CN108032517B - 一种两区段独立温控生物3d打印喷头 - Google Patents

一种两区段独立温控生物3d打印喷头 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种两区段独立温控生物3D打印喷头。一种两区段独立温控生物3D打印喷头,其中,包括主壳体、料筒、喷头挤出装置以及喷头针头,主壳体内部设有第一温控装置,料筒插设在第一温控装置内,料筒的底端通过进料管与喷头挤出装置连接,喷头挤出装置的底端设有出料管,喷头针头与出料管连接,并穿出到主壳体底部外侧,喷头针头的末端与出料管的顶端之间设有第二温控装置,第一温控装置和第二温控装置之间设有防止温度相互干扰的绝热装置。本发明实现了喷头料筒区段和喷头针头区段的独立温度控制,喷头可实现梯度温度控制,各梯度值相互独立控温互不影响。

Description

一种两区段独立温控生物3D打印喷头
技术领域
本发明涉及3D打印设备技术领域,更具体地,涉及一种两区段独立温控生物3D打印喷头。
背景技术
生物3D打印是指利用具有良好生物相容性的生物材料或细胞并借助具有复杂成形运动的多维打印机等设备进行生物制造的技术。其中,生物材料或细胞直接与打印机的打印喷头接触,通过喷头挤出或者喷射的方式聚集到打印机的成型平台上从而获得需要的支架以及组织器官模型。在该过程中,打印机的喷头起到关键作用,打印喷头除了满足基本的生物学要求外还需要对生物材料或细胞进行打印温度预处理,即为最终成形提供恰当的前置温度环境。
目前,现有喷头对温度的控制往往局限于对喷头所有区段统一温控,若材料从较高温度的喷头挤出到低温成型平台则会存在温度突降,温度突变会降低细胞的成活率。一般现有喷头的温度控制往往不能实现针头末端的温度控制,针头堵塞多会由此产生,实现针尖的温度控制则可以较好解决针头堵塞问题。为了确定材料余量与模型体积的匹配程度,打印喷头应当在不拆卸料筒的前提下方便的观察料筒中材料的剩余情况,除此之外喷头还应当便于清洗以便再次使用。
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,提供一种两区段独立温控生物3D打印喷头。本发明在料筒和喷头针头处分别设置了第一温控装置和第二温控装置,实现了喷头料筒区段和喷头针头区段的独立温度控制,喷头可实现梯度温度控制,各梯度值相互独立控温互不影响。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:一种两区段独立温控生物3D打印喷头,其中,包括主壳体、料筒、喷头挤出装置以及喷头针头,所述主壳体内部设有第一温控装置,所述料筒插设在所述第一温控装置内,所述料筒的底端通过进料管与所述喷头挤出装置连接,优选的,所述料筒的底端与所述进料管可拆卸连接,进一步优选的,所述料筒的底端与所述进料管通过螺纹旋转连接,料筒与进料管的螺纹固定方式为操作者提供了快速更换料筒的可能性。所述喷头挤出装置的底端设有出料管,所述喷头针头与所述出料管连接,并穿出到所述主壳体底部外侧,优选的,所述喷头针头与所述出料管可拆卸连接,进一步优选的,所述喷头针头与所述出料管通过螺纹旋转连接,这样可以方便更换不同规格的喷头针头,优选的,采用导热系数较大的金属材质针头。优选的,所述喷头针头外围套设有与所述主壳体底部可拆卸连接的针头绝热套,这样可以隔绝喷头针头跟外界的热交换。当需要更换不同口径的喷头针头或者需要清理喷头针头时只需要将喷头针头处的针头绝热套拧下并将喷头针头旋出即可实现喷头针头的更换。所述喷头针头末端与所述出料管的顶端之间设有第二温控装置,所述第一温控装置和第二温控装置之间设有防止温度相互干扰的绝热装置。
