过层层累积，制得被凝固浆料包围的干燥坯体，然后去除外部的凝固浆料，得到目标坯体。2.根据权利要求1所述的生物陶瓷坯体的3D打印方法，其特征在于：浆料的组分包括溶剂、生物陶瓷粉体、粘结剂，生物陶瓷粉体的含量为5～9...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈桦，张耿，刘宝龙，曹岩，孙波，白国栋，
申请(专利权)人：西安工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61