[发明专利]一种3D打印体模的装置和方法

说明书

本发明公开了一种3D打印体模的装置和方法，所述装置包括：控制终端、原料仓、挤出设备、打印底板和打印框架；所述打印框架包括打印软件，所述打印软件是三维建模软件。所述方法括以下步骤：1)调制体模各相打印材料的原液；2)将三维建模软件导入打印框架配套软件中，生成G代码；对G代码进行优化；3)启动挤出装置，令高温的体模原液充满挤出设备；4)对冷却平板进行预冷，将平板温度固定在4～10℃；5)按照优化的G代码进行打印。打印框架控制多个打印喷头实现多相体模材料的打印；6)打印结束，将打印好的体模从冷却平板取下，放置在4℃的环境中保存。

技术领域

本发明属于复合材料制造技术领域，具体涉及一种3D打印体模的装置和方法。

背景技术

体模是人工制造的材料，其某种属性(如几何结构、软硬程度)与生物体组织(包括正常组织和病变组织)相近。在科普等方面，体模能够清楚地显示人体组织三维结构；在医疗人员技能的教学训练中，体模的应用非常广泛，如超声引导穿刺的训练等；在医疗仪器的校准、教学中也广泛采用体模，如高强度聚焦超声(HIFU)仪器和超声弹性成像(SWE)仪器等；在医学相关的科学研究中，体模实验是实验验证的重要一环。综上所述，体模具有非常广泛的应用场景。从技术角度讲，制作外观、内部结构，物理性质能够与生物体各种组织足够相近的体模，是技术人员不懈追求的目标。但限于目前的材料加工工艺和制造水平，已有的体模还远远无法满足如此多应用场景的需要。

3D打印技术又称增材制造技术，通过计算机控制不断添加原料，不断进行材料堆叠，从而使打印出的三维物体可以拥有任何几何形状和几何特征。打印过程主要分为建模—打印—后处理三个主要环节。随着技术的进步，各个环节都在不断完善。在最重要的打印环节中，各种各样的增材成型技术如熔融沉积成型(FDM)、金属激光烧结(MLS)、激光选区熔化(SLM)、石膏3D打印(PP)、立体光刻(SLA)等不断完善。人们现在已经能以较低的成本得到许多材质任意形状的零件。3D打印在建筑、工程制造、工业设计、军事、生物科技、饮食等领域影响深远。目前，3D打印技术主要适用于金属、塑料等硬材料。软材料的3D打印技术已经取得了一定的进展，相关技术还在不断发展中。

为了能够提升体模的成型工艺水平，以便制造各种形状的体模，将3D打印技术引入体模加工是一个很好的选择。依托3D打印技术成型的体模能够保持各种外形；能够具备比较复杂的内部结构、内部物理异质性。然而，如何解决3D打印技术和体模材料固有属性(软、粘)之间的矛盾，是很有挑战的问题。目前为止，就申请人查找的公开专利来看，真正考虑将3D打印技术与体模制备工艺联合起来的技术还极不成熟。此处所强调的“软”主要是因为，体模应仿照生物组织的力学性质。

中国专利CN107731282B(—基于医学成像和质量控制的3D打印体模制作方法及系统)公开了一种3D打印体模的方法。使用者选取医学成像类型(CT、MRI)，在面向该医学成像类型的质量控制方法下，通过组合式熔融堆积和光敏成型方案，打印体模(的外壳)。该专利利用了3D打印成型能力强，精度高的特点。但该技术主要集中在硬材料(体模外壳等)上，并未考虑软材料的成型；而且，该技术不考虑超声成像。中国专利CN108127929A(一种体模的制备方法)描述了一种有3D打印参与的体模制备方法。该专利将体模模具拆分成两部分；对两部分分别进行3D打印，从而获得用于制备体模的模具。采用3D打印方法能够使模具具有更加多样化的外观形状；但将该模具用于体模制备时，无法在体模内部利用3D打印方法的优点。

人们为使体模呈现更加多种多样的外观、内部结构及物理性态，在软材料体模的材料及制备工艺进行了很多探索。已有很多专利描述了特定体模的加工制作方法，使体模具有各种各样的结构(如内嵌肿瘤的体模)及物理属性(如硬度)。但由于材料成型多依赖于原料在模具中的整体固化，在体模内部产生异质性以模拟各种生物组织，仍具有相当的挑战性。3D打印技术原则上可以实现对体模材料分布的任意控制，从而大大提升体模仿生物组织的能力。现有基于3D打印的方法，多数是对用于体模成型的模具进行3D打印，尚未考虑直接对软材料进行3D打印。

发明内容