一种梯度材料的光固化制备装置及光固化制备方法与流程

本发明涉及梯度材料的制备领域，特别涉及一种梯度材料的光固化制备装置及光固化制备方法。

背景技术：

生物功能梯度材料(生物FGM)是一种非均匀复合材料，它的原料组分、材料构成和性能沿着材料的厚度或长度方向发生连续或不连续的变化。近年来，医学的发展导致对医用生物材料的要求也相应提高，因此研究和开发新颖、可行的生物功能梯度材料及其制备装备逐渐成为当前医学领域研究的前沿课题。由于人类的骨头、牙齿和关节等具有高硬度、耐磨性和韧性好等特点，因此使用功能梯度材料制作的人工骨、膝关节、牙科植入体和优化设计的髋关节假体可基本满足这些要求。目前，生物FGM材料主要划分为金属基生物FGM、陶瓷基生物FGM和聚合物基生物FGM等三大类，其制备方法有粉末冶金技术、等离子喷涂、离心铸造、电泳沉积技术等。

粉末冶金技术是将原始原料粉末按设计的不同配比均匀混合，然后压制烧结成型。可通过调节和控制原料粉末的粒度分布和烧结收缩的均匀性，从而获得热应力缓和的功能梯度材料。这是一种最常用、更为简便的功能梯度材料制备方法。其中热压技术是粉末冶金技术发展和应用较早的一种热成型技术，常用于制备陶瓷基生物FGM，其具有烧结温度低、烧结时间短，所制材料的晶粒细等优点。目前人们在原始粉末冶金法上研究出喷射沉积法、薄膜叠层法、放电等离子烧结等新型制备方法。

等离子喷涂法是一种材料表面强化和表面改性技术，原料粉末以熔融或半熔融状态直接被等离子射流喷射到基体上形成涂层。在喷涂过程中，通过改变原料粉末的组分配比、调节等离子射流温度以及速度，便可调整微观结构和成分，获得功能梯度涂层。由于喷涂材料不易被氧化，所以，在高温下可制备高致密化和高粘结强度的梯度涂层以改善基体表面的耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化性、电绝缘、隔热、防辐射等性能，减少磨损和提高衬底表面的密封性。喷涂一层数十微米的涂层在人工骨表面，可加强人工骨和提高其亲和力。

离心铸造法是在离心力作用下，利用不同的合金组分的密度差，通过调整转速、处理时间、粒子的大小、密度和温度等条件使凝固之后的组成呈梯度分布。由于其具有工艺设备简单、生产成本低廉、生产效率高等优点，因此得到广泛应用。

电泳沉积法是施加电压到胶体溶液中的电极，使胶体颗粒移向电极表面放电而形成沉积层的过程。使用此法制备的材料具有独特的微结构和纳米结构以及不同类型的宏观形状、尺寸等。目前所制备的材料从传统的陶瓷已逐渐演变到功能梯度材料、叠层材料、功能和结构陶瓷涂料等先进材料。有研究表明在受限制的烧结温度下，用电泳沉积方法在基板上制备完整的致密化高分子涂层可克服并预防涂层裂缝的困难。

等离子熔覆技术是一种表面改性技术，它是基于等离子束作为热源，在金属表面制取新型材料具有耐磨性、耐腐蚀性、耐高温性和耐冲击性等优点。等离子熔覆采用向喷涂的镍基、钴基和铁基等自熔合金中增添了碳化钛(TiC)、碳化钨(WC)、硼化钛(TiB₂)、氮化钛(TiN)、硼化铬(CrB₂)等陶瓷和陶瓷相形成元素，可制备陶瓷复合涂层和梯度涂层。

但是，上述传统技术设备制备生物功能梯度材料存在各个组分的比例控制不均匀，且制备出的生物功能梯度材料的杨氏模量实际值与根据复合材料混合定律计算出的杨氏模量预期值有较大的不同，从而影响到生物功能梯度材料的质量可靠性，进而影响到实际应用。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种梯度材料的光固化制备装置，实现梯度材料的组分比例可控。

