CN107505959A - 一种3d打印机封闭空间的温度和洁净度控制系统及生物3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种3D打印机封闭空间的温度和洁净度控制系统及生物3D打印机。一种3D打印机封闭空间的温度和洁净度控制系统，其中，包括系统外壳和支撑板，所述支撑板设在所述系统外壳的开口上，并与所述系统外壳围成一个腔体，所述系统外壳上设有半导体温控装置，所述半导体温控装置至少部分置于所述腔体中，所述支撑板上设有空气滤清装置。本发明利用小体积无噪音的半导体制冷片实现了被控区域的温度控制，利用高效海帕过滤器实现空气洁净度控制，从而降低了3D打印机的外观体积和复杂程度，提升了细胞的成活率。

Description

一种3D打印机封闭空间的温度和洁净度控制系统及生物3D打 印机

技术领域

本发明涉及3D打印设备技术领域，更具体地，涉及一种3D打印机封闭空间的温度和洁净度控制系统及生物3D打印机。

背景技术

生物3D打印技术是借助3D打印的原理将具有生物相容性的材料或者细胞直接打印成所需要的三维结构。比较常见的有两种形式，挤出式打印和喷墨式打印。由于生物材料的特殊性，拥有构建三维结构的生物材料需要在成型区域内及时的完成固化成形，否则会严重影响整个三维结构的稳定性和打印精度。常见的材料固化方式有化学交联法，利用气动方式将生物材料，即溶胶态的细胞溶液，喷射至成形平台上的交联剂溶液中，利用化学交联的方式使溶胶态的细胞溶液凝胶转变成凝胶态，最终成形。这种成形方式的缺点在于：引入了交联剂，固化后的材料单元表面存在交联剂，导致被制造的三维结构层与层之间连接不可靠，难以打印较复杂结构的三维模型。针对以上弊端，有人提出可以利用材料本身的温敏特性实现固化成形，通过控制温度在不同区域的梯度变化，使得明胶基的细胞溶液在打印过程中由溶胶状态逐步相变至最终的凝胶状态。为了实现温敏成形，一般会把具有正温敏特性的材料打印到温度较低的成型平台或者空间内，为了实现较低温度控制，一般会选择压缩机制冷的方式降低被控区域的温度，但由于压缩机机组的体积较大且噪音无法消除，会使得整个3D打印机增加额外的体积和噪声产出，且该装置中的细胞所处的环境容易受到污染，细胞成活率较低。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种3D打印机封闭空间的温度和洁净度控制系统。本发明利用小体积无噪音的半导体制冷片实现了被控区域的温度控制，利用高效海帕过滤器实现空气洁净度控制，从而降低了3D打印机的外观体积和复杂程度，提升了细胞的成活率。

本发明的另一个目的是提供一种具有上述温度和洁净度控制系统的生物3D打印机。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种3D打印机封闭空间的温度和洁净度控制系统，其中，包括系统外壳和支撑板，所述支撑板设在所述系统外壳的开口上，并与所述系统外壳围成一个腔体，所述系统外壳上设有半导体温控装置，所述半导体温控装置至少部分置于所述腔体中，所述支撑板上设有空气滤清装置。

半导体温控装置以半导体制冷片为核心器件可以实现高温加热和低温制冷输出。半导体制冷片是一种热电制冷技术，它利用直流电通过不同材料的热电偶时产生的冷热温差实现对外的温度输出。对于正温敏特性的生物材料，我们需要控制打印机封闭空间或者打印平台处于一个较低的温度(相对于环境温度)，因此，需要利用半导体制冷片的冷端对上述区域进行降温，并且要控制半导体制冷片的热端，使热端保持在一个合理的温度范围内。对于逆温敏特性的材料，则需要利用半导体制冷片的热端对上述区域进行升温，并且控制半导体制冷片的冷端使其处于合理的温度范围。另外，考虑到生物3D打印材料的特殊性，成型室空气中的灰尘微生物会对打印过程中的生物材料或者细胞造成不可修复的损伤，因此需要对成型室空气进行严格滤清洁净处理。因此，在支撑板上设置空气滤清装置来完成整个设备密闭空间内的空气滤清处理。