在生物3D打印过程中,生物材料或细胞悬液首先被装载到恒定温度的料筒中并被推挤到针尖末端,之后在多轴运动平台的带动下按照软件设定的预定轨迹运动并将生物材料或细胞悬液堆叠到较低温度的成型平台上。在该过程中喷头中材料的温度一般维持在37℃左右,而成型平台的温度则会接近0℃。三十度左右的温差会强烈刺激细胞活性并影响材料的成型效果。本发明中,在料筒处和喷头针头处分别设置了第一温控装置和第二温控装置,分别单独控制由料筒至喷头挤出装置段(下称料筒段)以及喷头挤出装置至喷头针头段(下称针头段)的温度。这样就可以分别控制料筒段和针头段的温度值,使得料筒段、针头段以及低温平台形成三个梯度温度变化,以便最大化降低温度突变带来的不利影响。其中,料筒段和针头段的温度变化被集成在喷头上,以上两段区域的温度可独立设定,并且第一温控装置和第二温控装置之间设置了绝热装置,这就保证了料筒段及针头段的温度互不产生影响。
进一步的,所述第一温控装置包括料筒发热块,所述料筒插设在所述料筒发热块中,所述料筒发热块上设有第一加热棒和温度传感装置。所述料筒发热块呈“L”型,所述第一加热棒设在所述料筒发热块上靠近料筒的中间位置,以便为整个料筒段提供热源,所述温度传感装置包括第一温度传感器和第二温度传感器,所述第一温度传感器设在所述料筒发热块上靠近所述料筒的一端,所述第二温度传感器设在所述料筒发热块上远离所述料筒的一端。第一温度传感器和第二温度传感器用于检测两个极端位置的温度并取其平均值作为反馈值完成料筒段的温度闭环控制。料筒发热块采用导热系数良好的金属材质(例如铝合金)加工而成。
进一步的,所述主壳体及料筒发热块上与所述料筒对应的位置设有用于观察所述料筒内液位的观察窗,以方便操作者观察料筒中材料的剩余情况。
进一步的,所述第二温控装置包括套设在所述喷头针头上的针头导热块,以及套设在所述出料管上的针头发热块,所述针头导热块与所述针头发热块可拆卸连接,优选的,所述针头导热块与所述针头发热块通过螺纹旋转连接。所述针头发热块上设有第二加热棒和第三温度传感器。第二加热棒产生的热量直接传递给针头发热块,针头发热块通过针头导热块将热量传导至喷头针头上,实现喷头针头的温度控制。优选的,针头发热块和针头导热块均采用导热系数良好的金属材质(例如铝合金)加工而成。
进一步的,所述绝热装置包括设在所述第一温控装置和喷头挤出装置之间的料筒绝热垫片,以及设在所述第二温控装置和喷头挤出装置之间的针头绝热垫片。所述料筒绝热垫片套设在所述进料管上,所述针头绝热垫片套设在所述出料管上。料筒绝热垫片和针头绝热垫片可以阻止两个区段的温度相互干扰,优选的,料筒绝热垫片和针头绝热垫片的材质均采用电木加工。
进一步的,所述喷头挤出装置为螺杆挤出装置,所述第一温控装置和/或所述第二温控装置上包覆有绝热材料。这样可以避免料筒端和针头段与外界环境进行热交换。
本发明中,在打印结束后,为了防止材料积堵喷头流道,需要对流道进行彻底清洗,清洗时旋出喷头针头和料筒独立清洗,插入载有清洗液的料筒并运行正压推挤清洗液迅速通过喷头流道,同时保证螺杆挤出装置的螺杆反向旋转以确保螺杆清洗彻底,通过反复执行上述清洗程序即可以完成整个喷头的清洗工作。
与现有技术相比,本发明的有益效果:
本发明在料筒处和喷头针头处分别设置了第一温控装置和第二温控装置,分别单独控制料筒段以及针头段的温度,这样就可以分别独立控制料筒段和针头段的温度值,喷头可实现梯度温度控制,并且在第一温控装置和第二温控装置之间设置了绝热装置,这就保证了料筒段及针头段的温度互不产生影响;针头段的温度可调可控避免了喷头针头堵塞。
本发明中料筒和进料管的连接以及喷头针头与出料管的连接都是通过螺纹旋转连接的,这样就可以实现料筒和喷头针头的独立更换;本发明在主壳体及料筒发热块上设置了用于观察所述料筒内液位的观察窗,可方便观察料筒中材料的使用情况。
本发明的打印喷头的喷头流道具备自动清洗功能;打印喷头的主壳体上包覆了绝热材料,阻绝了喷头与外界环境的热交换,保证了喷头各区段的温度恒定。