本发明的另一目的在于提供基于上述梯度材料的光固化制备装置的梯度材料的光固化制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种梯度材料的光固化制备装置，包括：

水平运动台，所述水平运动台上设有至少两个透光的溶液槽；

光固化系统，安装于水平运动台下方，包括光固化光源和反射镜，所述反射镜与光固化光源的出光口相对，将光固化光源出射的光反射至溶液槽上；

水平驱动器，所述水平驱动器与水平运动台上的各溶液槽连接，驱动各个溶液槽在水平运动台上水平移动；

上下移动台，所述上下移动台安装有成型平台；

上下驱动器，所述上下驱动器与上下移动台连接，驱动上下移动台带动成型平台在溶液槽上方上下移动；

控制系统，用于对梯度材料建模，计算出所述建模模型中每一层的轮廓信息，将该轮廓信息生成光固化成型所需的代码，并根据代码控制水平驱动器、上下驱动器和光固化系统。

所述溶液槽沿所述水平运动台的滑动方向排列成行。

所述梯度材料的制造设备还包括机架，所述机架包括底板、顶板、立臂及中间支架，所述中间支架垂直安装于所述底板与所述顶板之间，将所述顶板支撑于底板的上方；所述水平运动台安装于顶板上；所述立臂垂直安装于所述顶板上，所述上下移动台安装于所述立臂上；所述光固化系统安装于底板上。

所述的梯度材料的光固化制备装置的梯度材料的光固化制备方法，包括如下步骤：

(1)对梯度材料建模，得到梯度材料的建模模型；

(2)用3D打印分层软件计算出所述建模模型中每一层的轮廓信息，并将该轮廓信息生成光固化成型所需的代码；

所述光固化成型所需的代码包括溶液槽直线移动信息、工作平台上下移动信息及光固化光源工作时间的信息；

(3)将不同种类的光固化复合溶液分别置于溶液槽内；

(4)根据步骤(2)得到溶液槽直线移动信息控制一个溶液槽移至与光固化光源正对的位置；

(5)根据步骤(2)得到的工作平台上下移动信息控制工作平台下降，移入步骤(4)所述的溶液槽的光固化复合溶液内；

(6)根据步骤(2)得到的光固化光源开启时间的信息控制光固化光源开始，对步骤(5)中的光固化复合溶液固化而在工作平台上形成固化层；

(7)根据步骤(2)得到的工作平台上下移动信息控制工作平台向上移动，然后根据液槽直线移动信息控制下一个溶液槽移至与光固化光源正对的位置；

(8)重复步骤(5)～(7)多次，从而得到梯度材料。

所述梯度材料为生物功能梯度材料。

所述光固化复合溶液有以下方法得到：

将陶瓷浆料、生物聚合物溶液及光引发剂进行混合。

所述梯度材料中各光固化层中陶瓷所占比例沿堆叠方向依次递减，生物聚合物所占比例沿堆叠方向依次递增。

所述梯度材料中底层的陶瓷、生物聚合物及光引发剂三者比例为13：6：1，顶层的陶瓷、生物聚合物及光引发剂三者比例为6：13：1。

所述梯度材料中的中间层中，陶瓷所占百分比为30％～65％；生物聚合物所占百分比为30％～65％。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明采用溶液槽移动方式，通过多个溶液槽实现多种材料比例可控的梯度制备。

