CN106137457A - 一种用于3d血管打印的制造平台系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种用于3D生物血管打印的制造平台系统，旨在解决目前3D血管打印缺乏相应的打印系统平台的问题。该平台以直线电机和旋转电机作为其动力系统，构建五轴运动系统。在X轴上加入双动子，驱动两个Z轴运动，并在Z轴上安装打印喷头，通过Z轴带动打印喷头在空间上下运动。在Y轴上添加一个旋转轴C轴，作为血管打印承载平台。在实际打印中，双Z轴带动两个打印喷头在空间上相对旋转轴C轴运动，配合旋转轴进行多喷头打印，提高了打印的精度，满足了血管的3D打印需求。

Description

一种用于3D血管打印的制造平台系统

技术领域

本发明涉及一种制造平台系统，具体为一种用于3D生物血管打印的多维运动制造平台系统。

背景技术

近年来，器官移植技术得到了飞越式发展，但同时也面临着器官来源不足等问题。因此目前很多研究都在寻找替代活体器官的新技术，而3D生物打印技术是当前发展的主要趋势。

血管类疾病是当前人类疾病的重要问题之一，对人体身体健康构成重大的危险。报告显示2012年我国心血管病现患人数已达2.9亿，每年约有350万人死于心血管疾病，占总死亡原因的41%，居各种疾病之首。目前常用解决血管类疾病的方法是进行血管的置换和移植，由于缺乏活体血管，一般采用人工生物材料血管做替换，它存在的问题是人体排异性和细菌感染。因此，研究制造用病人活体细胞制造血管的3D打印技术，开发相应的打印设备对人类具有非常重要的意义。

目前还未有用于3D血管打印的制造平台系统，主要的平台系统还是普通的三维运动平台，一般采用普通伺服电机设计，其在精度和设计要求上都无法满足针对血管的3D打印需求。由于血管其自有特点，它需要特殊的支撑结构，需要两种或多种生物墨汁进行快速打印，以提高打印效率和打印血管的成活率。开发这样的系统，对活体血管的制造及后期的血管移植具有极为重要的意义。

发明内容

本发明提供了一种用于3D生物血管打印的多维运动制造平台系统，该平台以直线电机和旋转电机作为其动力系统，构建五轴运动系统。在X轴上加入两个动子，驱动两个Z轴运动，并在两个Z轴上安装打印喷头，通过Z轴带动打印喷头在空间上下运动。同时，在Y轴上添加一个旋转轴C轴，作为血管打印承载平台。在实际打印中，Z轴带动打印喷头在空间上相对旋转轴C轴运动，进行3D生物血管打印，满足打印3D血管的需求。

本发明为了满足以上目的，提供了一种如下技术方案:一种用于3D血管打印的制造平台，包括机架、X轴运动机构、Y轴运动机构、第一Z轴运动机构、第二Z轴运动机构、C轴旋转运动机构、第一打印喷头和第二打印喷头；所述的X轴运动机构位于机架的支撑平台上方，Z轴运动机构以垂直水平面方向竖直安装在X轴运动机构上，Y轴运动机构垂直于X轴方向安装在机架的支撑平台上，C轴旋转运动机构位于Z轴运动机构下方，且与X轴运动机构平行，所述的第一打印喷头和第二打印喷头分别固定安装在第一Z轴运动机构和第二Z轴运动机构上，X轴运动机构和第一、第二Z轴运动机构分别带动第一、第二打印喷头做X轴和Z轴运动；C轴旋转运动机构位于Y轴运动机构的滑动板上，能够随Y轴运动机构在Y轴方向上运动， C轴旋转运动机构为平行排列式或竖直排列式，可实现流水线式作业或者通过两个打印喷头进行分别打印。

进一步地X轴运动机构由直线电机、拖链、导轨、光栅、读数头、连接板组成，其中直线电机的类型为平板式或U型直线电机，直线电机动子为1个或多个，与Z轴运动机构结合，可形成1个或多个Z轴；X轴运动机构的直线电机、拖链、导轨、读数头四者处于平行安装在机架支撑平台上，通过连接板将四者相对固定在一起，光栅安装在机架上。

Y轴运动机构由直线电机、拖链、导轨、光栅、读数头、滑动板组成，其中直线电机类型为平板式或U型直线电机，Y轴运动直线电机的动子由1个或多个组成，以形成更为复杂的运动；Y轴运动机构的直线电机、拖链、导轨、读数头四者处于平行安装在机架的支撑平台上，通过滑动板连接相对固定在一起；Y轴电机与支持平台的安装上有两种方式，一种方式是直线电机的磁性定子固定在支撑平台上，直线电机动子与滑动板连接，由电机动子带动滑动板相对机架做Y轴运动；另一种方式是直线电机的动子固定在机架的支撑平台上，直线电机定子相对支撑平台在Y轴方向滑动，滑动板由电机定子带动移动。