进一步的，所述半导体温控装置设在所述系统外壳的顶面上，所述半导体温控装置包括半导体制冷片、热交换器和换热器，所述半导体制冷片一侧与所述热交换器连接，另一侧与所述换热器连接，所述换热器至少部分置于所述腔体中。优选的，所述换热器置于所述腔体中，且所述换热器与所述系统外壳顶面的内壁紧贴。当被控温区域需要进行制冷时，在半导体制冷片上通上直流电，使得半导体制冷片与热交换器贴合的一侧成为热端，则半导体制冷片与换热器贴合的一侧就为冷端，半导体制冷片中通过直流电时，热端的热量被热交换器带走，冷端的低温被换热器吸收并向被制冷区域不断进行对流用以降低被控区域的温度。当被控温区域需要进行加热时，通过改变半导体制冷片上通过的直流电的方向，使得半导体制冷片的冷、热端对调，其热端为与换热器贴合的一侧，冷端为与热交换器贴合的一侧，冷端产生的低温被热交换器带走，热端产生的热量被换热器吸收并向被加热区域不断进行对流用以提升被控区域的温度。

进一步的，所述系统外壳的顶面相对于水平面倾斜设置。所述支撑板和系统外壳围成的腔体内部，在系统外壳顶面的最低端处设有吸水海绵。在利用半导体制冷片冷端对被控温区域进行制冷时，由于温度下降，冷端周围的水蒸气会放热相变，由气态变为液态并积聚到半导体制冷片冷端，当半导体制冷片冷端处于水平安装位置时，积液会产生滴落，滴落的积液可能会通过空气滤清装置掉进成型室并造成设备的短路或者细胞的污染，为了克服上述现象，安装半导体制冷片的系统外壳顶面被设计为倾斜设置，当产生积液时，积液会沿着系统外壳顶面的斜面向低处滑动并最终被收集处理，其中沿系统外壳顶面的内壁向低处滑动的积液最终被吸水海绵吸收，这样就避免了积液随意滴落的现象。

进一步的，所述换热器由导热性能优良的铝材质制成，所述换热器上设有翅片结构，翅片状结构可以增大换热器与空气的接触面积，这样可以提高换热器的换热效率。所述热交换器的热交换方式为液体热交换或气体热交换。

进一步的，所述空气滤清装置包括设在所述支撑板上的进风口和出风口，以及分别设在所述进风口和出风口上的过滤装置和抽风装置，所述过滤装置和抽风装置置于所述腔体内部。优选的，所述过滤装置为海帕过滤器，所述抽风装置为静音扰流风扇。本发明的控制系统使用时固定在3D打印机打印室上方，且控制系统的出风口与3D打印机打印室相通。为了提高打印机被控区域温度响应的速度，需要提高热量交换的速度，因此，本发明在出风口上设置了静音扰流风扇用以改变热对流的方式，在扰流风扇的帮助下，换热器与打印机成型室中的空气的热交换由自然对流变为强制对流，热交换效率提高几十倍。由于生物3D打印对环境要求的特殊性，需要严格控制打印室区域的洁净度，因此，本发明在入风口设置了利用高效海帕作为滤芯的海帕过滤器对成型室中的空气进行滤清处理，海帕过滤器包括两个对称固定在封口支撑板上的海帕，封口支撑板上开有通风槽，空气通过通风槽进入系统内部，并被封口支撑板上的海帕进行过滤，由于系统密闭设计，在出风口的扰流风扇的带动下，空气会不断从入风口进入，滤清后再通过出风口回到成型室，不断循环直至达到设定的温度和洁净度值。

进一步的，所述系统外壳和支撑板上设有用于将该控制系统固定在3D打印机打印室上方的螺丝孔，方便本发明控制系统的安装。

本发明还提供一种生物3D打印机，其中，该生物3D打印机包括上述的温度和洁净度控制系统，该温度和洁净度控制系统设在生物3D打印机的打印室上方。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的半导体温控装置以半导体制冷片为核心器件，可以实现高温加热和低温制冷输出，实现了生物3D打印机封闭空间的低温制冷与高温加热集成控制。

本发明的换热器采用导热性能优良的铝材质制成，并且设置了翅片结构以增大换热器与空气的接触面积，同时在支撑板的出风口上设置了扰流风扇，将换热器与打印机成型室中的空气的热交换由自然对流变为强制对流，提高了热交换效率，进而提高了生物3D打印机封闭空间内制冷与制热的速度。

本发明在支撑板的进风口上设置了利用高效海帕作为滤芯的海帕过滤器对成型室中的空气进行滤清处理，实现了进入生物3D打印机封闭空间内空气的清洁过滤，进而实现了3D打印机封闭空间内洁净度的控制。