(2)本发明采用上升式成型方法，溶液槽加装极少的材料就可成型，节省材料，提高材料利用率。

(3)本发明采用光固化成型，制备速度快，有效提高生物功能梯度材料的制备效率。

附图说明

图1为本发明的实施例的梯度材料的光固化制备装置的示意图。

图2为本发明的实施例的生物功能梯度材料的光固化制备方法的流程图。

图3为本发明的实施例制备的具有三层的生物功能梯度材料的结构示意图。

图4为本发明的实施例制备的具有四层的生物功能梯度材料的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本实施的梯度材料的光固化制备装置，包括一机架、一反射镜20、一光固化光源30、一水平运动台40、至少两个透光的溶液槽50、一水平驱动器60、一上下移动台70、一上下驱动器80、一成型平台90及控制系统；控制系统，用于对梯度材料建模，计算出所述建模模型中每一层的轮廓信息，将该轮廓信息生成光固化成型所需的代码，并根据代码控制水平驱动器、上下驱动器和光固化光源。机架包括底板11、顶板12、立臂13及中间支架14，具体地，在本实施例中，底板11与顶板12之间相互平行，但不以此为限。立臂13安装于顶板12上，中间支架14垂直安装于底板11及顶板12之间，将所述顶板12支撑于底板11的上方。

反射镜20安装于底板11上，光固化光源30安装于底板11上，较优的是，光固化光源30为投影仪，且光固化光源30的出光口31与反射镜20相对；具体地，在本实施例中，反射镜20通过一安装座20a倾斜地安装于底板11上，安装座20a具有一承载反射镜20的倾斜平面21，倾斜平面21与光固化光源30的出光口31相面对，以使得反射镜20可靠地安装于底板11上；较优的是，安装座20a或底板11上设有用于调节反射镜前后位置的调整长槽111，调整长槽111形成于底板11上，但不以此为限。

水平运动台40活动地设于顶板12上，溶液槽50安装于水平运动台40上；具体地，在本实施例中，溶液槽50为三个，当然还可以为二个、四个、五个或六个，但不以此为限；水平运动台40滑设于顶板12上，溶液槽50沿水平运动台40的滑动方向(即图1中双箭头所指方向)排列成行，较优的是，溶液槽50呈等间距的布置，以使得溶液槽50更容易移动与成型平台90相匹配的位置；当然，水平运动台40还可以是以旋转的方式设于顶板12，但不以此为限。

水平驱动器60安装于顶板12上，且水平驱动器60选择性地驱使每个溶液槽50活动至与反射镜20所反射的光线相匹配的位置，满足光固化成型的要求。具体地，水平驱动器60为一电机，该电机的输出轴连接有一水平丝杆61，一水平丝母安装在水平运动台40上，且水平丝母呈啮合传动的套设于水平丝杆61上，以在水平驱动器60驱使水平丝杆61旋转，从而实现由水平丝杆61带动水平丝母带动水平运动台40相对机架滑动的目的。

上下移动台70滑设于立臂13上，上下驱动器80驱使上下移动台70做上下方向移动；具体地，上下驱动器80为一电机，该电机的输出轴连接有一上下丝杆81，一上下丝母安装在上下移动台70内，且上下丝母呈啮合传动的套设于上下丝杆81上；而立臂13与顶板12之间设有上下导杆83及上下导套，上下导杆83安装于立臂13及顶板12上，上下导套安装于上下移动台70内，以使得上下移动台70在立臂13上滑动更平稳可靠；较优的是，上下导杆83与上下丝杆81平行且位于该上下丝杆81的外侧处，但不以此为限。成型平台90安装在上下移动台70上并位于溶液槽50对应的上方。当安装座上开设有调整长槽，装于底板上的锁紧件穿置于调整长槽内并选择性地将安装座锁紧于底板处，或松开对安装座的锁紧；同理，当调整长槽开设于底板处，则装于安装座处的锁紧件穿置于调整长槽内并选择性地锁紧或释放安装座。