第一Z轴运动机构和第二Z轴机构都由伺服电机、丝杠、滑块和移动平台构成；其中，第一Z轴运动机构固定在X轴运动机构的第一个动子上，第二Z轴运动机固定在X轴运动机构的第二动子上，伺服电机带动丝杠转动，丝杠带动滑块在Z轴方向移动，同时滑块带动移动平台运动，打印喷头安装固定在移动平台上，跟随移动平台一起在Z轴方向上运动。

机架上的支撑平台材质为大理石、不锈钢、铸铁或塑料。机架整体结构为龙门式结构，让Y轴与X轴、Z轴分离，Y轴只带动C轴旋转运动机构运动；机架为框式结构，Y轴带动X轴和Z轴运动，C轴旋转运动机构固定在支撑平台上。

C轴旋转运动机构为竖直排列式，通过调整两个喷头在Y轴方向的相对距离，可同时对两个C轴旋转运动机构进行分别打印。

在实际打印过程中，C轴旋转运动机构由Y轴运动机构带动移动到打印喷头下方，在打印一次完毕后，Y轴运动机构带动C轴旋转运动机构前进；如安装有多个C轴旋转运动机构，则让下一个C轴旋转运动机构移动到喷头下方继续相关打印，已打印完成的C轴旋转运动机构可进行后续相关打印处理。

在本发明发明中，采用了双喷头机构和C轴旋转运动机构的设计，在实际血管打印过程中具有如下的优点：

1.双喷头设计，能够同时进行多种材料的相互打印，满足了血管打印中对不同墨汁需要同时打印的需求；

2.将直线电机设计在X轴和Y轴上，相对于传统的旋转机构，精度和寿命具有较大的提高；

3.C轴旋转运动机构作为血管支架，可确保打印血管的位置精度及长度正确；

4.C轴旋转运动机构的设计和双喷头的设计能够加快血管打印的速度，满足实际生物打印过程中对打印速度的需求。

附图说明

图1：龙门式制造平台整体结构示意图

图2：C轴旋转运动机构竖直排布方式示意图

其中：1是机架，2是X轴运动机构，3是第一Z轴运动机构，4是第二Z轴运动机构，5是第一打印喷头，6是第二打印喷头，7是Y轴运动机构，8是C轴旋转运动机构，9是机架的支撑平台，10是第一个C轴旋转运动机构，11是第二个C轴旋转运动机构，12是第三个C轴旋转运动机构。

具体实施方式

为进一步阐述本发明专利的可行性、实用性以及操作简便型，本发明将结合示意图对发明专利进行详细的描述。

参考图1，本发明提供了一种用于3D血管打印的多维运动制造平台系统，其主要包括X轴运动机构2、Y轴运动机构7和第一Z轴运动机构3，第二Z轴运动机构4，C轴旋转运动机构8及其相应的机架1，第一打印喷头5和第二打印喷头6。所述的X轴运动机构水平位于机架1的支撑平台上，两个Z轴运动机构以垂直水平面方向竖直安装在X轴运动机构上，Y轴运动机构安装在水平面下方垂直于X轴运动方向机架的支撑平台上，C轴旋转运动机构位于Z轴运动机构的下方，与X轴运动机构平行，安装在Y轴运动机构的运动平台上，所述的第一打印喷头5和第二打印喷头6分别安装在第一Z轴运动机构3和第二Z轴运动机构4上。

在本发明中，X轴运动机构由直线电机、拖链、导轨、光栅、读数头、连接板组成，其中直线电机类型可以为平板式、U型直线电机，X轴运动机构的直线电机动子可以由1个、2个或多个组成；X轴运动机构的直线电机、拖链、导轨、光栅读数头四者处于平行安装在支撑平台上，通过连接板相对固定在一起。

在本发明中，Y轴运动机构由直线电机、拖链、导轨、光栅、读数头、滑动板组成，其中直线电机类型可以为平板式、U型直线电机，Y轴运动机构的直线电机的动子可以由1个、2个或多个组成；Y轴运动机构的直线电机、拖链、导轨、光栅读数头四者处于平行安装在支撑平台上。Y轴运动机构的直线电机与支持平台的安装上有两种方式，一种方式是直线电机的磁性定子固定在支撑平台上，直线电机动子与滑动板连接，由电机动子带动滑动板运动；另一种方式是直线电机的动子固定在支撑平台上，直线电机定子相对动子滑动，滑动板由磁性定子带动移动。

本发明中，第一Z轴运动机构和第二Z轴运动机构都由伺服电机、丝杠、滑块和移动平台构成。其中，第一Z轴运动机构固定在X轴运动机构1上，第二Z轴运动机构固定在X轴运动机构2上，伺服电机带动丝杠转动，丝杠带动滑块在Z轴方向移动，同时滑块带动移动平台运动，打印喷头固定在移动平台上。