本发明的温度和洁净度控制系统体积小，结构紧凑，减小了生物3D打印机温控系统的体积和复杂程度。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的爆炸示意图。

图3是本发明的俯视图。

图4是图3中A-A的剖视图。

图5是本发明中换热器的结构示意图。

图6是本发明中过滤装置的结构示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

实施例1

如图1到图4所示，一种3D打印机封闭空间的温度和洁净度控制系统，其中，包括系统外壳1和支撑板2，所述支撑板2设在所述系统外壳1的开口上，并与所述系统外壳1围成一个腔体，所述系统外壳1上设有半导体温控装置，所述半导体温控装置至少部分置于所述腔体中，所述支撑板2上设有空气滤清装置。半导体温控装置以半导体制冷片为核心器件可以实现高温加热和低温制冷输出。半导体制冷片是一种热电制冷技术，它利用直流电通过不同材料的热电偶时产生的冷热温差实现对外的温度输出。对于正温敏特性的生物材料，我们需要控制打印机封闭空间或者打印平台处于一个较低的温度(相对于环境温度)，因此，需要利用半导体制冷片的冷端对上述区域进行降温，并且要控制半导体制冷片的热端，使热端保持在一个合理的温度范围内。对于逆温敏特性的材料，则需要利用半导体制冷片的热端对上述区域进行升温，并且控制半导体制冷片的冷端使其处于合理的温度范围。另外，考虑到生物3D打印材料的特殊性，成型室空气中的灰尘微生物会对打印过程中的生物材料或者细胞造成不可修复的损伤，因此需要对成型室空气进行严格滤清洁净处理。因此，在支撑板2上设置空气滤清装置来完成整个设备密闭空间内的空气滤清处理。

如图4所示，所述半导体温控装置设在所述系统外壳1的顶面上，所述半导体温控装置包括半导体制冷片3、热交换器4和换热器5，所述半导体制冷片3一侧与所述热交换器4连接，另一侧与所述换热器5连接，所述换热器5至少部分置于所述腔体中。优选的，所述换热器5置于所述腔体中，且所述换热器5与所述系统外壳1顶面的内壁紧贴。当被控温区域需要进行制冷时，在半导体制冷片3上通上直流电，使得半导体制冷片3与热交换器4贴合的一侧成为热端，则半导体制冷片3与换热器5贴合的一侧就为冷端，半导体制冷片3中通过直流电时，热端的热量被热交换器4带走，冷端的低温被换热器5吸收并向被制冷区域不断进行对流用以降低被控区域的温度。当被控温区域需要进行加热时，通过改变半导体制冷片3上通过的直流电的方向，使得半导体制冷片3的冷、热端对调，其热端为与换热器5贴合的一侧，冷端为与热交换器4贴合的一侧，冷端产生的低温被热交换器4带走，热端产生的热量被换热器5吸收并向被加热区域不断进行对流用以提升被控区域的温度。

如图2和图4所示，所述系统外壳1的顶面相对于水平面倾斜设置。所述支撑板2和系统外壳1围成的腔体内部，在系统外壳1顶面的最低端处设有吸水海绵。在利用半导体制冷片3冷端对被控温区域进行制冷时，由于温度下降，冷端周围的水蒸气会放热相变，由气态变为液态并积聚到半导体制冷片3冷端，当半导体制冷片3冷端处于水平安装位置时，积液会产生滴落，滴落的积液可能会通过空气滤清装置掉进成型室并造成设备的短路或者细胞的污染，为了克服上述现象，安装半导体制冷片3的系统外壳1顶面被设计为倾斜设置，当产生积液时，积液会沿着系统外壳1顶面的斜面向低处滑动并最终被收集处理，其中沿系统外壳1顶面的内壁向低处滑动的积液最终被吸水海绵吸收，这样就避免了积液随意滴落的现象。

如图5所示，所述换热器5由导热性能优良的铝材质制成，所述换热器5上设有翅片结构51，翅片结构51可以增大换热器5与空气的接触面积，这样可以提高换热器5的换热效率。所述热交换器4的热交换方式为液体热交换或气体热交换。

