三维打印法(3DP)加工羟基磷灰石生物陶瓷,使用粘结剂将粉末状的生物材料粘结在一起。一方面可以克服传统方法难以加工出形状比较复杂的人工骨及其内部的微孔洞结构的缺点,另一方面也克服了使用激光或电子束聚焦式加热的其他3D打印方法所导致的加热不均匀、热变形不一致,容易产生局部应力集中的问题。
上海交通大学的李侠教授在文章中写道:“创新过程既源于知识与专业技能,也源于推断力与想象力。当已有知识以全新的方式相互结合,来满足新环境的需求时,新观念就会出现。”实现从无到有从0到1的颠覆式创新,难度是巨大的,没有任何可以借鉴的。但是,实现从1到N的微创新,将已有的比较成熟的技术手段,通过一定的方式有机组合起来,也可以取得重大的进展,这个过程中的难度比从0到1的难度要小很多,因为“我们都是站在巨人的肩膀上”。
三维打印机包括机械制造系统、电子控制系统、材料成形、图像及数据处理等多个模块,是一个复杂的多学科交叉综合应用的机械电子系统,需要各个部分有机地协调才能正常运行。如果能够对其中一些模块进行优化,并与现代的一些成熟技术相融合,如软件算法的优化、图像的识别,对增材成形过程进行优化,和对多喷头协同工作的控制调节等,则会使三维打印系统的设计研发更加有可能取得突破性的进展,从而推动技术的进步,社会经济的发展。
目前,通常的三维打印机(3DP)工作过程为:铺粉滚筒首先在工作台上铺一层粉末材料,喷头按照成形工件的切片截面轮廓沿X、Y方向运动,并在一些位置有选择性的喷射粘结剂(在不需要成形的地方,则不喷射粘结剂,仍为粉末),喷有粘结剂的地方材料通过粘结作用成形。粘结剂渗入到粉末的微孔中将其粘结,形成截面轮廓。当完成一层的成形后,工作台自动下降一定高度,然后进行下一层的铺粉与粘结,不断循环,直到完成模型文件最后一层的铺粉与粘结,最终即可得到具有模型文件形状的样件。大多数的3DP打印机采用滚筒和单喷头的结构,采用双喷头的3DP打印机相对较少,但是功能更加强大。最近,HYREL3D公司透露一款正在研发中的具备4喷头的新型3D打印机。
如果使用滚筒和单喷头结构的3DP打印机用来加工人工骨陶瓷,将羟基磷灰石和造孔剂均匀混合,采用滚筒进行全面地铺粉,只在需要打印成形的目标区域使用一个喷头喷出粘结剂,在目标区域以外需要生成内部空腔的位置,不使用粘结剂。但是,后期要完全去除多余的羟基磷灰石粉体,不能有粉体残留,否则影响使用者的安全。高品质的人工骨陶瓷要求在不同的部位有不同的孔隙率、力学性能等,使用滚筒和单喷头结构时,喷头喷出粘结剂的速率可以进行调节,但是造孔剂、增韧材料等因素无法进行调节,无法调节不同部位的孔隙率,系统柔性不好。