C轴旋转运动机构位于Y轴运动机构的滑动板上，由Y轴运动机构带动在Y轴方向上运动，与X轴、Z轴配合，形成空间相对运动。C轴旋运动机构数量根据实际需求而定，竖直排成一列安装在滑动板上，如附图2所示，其中10、11、12为排成一列的C轴旋转运动机构。

本发明中，机架的支撑平台可以为大理石，不锈钢或铸铁、塑料，机架整体结构可以为龙门式结构，让Y轴与X轴、Z轴分离，Y轴只带动C轴旋转运动机构运动；也可以为框式结构，Y轴带动X轴和Z轴运动，C轴旋转运动机构固定在支撑平台上。喷头的运动也可以用机器人带动在C轴旋转运动机构上运动实现3D打印。

在龙门结构的实际打印过程中，C轴旋转运动机构由Y轴运动机构带动移动到打印喷头下方，C轴旋转，同时喷头在X,Z，Y轴的驱动下，把打印材料均匀打印在C轴旋转杆上。在一次打印完毕后，Y轴运动机构带动C轴旋转运动机构前进，让下一个C轴旋转运动机构移动到喷头下方继续打印一新的血管。在框架结构中，C轴旋转运动机构固定在支撑平台上，喷头由xyz三轴带动移动到C轴旋转轴上方进行相关打印。

本发明并不局限于上诉实施方式，本发明的精髓是把生物材料打印在C轴支架上，喷头的运动也可以由其它方式实现，如机器人。如果对本发明的各种改动和变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也包含这些改动和变型。

Claims (7)

1. 一种用于3D血管打印的制造平台，其特征在于，包括机架、X轴运动机构、Y轴运动机构、第一Z轴运动机构、第二Z轴运动机构、C轴旋转运动机构、第一打印喷头和第二打印喷头；所述的X轴运动机构位于机架的支撑平台上方，第一、第二Z轴运动机构以垂直水平面方向竖直安装在X轴运动机构上，Y轴运动机构垂直于X轴方向安装在机架的支撑平台上，C轴旋转运动机构位于Z轴运动机构下方，且与X轴运动机构平行，所述的第一打印喷头和第二打印喷头分别固定安装在第一Z轴运动机构和第二Z轴运动机构上，X轴运动机构和第一、第二Z轴运动机构分别带动第一、第二打印喷头做X轴和Z轴运动；第一、第二Z轴运动机构交替协同运动以成型血管；C轴旋转运动机构位于Y轴运动机构的滑动板上，能够随Y轴运动机构在Y方向上运动， C轴旋转运动机构为多个平行排列式，可实现流水线式作业。

2.根据权利要求1所述的制造平台，其特征在于，X轴运动机构由直线电机、拖链、导轨、光栅、读数头、连接板组成，其中直线电机的类型为平板式或U型直线电机，直线电机动子为1个或多个，与Z轴运动机构结合，可形成1个或多个Z轴；X轴运动机构的直线电机、拖链、导轨、读数头四者处于平行安装在机架的支撑平台上，通过连接板将四者相对固定在一起，光栅安装在支撑平台上。

3.根据权利要求1所述的制造平台，其特征在于，Y轴运动机构由直线电机、拖链、导轨、光栅、读数头、滑动板组成，其中直线电机类型为平板式或U型直线电机，Y轴运动直线电机的动子由1个或多个组成，以形成更为复杂的运动；Y轴运动机构的直线电机、拖链、导轨、读数头四者处于平行安装在机架的支撑平台上，通过滑动板连接相对固定在一起；Y轴电机与支撑平台的安装有两种方式，一种方式是直线电机的磁性定子固定在支撑平台上，直线电机动子与滑动板连接，由电机动子带动滑动板相对支撑平台做Y轴运动；另一种方式是直线电机的动子固定在支撑平台上，直线电机的磁性定子相对支撑平台在Y轴方向滑动，滑动板由电机磁性定子带动移动。

4.根据权利要求1所述的制造平台，其特征在于，第一Z轴运动机构和第二Z轴机构都由伺服电机、丝杠、滑块和移动平台构成；其中，第一Z轴运动机构固定在第一X轴运动机构上，第二Z轴运动机固定在第二X轴运动机构上，伺服电机带动丝杠转动，丝杠带动滑块在Z轴方向移动，同时滑块带动移动平台运动，打印喷头安装固定在移动平台上，跟随移动平台一起在Z轴方向上运动。

5.根据权利要求1所述的制造平台，其特征在于，机架上的支撑平台的材质为大理石、不锈钢、铸铁或塑料，机架整体结构为龙门式，Y轴运动机构与X轴运动机构和Z轴运动机构分离，Y轴运动机构仅带动C轴旋转运动机构运动。

6.机架为框式结构，Y轴带动X轴和Z轴运动，C轴旋转运动机构固定在支撑平台上。

7.根据权利要求1所述的制造平台，其特征在于，C轴旋转运动机构为竖直排列式，通过两个打印喷头进行分别打印。