如图1、图2、图4和图6所示，所述空气滤清装置包括设在所述支撑板2上的进风口6和出风口7，以及分别设在所述进风口6和出风口7上的过滤装置8和抽风装置9，所述过滤装置8和抽风装置9置于所述腔体内部。优选的，所述过滤装置8为海帕过滤器，所述抽风装置9为静音扰流风扇。本发明的控制系统使用时固定在3D打印机打印室上方，且控制系统的出风口7与3D打印机打印室相通。为了提高打印机被控区域温度响应的速度，需要提高热量交换的速度，因此，本发明在出风口7上设置了静音扰流风扇用以改变热对流的方式，在扰流风扇的帮助下，换热器5与打印机成型室中的空气的热交换由自然对流变为强制对流，热交换效率提高几十倍。由于生物3D打印对环境要求的特殊性，需要严格控制打印室区域的洁净度，因此，本发明在入风口设置了利用高效海帕61作为滤芯的海帕过滤器对成型室中的空气进行滤清处理，海帕过滤器包括两个对称固定在封口支撑板62上的海帕61，封口支撑板62上开有通风槽，空气通过通风槽进入系统内部，并被封口支撑板62上的海帕61进行过滤，由于系统密闭设计，在出风口7的扰流风扇的带动下，空气会不断从入风口进入，滤清后再通过出风口7回到成型室，不断循环直至达到设定的温度和洁净度值。

本实施例中，所述系统外壳1和支撑板2上设有用于将该控制系统固定在3D打印机打印室上方的螺丝孔，方便本发明控制系统的安装。

实施例2

一种生物3D打印机，其中，该生物3D打印机包括实施例1所述的温度和洁净度控制系统，该温度和洁净度控制系统设在生物3D打印机的打印室上方。该温度和洁净度控制系统的工作原理与实施例1相同。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种3D打印机封闭空间的温度和洁净度控制系统，其特征在于，包括系统外壳（1）和支撑板（2），所述支撑板（2）设在所述系统外壳（1）的开口上，并与所述系统外壳（1）围成一个腔体，所述系统外壳（1）上设有半导体温控装置，所述半导体温控装置至少部分置于所述腔体中，所述支撑板（2）上设有空气滤清装置。

2.根据权利要求1所述的一种3D打印机封闭空间的温度和洁净度控制系统，其特征在于，所述半导体温控装置设在所述系统外壳（1）的顶面上，所述半导体温控装置包括半导体制冷片（3）、热交换器（4）和换热器（5），所述半导体制冷片（3）一侧与所述热交换器（4）连接，另一侧与所述换热器（5）连接，所述换热器（5）至少部分置于所述腔体中。

3.根据权利要求2所述的一种3D打印机封闭空间的温度和洁净度控制系统，其特征在于，所述换热器（5）置于所述腔体中，且所述换热器（5）与所述系统外壳（1）顶面的内壁紧贴。

4.根据权利要求2所述的一种3D打印机封闭空间的温度和洁净度控制系统，其特征在于，所述系统外壳（1）的顶面相对于水平面倾斜设置。

5.根据权利要求4所述的一种3D打印机封闭空间的温度和洁净度控制系统，其特征在于，所述支撑板（2）和系统外壳（1）围成的腔体内部，在系统外壳（1）顶面的最低端处设有吸水海绵（11）。

6.根据权利要求2或3所述的一种3D打印机封闭空间的温度和洁净度控制系统，其特征在于，所述换热器（5）由导热性能优良的铝材质制成，所述换热器（5）上设有翅片结构（51），所述热交换器（4）的热交换方式为液体热交换或气体热交换。

7.根据权利要求1所述的一种3D打印机封闭空间的温度和洁净度控制系统，其特征在于，所述空气滤清装置包括设在所述支撑板（2）上的进风口（6）和出风口（7），以及分别设在所述进风口（6）和出风口（7）上的过滤装置（8）和抽风装置（9），所述过滤装置（8）和抽风装置（9）置于所述腔体内部。

8.根据权利要求7所述的一种3D打印机封闭空间的温度和洁净度控制系统，其特征在于，所述过滤装置（8）为海帕过滤器，所述抽风装置（9）为静音扰流风扇。

9.根据权利要求1所述的一种3D打印机封闭空间的温度和洁净度控制系统，其特征在于，所述系统外壳（1）和支撑板（2）上设有用于将该控制系统固定在3D打印机打印室上方的螺丝孔。

10.一种生物3D打印机，其特征在于，所述生物3D打印机包括权利要求1-9任一项所述的温度和洁净度控制系统。