三維打印法(3DP)加工羥基磷灰石生物陶瓷,使用粘結劑將粉末狀的生物材料粘結在一起。一方面可以克服傳統方法難以加工出形狀比較復雜的人工骨及其內部的微孔洞結構的缺點,另一方面也克服了使用激光或電子束聚焦式加熱的其他3D打印方法所導致的加熱不均勻、熱變形不一致,容易產生局部應力集中的問題。
上海交通大學的李俠教授在文章中寫道:“創新過程既源于知識與專業技能,也源于推斷力與想象力。當已有知識以全新的方式相互結合,來滿足新環境的需求時,新觀念就會出現。”實現從無到有從0到1的顛覆式創新,難度是巨大的,沒有任何可以借鑒的。但是,實現從1到N的微創新,將已有的比較成熟的技術手段,通過一定的方式有機組合起來,也可以取得重大的進展,這個過程中的難度比從0到1的難度要小很多,因為“我們都是站在巨人的肩膀上”。
三維打印機包括機械制造系統、電子控制系統、材料成形、圖像及數據處理等多個模塊,是一個復雜的多學科交叉綜合應用的機械電子系統,需要各個部分有機地協調才能正常運行。如果能夠對其中一些模塊進行優化,并與現代的一些成熟技術相融合,如軟件算法的優化、圖像的識別,對增材成形過程進行優化,和對多噴頭協同工作的控制調節等,則會使三維打印系統的設計研發更加有可能取得突破性的進展,從而推動技術的進步,社會經濟的發展。
目前,通常的三維打印機(3DP)工作過程為:鋪粉滾筒首先在工作臺上鋪一層粉末材料,噴頭按照成形工件的切片截面輪廓沿X、Y方向運動,并在一些位置有選擇性的噴射粘結劑(在不需要成形的地方,則不噴射粘結劑,仍為粉末),噴有粘結劑的地方材料通過粘結作用成形。粘結劑滲入到粉末的微孔中將其粘結,形成截面輪廓。當完成一層的成形后,工作臺自動下降一定高度,然后進行下一層的鋪粉與粘結,不斷循環,直到完成模型文件最后一層的鋪粉與粘結,最終即可得到具有模型文件形狀的樣件。大多數的3DP打印機采用滾筒和單噴頭的結構,采用雙噴頭的3DP打印機相對較少,但是功能更加強大。最近,HYREL3D公司透露一款正在研發中的具備4噴頭的新型3D打印機。
如果使用滾筒和單噴頭結構的3DP打印機用來加工人工骨陶瓷,將羥基磷灰石和造孔劑均勻混合,采用滾筒進行全面地鋪粉,只在需要打印成形的目標區域使用一個噴頭噴出粘結劑,在目標區域以外需要生成內部空腔的位置,不使用粘結劑。但是,后期要完全去除多余的羥基磷灰石粉體,不能有粉體殘留,否則影響使用者的安全。高品質的人工骨陶瓷要求在不同的部位有不同的孔隙率、力學性能等,使用滾筒和單噴頭結構時,噴頭噴出粘結劑的速率可以進行調節,但是造孔劑、增韌材料等因素無法進行調節,無法調節不同部位的孔隙率,系統柔性不好。