CN105796206B - 一种自动配料和混料的多喷头生物3d打印设备及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自动配料和混料的多喷头生物3D打印设备及控制方法，属于组织工程和生物3D打印领域。气压压料罐气压源和电磁换向阀进口连接，电磁换向阀出口与喷头连接，当气压源供压且电磁换向阀得电时，可将气压压料罐内的生物材料按比例压入到混料筒内，然后通过混料罐组件内的搅拌器将生物材料混合均匀。混料罐组件与气压源和电磁换向阀进口连接，电磁换向阀出口与喷头连接，当气压源供压且电磁换向阀得电时，可将混料筒内的生物材料从喷头中压出，喷头在移动顶梁和取料驱动臂配合运动下按照预定路径完成打印工作。其优点是：能快速完成自动配料和混料，多喷头可满足多种打印需求，更好地发挥打印性能，易于实现灵活控制，提高打印效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种自动配料和混料的多喷头生物3D打印设备，用于细胞和生物材料打印，属于组织工程技术和生物3D打印领域。
背景技术
对于受损大块软组织及内脏器官的治疗，人体组织器官移植是一种极为有效的治疗方法。但是由于器官供体来源短缺、免疫排斥等问题存在，器官移植治疗在实际运用中存在难以克服的困难。而组织工程的提出为解决上述问题开辟了新的途径。组织工程是将活细胞通过某种方法附合在生物材料基质或者制备的支架上，来构建功能组织替代物。然后将构建的组织替代物进行培养以后植入患者体内，替换原有病变组织器官来恢复原有的身体机能实现对疾病治疗。目前组织工程皮肤的研究和运用就组织工程良好发展前景的有效例证。
近几年来，3D打印技术的迅猛发展，为工业制造开辟了新的制造生产模式。在生物领域内，生物打印、细胞三维受控组织等技术也应用而生。这些技术具有操作单个细胞或单成分微小尺寸液滴的能力，可以精确控制操作对象的空间位置和分布，对于实现大块组织和器官构建过程中不同种细胞和生物材料的空间位置沉积有着巨大的意义。因此，开发生物打印技术是未来组织工程研究的必然趋势。
中国专利(申请号2010101932132)涉及一种复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置；中国专利(申请号201010193223.6)涉及一种复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置；中国专利(申请号200910099785.0)涉及转盘式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，以上的3个专利是应用于多种细胞材料的受控组装的，其共同特点是采用多个喷头(喷头一样)，工作时通过相互切换，工作效率低，虽然是多种材料但是材料逐一打印不易混合均匀。中国专利(201210065932.5)涉及一种细胞三维受控组装机用多料源输送单喷嘴喷射装置，采用单喷嘴实现多料源打印，虽能实现多料源按需切换，但是不能进行按比例配料和混料，也存在储存的料源较少更换不便的情况。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足之处，实现满足大块/小块软组织和内脏器官的多种细胞和材料的构建要求，开发一种能够自动配料和混料的多喷头生物3D打印设备，能自动完成按比例配料并进行混合，可选择点喷头、线喷头或面喷头进行高效成型打印，也可交叉选择喷头满足多种打印需求，同时配有专门的料罐储料，不用人工干预补充料源，易于实现自动控制，大大提高打印效率。
本发明的技术方案如下：