本实施例的光固化制备装置的工作过程如下：

成型时，水平驱动器60通过丝杆61和丝母带动水平运动台上的一个溶液槽50位于成型平台的正下方，此时，上下驱动器80通过上下丝杆81和丝母带动上下移动台70向下移动，从而使上下移动台70处的成型平台90移入溶液槽50内，当成型平台90移入溶液槽50后，此时，光固化光源30通过反射镜20将光源照射在溶液槽50内，使成型平台90上形成出一层光固化层；当成型平台90形成一层光固化层后，此时上下驱动器80通过上下丝杆81和丝母带动上下移动台70向上移离溶液槽50；接着，水平驱动器60通过丝杆61和丝母带动水平运动台上的另一个溶液槽50位于成型平台的正下方；然后，上下驱动器80通过上下丝杆81和丝母带动上下移动台70向下移动，从而使上下移动台70处的成型平台90移入溶液槽50内，当成型平台90的光固化层移入溶液槽50后，光固化光源30通过反射镜20将光源照射在溶液槽50内，使成型平台90上的光固化层再形成出一层光固化层；不断重复上述的过程，即可以形成梯度材料的光固化产品。值得注意的是，成型平台可在一个溶液槽处形成几个层后再被移至另一个溶液槽内成型。

如图2所示，本实施例的生物功能梯度材料的光固化制备方法，包括以下步骤：

S001、对生物功能梯度材料建模，得到生物功能梯度材料的建模模型。

S002、用3D打印分层软件计算出所述建模模型中每一层的轮廓信息，并将该轮廓信息生成光固化成型所需的代码；较优的是，在本实施例中，该代码包含溶液槽直线移动信息、工作平台上下移动信息及光固化光源工作时间的信息。

S003、将陶瓷浆料、生物聚合物溶液及光引发剂三者依次按不同比例行混合，得到不同种类的光固化复合溶液；举例而言，如图3所示，当要成型三层结构的生物功能梯度材料时，此时配出三种类型的光固化复合溶液即可；如图4所示，当成型四层结构的生物功能梯度材料，此时配出四种类型的光固化复合溶液即可，以此类推，但不以此为限。

S004、将不同种类的光固化复合溶液分别置于不同的溶液槽内；如前面提及到的生物功能梯度材料为三层结构，相对应的，此时的溶液槽为三个；当生物功能梯度材料为四层结构时，此时的溶液槽为四个，以此类推，但不以此为限。较优的是，在本实施例中，溶液槽沿左右方向移动，使得溶液槽沿左右方向排成一行，更好地匹配工作平台的上下移动，有效地控制生物功能梯度材料各层的陶瓷浆料、生物聚合物溶液及光引发剂所占比例，使得该比例具有可控性。

S005、根据步骤S002得到的溶液槽直线移动信息控制光固化成型机的一个溶液槽移至与光固化光源正对的位置。

S006、根据步骤S005得到的工作平台上下移动信息控制光固化成型机的工作平台移入与所述光固化光源正对的溶液槽的光固化复合溶液内；较优的是，在本实施例中，光固化制备装置在数字光固化成型机的基础上加以改进，采用面成型方法，进一步地提高制备速度快，最大限度地提高生物功能梯度材料的制备效率。

S007、根据步骤S002得到的光固化光源工作时间的信息控制光固化光源对步骤S006中的光固化复合溶液固化而在工作平台上形成一固化层。

S008、根据步骤S002得到的工作平台上下移动信息控制工作平台向上移离溶液槽，根据步骤S002得到的溶液槽直线移动信息控制另一个溶液槽移至与光固化光源正对的位置。

S009、根据步骤S002得到的工作平台上下移动信息控制工作平台去使新形成的固化层移入与所述光固化光源正对的溶液槽的光固化复合溶液内。

S010、根据步骤S002得到的光固化光源工作时间控制光固化光源对步骤S009中的光固化复合溶液光固化而在所述固化层上形成另一固化层。

S011、不断重复步骤S008至步骤S010，直到所有的溶液槽中每一者根据代码均与光固化光源完成所有的步骤为止，从而得到生物功能梯度材料。

在本实施例中，固化层中各层的陶瓷所占的比例沿堆叠方向(即图2或图3箭头所指方向)呈递减的布置，固化层中的各层的生物聚合物所占的比例沿堆叠方向呈递增的布置；较优的是，固化层中首层的陶瓷、生物聚合物及光引发剂三者比例为13：6：1，固化层中末层的陶瓷、生物聚合物及光引发剂三者比例为6：13：1。而固化层中的中间层的陶瓷及生物聚合物所占百分比范围均是30％至65％之间。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。