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是本发明喷头独立控温结构示意图。
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。
如图1到图3所示,一种两区段独立温控生物3D打印喷头,其中,包括主壳体1、料筒2、喷头挤出装置3以及喷头针头4,所述主壳体1内部设有第一温控装置,所述料筒2插设在所述第一温控装置内,所述料筒2的底端通过进料管5与所述喷头挤出装置3连接,所述料筒2的底端与所述进料管5通过螺纹旋转连接,料筒2与进料管5的螺纹固定方式为操作者提供了快速更换料筒2的可能性。所述喷头挤出装置3的底端设有出料管6,所述喷头针头4与所述出料管6通过螺纹旋转连接,并穿出到所述主壳体1底部外侧,这样可以方便更换不同规格的喷头针头4,采用导热系数较大的金属材质针头。所述喷头针头4外围设有与所述主壳体1底部可拆卸连接的针头绝热套7,这样可以隔绝喷头针头4跟外界的热交换。当需要更换不同口径的喷头针头4或者需要清理喷头针头4时只需要将喷头针头4处的针头绝热套7拧下并将喷头针头4旋出即可实现喷头针头4的更换。所述喷头针头4的末端与所述出料管6的顶端之间设有第二温控装置,所述第一温控装置和第二温控装置之间设有防止温度相互干扰的绝热装置。
在生物3D打印过程中,生物材料或细胞悬液首先被装载到恒定温度的料筒2中并被推挤到针尖末端,之后在多轴运动平台的带动下按照软件设定的预定轨迹运动并将生物材料或细胞悬液堆叠到较低温度的成型平台上。在该过程中喷头中材料的温度一般维持在37℃左右,而成型平台的温度则会接近0℃。三十度左右的温差会强烈刺激细胞活性并影响材料的成型效果。本发明中,在料筒2处和喷头针头4处分别设置了第一温控装置和第二温控装置,分别单独控制由料筒2至喷头挤出装置3段(下称料筒2段)以及喷头挤出装置3至喷头针头4段(下称针头段)的温度。这样就可以分别控制料筒2段和针头段的温度值,使得料筒2段、针头段以及低温平台形成三个梯度温度变化,以便最大化降低温度突变带来的不利影响。其中,料筒2段和针头段的温度变化被集成在喷头上,以上两段区域的温度可独立设定,并且第一温控装置和第二温控装置之间设置了绝热装置,这就保证了料筒2段及针头段的温度互不产生影响。
如图2和图3所示,所述第一温控装置包括料筒发热块8,所述料筒2插设在所述料筒发热块8中,所述料筒发热块8上设有第一加热棒9和温度传感装置。所述料筒发热块8呈“L”型,所述第一加热棒9设在所述料筒发热块8上靠近料筒2的中间位置,以便为整个料筒2段提供热源,所述温度传感装置包括第一温度传感器10和第二温度传感器11,所述第一温度传感器10设在所述料筒发热块8上靠近所述料筒2的一端,所述第二温度传感器11设在所述料筒发热块8上远离所述料筒2的一端。第一温度传感器10和第二温度传感器11用于检测两个极端位置的温度并取其平均值作为反馈值完成料筒2段的温度闭环控制。料筒发热块8采用导热系数良好的金属材质加工而成。
如图1和图2所示,所述主壳体1及料筒发热块8上与所述料筒2对应的位置设有用于观察所述料筒2内液位的观察窗12,以方便操作者观察料筒2中材料的剩余情况。
如图2和图3所示,所述第二温控装置包括套设在所述喷头针头4上的针头导热块13,以及套设在所述出料管6上的针头发热块14,所述针头导热块13与所述针头发热块14通过螺纹旋转连接。所述针头发热块14上设有第二加热棒15和第三温度传感器16。第二加热棒15产生的热量直接传递给针头发热块14,针头发热块14通过针头导热块13将热量传导至喷头针头4上,实现喷头针头4的温度控制。针头发热块14和针头导热块13均采用导热系数良好的金属材质加工而成。