一种自动配料和混料的多喷头生物3D打印设备包括气压压料罐、压料罐管夹、固定板、电磁换向阀阀组a、电磁换向阀阀组b、混料罐组件、面喷头、点喷头、喷头托架、线喷头、电机固定架、移动顶梁、取料驱动臂、工作台、侧板；所述电磁换向阀阀组a和电磁换向阀阀组b均至少由两个电磁换向阀组成，电磁换向阀阀组a和电磁换向阀阀组b固定安装在侧板上，其进出口接口均与料管连接；所述气压压料罐上部与进气管连接，下部与料管连接，中部与压料罐管夹同轴配合安装，且通过压料罐管夹与侧板固定安装，气压压料罐的数量与电磁换向阀阀组a内的的电磁换向阀的数量相同；所述混料罐组件上部与电机固定架前端固定卡套同轴固定安装，中部与固定板中心孔同轴固定安装；所述固定板、电机固定架、喷头托架与侧板前板面固定安装，侧板底部与工作台一侧的顶部固定安装；所述面喷头、点喷头和线喷头的筒体与喷头托架中的通孔同轴固定安装，筒体上部与料管连接；所述取料驱动臂的竖直伸缩段可上下移动，其上部与移动顶梁的滑道配合安装，可沿移动顶梁滑道左右移动；所述移动顶梁两端下部与工作台上部的滑道配合安装，可沿工作台滑道前后移动。
所述混料罐组件由电机、联轴器、旋盖、混料筒、搅拌器组成；所述搅拌器上部与旋盖中心孔同轴安装，且能相对转动，搅拌器的上部轴端与联轴器的下部连接，整体与混料筒同轴安装；所述混料筒中部与固定板中心孔同轴固定安装，上部与旋盖同轴固定安装，底部连接接头与料管连接，旋盖上部的连接接头中一个与进气管连接，其余连接接头与料管连接；所述电机机体与电机固定架前端电机卡套同轴固定安装，电机下端与联轴器上端连接，电机通过联轴器驱动搅拌器在混料筒中旋转实现混料过程。
所述点喷头的喷头头部安装有压电元件。
所述面喷头的喷头头部至少开有2个喷孔。
所述旋盖.上部至少有三个连接接头。
所述混料筒.下部至少有1个连接接头。
任一项所述多喷头生物3D打印设备的控制方法包括如下步骤：
工作前，将所需气压压料罐内填充打印生物材料；
混料过程：根据当前的打印材料需求，向气压压料罐上部进气管加压，此时与气压压料罐下部对应的电磁换向阀阀组a的电磁换向阀得电开启，将所需生物材料按照配比输送到混料罐组件的混料筒内，待达到要求后，电磁换向阀阀组a的电磁换向阀失电关闭，切断气压压料罐的进气。然后混料罐组件上部的电机起动，通过联轴器带动下部的搅拌器旋转，将混料筒内的生物材料混合均匀；
打印过程：移动顶梁在工作台滑道上可前后移动，取料驱动臂在移动顶梁滑道上可左右移动，取料驱动臂自身竖直伸缩段可上下调节，在移动顶梁和取料驱动臂的配合运动下使取料驱动臂的前部卡抓可以卡住喷头托架中任意一个喷头的筒体部位，然后取料驱动臂上移，将所需喷头从喷头托架中取出，在移动顶梁和取料驱动臂的配合运动下控制所需喷头移动到打印位置，然后通过旋盖上的进气管对混料筒内通气加压，当电磁换向阀阀组b中与所需喷头对应的电磁换向阀得电开启，便可将混料筒内的生物材料通过料管从喷头中挤出，在移动顶梁和取料驱动臂配合运动下按照预定路径完成生物材料的打印工作；
根据所需打印生物组织的要求，可选择相应的点喷头、线喷头或面喷头或者交叉选用，精确、快速和高效地完成打印过程。
其有益效果是：
1、本发明能够自动完成配料和混料过程，无需人员干预，提高打印效率。
2、多喷头设计可更好地适应所需打印生物组织和器官的打印要求。
3、整个设备运动控制和结构简单，易于组装装配，降低制造成本。
附图说明
图1是一种自动配料和混料的多喷头生物3D打印设备等轴侧视图。
图2是混料罐组件结构示意图。
图3是点喷头结构示意图。
图4是面喷头结构示意图。
图5是线喷头结构示意图。
图6是取料驱动臂示意图。
在图1～图6中：
1、气压压料罐2、压料罐管夹3、固定板4、混料罐组件4.1电机4.2联轴器4.3旋盖4.4混料筒4.5搅拌器5、面喷头6、点喷头7、喷头托架8、线喷头9、电机固定架10、移动顶梁11、取料驱动臂12、工作台
具体实施方式
下面结合附图及实施例进一步说明本发明的具体结构、工作原理和工作过程内容。