如图2和图3所示,所述绝热装置包括设在所述第一温控装置和喷头挤出装置3之间的料筒绝热垫片17,以及设在所述第二温控装置和喷头挤出装置3之间的针头绝热垫片18。所述料筒绝热垫片17套设在所述进料管5上,所述针头绝热垫片18套设在所述出料管6上。料筒绝热垫片17和针头绝热垫片18可以阻止两个区段的温度相互干扰,料筒绝热垫片17和针头绝热垫片18的材质均采用电木加工。
本实施例中,所述喷头挤出装置3为螺杆挤出装置,所述第一温控装置和所述第二温控装置上包覆有绝热材料。这样可以避免料筒2端和针头段与外界环境进行热交换。
本发明中,在打印结束后,为了防止材料积堵喷头流道,需要对流道进行彻底清洗,清洗时旋出喷头针头4和料筒2独立清洗,插入载有清洗液的料筒2并运行正压推挤清洗液迅速通过喷头流道,同时保证螺杆挤出装置的螺杆反向旋转以确保螺杆清洗彻底,通过反复执行上述清洗程序即可以完成整个喷头的清洗工作。
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 (7)

1.一种两区段独立温控生物3D打印喷头,其特征在于,包括主壳体(1)、料筒(2)、喷头挤出装置(3)以及喷头针头(4),所述主壳体(1)内部设有第一温控装置,所述料筒(2)插设在所述第一温控装置内,所述料筒(2)的底端通过进料管(5)与所述喷头挤出装置(3)连接,所述喷头挤出装置(3)的底端设有出料管(6),所述喷头针头(4)与所述出料管(6)连接,并穿出到所述主壳体(1)底部外侧,所述喷头针头(4)的末端与所述出料管(6)的顶端之间设有第二温控装置,所述第一温控装置和第二温控装置之间设有防止温度相互干扰的绝热装置;
所述第一温控装置包括料筒发热块(8),所述料筒(2)插设在所述料筒发热块(8)中,所述料筒发热块(8)上设有第一加热棒(9)和温度传感装置;所述料筒发热块(8)呈“L”型,所述第一加热棒(9)设在所述料筒发热块(8)上靠近料筒(2)的中间位置,所述温度传感装置包括第一温度传感器(10)和第二温度传感器(11),所述第一温度传感器(10)设在所述料筒发热块(8)上靠近所述料筒(2)的一端,所述第二温度传感器(11)设在所述料筒发热块(8)上远离所述料筒(2)的一端;
所述第二温控装置包括套设在所述喷头针头(4)上的针头导热块(13),以及套设在所述出料管(6)上的针头发热块(14),所述针头发热块(14)上设有第二加热棒(15)和第三温度传感器(16)。
2.根据权利要求1所述的一种两区段独立温控生物3D打印喷头,其特征在于,所述主壳体(1)及料筒发热块(8)上与所述料筒(2)对应的位置设有用于观察所述料筒(2)内液位的观察窗(12)。
3.根据权利要求1所述的一种两区段独立温控生物3D打印喷头,其特征在于,所述针头导热块(13)与所述针头发热块(14)可拆卸连接。
4.根据权利要求1所述的一种两区段独立温控生物3D打印喷头,其特征在于,所述绝热装置包括设在所述第一温控装置和喷头挤出装置(3)之间的料筒绝热垫片(17),以及设在所述第二温控装置和喷头挤出装置(3)之间的针头绝热垫片(18)。
5.根据权利要求1所述的一种两区段独立温控生物3D打印喷头,其特征在于,所述喷头针头(4)上套设有针头绝热套(7)。
6.根据权利要求1所述的一种两区段独立温控生物3D打印喷头,其特征在于,所述喷头挤出装置(3)为螺杆挤出装置,所述第一温控装置和/或所述第二温控装置上包覆有绝热材料。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种两区段独立温控生物3D打印喷头,其特征在于,所述料筒(2)的底端与所述进料管(5)可拆卸连接,所述喷头针头(4)与所述出料管(6)可拆卸连接。
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