如图1～图6所示，一种自动配料和混料多喷头生物3D打印设备包括气压压料罐1、压料罐管夹2、固定板3、电磁换向阀阀组a、电磁换向阀组b、混料罐组件4(如图2所示)、面喷头5(如图4所示)、点喷头6(如图3所示)、喷头托架7、线喷头8(如图5所示)、电机固定架9、移动顶梁10、取料驱动臂11(如图6所示)、工作台12、侧板13；所述电磁换向阀阀组a和电磁换向阀阀组b每一组至少由两个电磁换向阀组成，其固定安装在侧板13上，进出口接口均与料管连接；所述气压压料罐1上部与进气管连接，下部与料管连接，中部与压料罐管夹2同轴配合安装，且通过压料罐管夹2与侧板13固定安装，气压压料罐1的数量与组成电磁换向阀阀组a的电磁换向阀的数量相同；所述混料罐组件4上部与电机固定架9前端固定卡套同轴固定安装，中部与固定板3中心孔同轴固定安装；所述固定板3、电机固定架9、喷头托架7与侧板13前板面固定安装，侧板13底部与工作台12顶部固定安装；所述面喷头5、点喷头6和线喷头8的筒体与喷头托架7中的通孔同轴固定安装，筒体上部与料管连接；所述取料驱动臂11的竖直伸缩段可上下移动，其上部与移动顶梁10的滑道配合安装，可沿移动顶梁10滑道左右移动；所述移动顶梁10两端下部与工作台12上部的滑道配合安装，可沿工作台12滑道前后移动。
所述混料罐组件4(如图2所示)由电机4.1、联轴器4.2、旋盖4.3、混料筒4.4、搅拌器4.5组成；所述搅拌器4.5上部与旋盖4.3中心孔同轴安装，且能相对转动，搅拌器4.5的上部轴端与联轴器4.2的下部连接，整体与混料筒4.4同轴安装；所述混料筒4.4中部与固定板3中心孔同轴固定安装，上部与旋盖4.3同轴固定安装，底部连接接头与料管连接，旋盖4.3上部连接接头中一个与进气管连接其余与料管连接；所述电机4.1机体与电机固定架9前端电机卡套同轴固定安装，电机4.1下端与联轴器4.2上端连接，电机4.1通过联轴器4.2驱动搅拌器4.5在混料筒4.4中旋转实现混料过程。
自动配料和混料的多喷头生物3D打印设备工作原理和工作过程叙述如下：
工作前，将所需气压压料罐1内填充打印生物材料。
混料过程：根据当前的打印材料需求，向气压压料罐1上部进气管加压，此时与气压压料罐1下部对应的电磁换向阀阀组a的电磁换向阀得电开启，将所需生物材料按照配比输送到混料罐组件4的混料筒4.4内，待达到要求后，电磁换向阀阀组a的电磁换向阀失电关闭，切断气压压料罐1的进气。然后混料罐组件4上部的电机4.1起动，通过联轴器4.2带动下部的搅拌器4.5旋转，将混料筒4.4内的生物材料混合均匀。
打印过程：移动顶梁10在工作台12滑道上可前后移动，取料驱动臂11在移动顶梁10滑道上可左右移动，取料驱动臂11自身竖直伸缩段可上下调节，在移动顶梁10和取料驱动臂11的配合运动下使取料驱动臂11的前部卡抓卡住喷头托架7中任意一个喷头的筒体部位，然后取料驱动臂11上移，将所需喷头从喷头托架7中取出。在移动顶梁10和取料驱动臂11的配合运动下控制所需喷头移动到打印位置，然后通过旋盖4.3上的进气管对混料筒4.4内通气加压，当电磁换向阀阀组b中与所需喷头对应的电磁换向阀得电开启，便可将混料筒4.4内的生物材料通过料管从喷头中挤出。在移动顶梁10和取料驱动臂11配合运动下按照预定路径完成生物材料的打印工作。
根据所需打印生物组织的要求，可选择相应的点喷头6、线喷头8或面喷头5或者交叉选用，精确、快速和高效地完成打印过程。
以上内容是结合基体的右旋实施方式对本发明所作的进一步说明，不能认定本发明的具体实施只局限与这些说明。对本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还能做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种自动配料和混料的多喷头生物3D打印设备，其特征在于，包括气压压料罐（1）、压料罐管夹（2）、固定板（3）、电磁换向阀阀组a、电磁换向阀阀组b、混料罐组件(4)、面喷头(5)、点喷头(6)、喷头托架(7)、线喷头(8)、电机固定架 (9)、移动顶梁 (10)、取料驱动臂(11)、工作台(12)、侧板(13)；所述电磁换向阀阀组a和电磁换向阀阀组b均至少由两个电磁换向阀组成，电磁换向阀阀组a和电磁换向阀阀组b固定安装在侧板(13)上，其进出口接口均与料管连接；所述气压压料罐(1)上部与进气管连接，下部与混料罐组件(4)旋盖上部料管连接，中部与压料罐管夹(2)同轴配合安装，且通过压料罐管夹(2)与侧板(13)固定安装，气压压料罐(1)的数量与电磁换向阀阀组a内的电磁换向阀的数量相同；所述混料罐组件(4)上部与电机固定架(9)前端固定卡套同轴固定安装，中部与固定板(3)中心孔同轴固定安装；所述固定板(3)、电机固定架(9)、喷头托架(7)与侧板(13)前板面固定安装，侧板(13)底部与工作台(12)一侧的顶部固定安装；所述面喷头(5)、点喷头(6)和线喷头(8)的筒体与喷头托架(7)中的通孔同轴固定安装，筒体上部与混料罐组件(4)底部料管连接；所述取料驱动臂(11)的竖直伸缩段可上下移动，其上部与移动顶梁 (10)的滑道配合安装，可沿移动顶梁 (10)滑道左右移动；所述移动顶梁 (10)两端下部与工作台(12)上部的滑道配合安装，可沿工作台(12)滑道前后移动。
2.如权利要求1所述的一种自动配料和混料的多喷头生物3D打印设备，其特征在于，所述混料罐组件(4)由电机(4.1)、联轴器(4.2)、旋盖(4.3)、混料筒(4.4)、搅拌器(4.5)组成；所述搅拌器(4.5)上部与旋盖(4.3)中心孔同轴安装，且能相对转动，搅拌器(4.5)的上部轴端与联轴器(4.2)的下部连接，整体与混料筒(4.4)同轴安装；所述混料筒(4.4)中部与固定板(3)中心孔同轴固定安装，上部与旋盖(4.3)同轴固定安装，底部连接接头与混料罐组件(4)底部料管连接，旋盖(4.3)上部的连接接头中一个与进气管连接，其余连接接头与混料罐组件(4)旋盖上部料管连接；所述电机(4.1)机体与电机固定架 (9)前端电机卡套同轴固定安装，电机(4.1)下端与联轴器(4.2)上端连接，电机(4.1)通过联轴器(4.2)驱动搅拌器(4.5)在混料筒(4.4)中旋转实现混料过程。
3.如权利要求1所述的一种自动配料和混料的多喷头生物3D打印设备，其特征在于，所述点喷头(6)的喷头头部安装有压电元件。
4.如权利要求1所述的一种自动配料和混料的多喷头生物3D打印设备，其特征在于，所述面喷头(5)的喷头头部至少开有2个喷孔。
5.如权利要求2所述的一种自动配料和混料的多喷头生物3D打印设备，其特征在于，所述旋盖(4.3)上部至少有三个连接接头。
6.如权利要求2所述的一种自动配料和混料的多喷头生物3D打印设备，其特征在于，所述混料筒(4.4)下部至少有1个连接接头。
7.一种如权利要求1-6任一项所述多喷头生物3D打印设备的控制方法，其特征在于包括如下步骤：
工作前，将所需气压压料罐(1)内填充打印生物材料；
混料过程：根据当前的打印材料需求，向气压压料罐(1)上部进气管加压，此时与气压压料罐(1)下部对应的电磁换向阀阀组a的电磁换向阀得电开启，将所需生物材料按照配比输送到混料罐组件(4)的混料筒(4.4)内，待达到要求后，电磁换向阀阀组a的电磁换向阀失电关闭，切断气压压料罐(1)的进气；然后混料罐组件(4)上部的电机(4.1)起动，通过联轴器(4.2)带动下部的搅拌器(4.5)旋转，将混料筒(4.4)内的生物材料混合均匀；
打印过程：移动顶梁 (10)在工作台(12)滑道上可前后移动，取料驱动臂(11)在移动顶梁 (10)滑道上可左右移动，取料驱动臂(11)自身竖直伸缩段可上下调节，在移动顶梁(10)和取料驱动臂(11)的配合运动下使取料驱动臂(11)的前部卡抓可以卡住喷头托架(7)中任意一个喷头的筒体部位，然后取料驱动臂(11)上移，将所需喷头从喷头托架(7)中取出，在移动顶梁 (10)和取料驱动臂(11)的配合运动下控制所需喷头移动到打印位置，然后通过旋盖(4.3)上的进气管对混料筒(4.4)内通气加压，当电磁换向阀阀组b中与所需喷头对应的电磁换向阀得电开启，便可将混料筒(4.4)内的生物材料通过混料罐组件(4)底部料管从喷头中挤出，在移动顶梁 (10)和取料驱动臂(11)配合运动下按照预定路径完成生物材料的打印工作；
根据所需打印生物组织的要求，可选择相应的点喷头(6)、线喷头(8)或面喷头(5)或者交叉选用，精确、快速和高效地完成打印过程。
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