CN108414688A - 一种活塞及气动两用3d打印生物材料挤出试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印生物材料挤出试验装置，包括箱体、活塞组件、混料组件、推动组件和气压组件，所述箱体内形成温度可调的挤出试验环境；所述活塞组件包括缸体、活塞以及活塞杆，缸体一端设置有针头，所述活塞杆与活塞内开设有与缸体连通的引流通道，通过混料组件混合的物料经引流通道流入缸体，缸体内的物料可以通过推动组件推动活塞杆挤出，也可以通过气压组件向引流通道通入气流挤出；在物料挤出过程中，通过位移传感器和压力传感器收集各类数据，物料被接料盘接住，通过电子秤计量重量。该结构的试验装置，精度高，提高了实验效率、降低了实验人员劳动强度；能够实时测量出实验材料的挤出曲线，为实际的生产和设计提供数据和指导。

Description

一种活塞及气动两用3D打印生物材料挤出试验装置

技术领域

本发明涉及3D打印生物材料挤出试验设备领域，具体涉及一种活塞及气动两用3D打印生物材料挤出试验装置。

背景技术

在生物3D打印系统中，将打印材料精确的挤出尤为重要。但是在实际的应用过程中，由于生物材料种类广泛，而且绝大多数都是非牛顿流体，难以通过理论计算出其挤出参数，所以目前基本采用经验法和试错法来解决特定材料的精确挤出问题。这类方法不仅费时费力，而且浪费宝贵的生物材料。

因此，有必要研发一套专门的试验装置，以便通过试验高效、低成本的解决上述问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种试验装置，用于解决3D打印中生物材料基于活塞挤出或气动挤出的精确挤出问题。该设备能够按照实验者的要求实时测量出实验材料在规定的压力和温度下的挤出曲线，从而为实际的生产和设计提供数据和指导。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：一种活塞及气动两用3D打印生物材料挤出试验装置，包括箱体、活塞组件、混料组件、推动组件和气压组件，所述箱体内壁设置有加热管和冷凝管，箱体内顶部设置有用于活塞组件以及推动组件固定定位的支架，所述支架底部设置有导热块，所述导热块上设置有温度传感器，箱体内底部设置有风扇，所述活塞组件包括缸体、与缸体滑动套接的活塞以及推动活塞移动的活塞杆，所述缸体穿过导热块，缸体与导热块内壁之间设置有隔热棉，缸体一端设置有与缸体连通的针头，所述针头端部可拆卸设置有堵头，针头下方设置有接料盘，接料盘底部设置有电子秤，所述活塞杆与活塞内开设有相互连通且与缸体内部连通的引流通道，活塞杆侧壁开设有与引流通道连通的引流口，活塞杆侧壁还可拆卸设置有挡片，活塞杆通过推动组件带动升降，活塞杆与推动组件之间设置有压力传感器，支架上设置有用于监测活塞杆移动位移的位移传感器，所述混料组件包括多个混料罐、设置在混料罐内的搅拌结构以及驱动搅拌结构运转的液压马达，所述混料罐通过料液通道与引流口连通，所述气压组件包括与料液通道连通的气道、设置在气道上的气道开关以及通过五通接头与气道连通的气压传感器、抽气阀、排气阀和进气阀。

进一步，所述箱体由底座、上隔热板、前隔热板、后隔热板、左隔热板、右隔热板以及支撑骨架拼装而成。

进一步，所述推动组件包括滚珠丝杆、驱动滚珠丝杠转动的挤压步进电机、与滚珠丝杠螺纹连接的连接螺栓以及与连接螺栓连接的滑块，所述压力传感器通过连接块与滑块连接，压力传感器底部设置有与活塞杆接触的触头。

进一步，所述支架包括挤出支撑立柱、滚珠丝杠下挡板以及滚珠丝杠后支撑板，所述挤出支撑立柱上设置有限位开关以及与滑块滑动配合的导轨，所述位移传感器通过位移传感器固定板与挤出支撑立柱连接，挤出支撑立柱底部设置有活塞组件安置板，所述活塞组件安置板上设置有用于固定缸体的套筒以及用于固定套筒的卡盘。

进一步，所述箱体内底部设置有自动换针头装置。

进一步，所述箱体顶部设置有控制盒，所述控制盒分别与混料组件、推动组件和气压组件控制连接。

进一步，所述自动换针头装置包括活动基座、驱动活动基座水平移动的水平位移装置以及驱动活动基座竖直移动的竖直位移装置，所述活动基座上设置有换针电机、驱动齿轮、从动齿轮、换针模块以及针头。

本发明的有益效果：

1)该结构的试验装置，箱体内形成挤出试验室，通过综合调控箱体内壁的加热管和冷凝管，再结合温度传感器，可以创造出实际打印过程中的挤出温度和成型温度，在物料挤出过程中，通过位移传感器和压力传感器收集位移和压力数据，可以模拟实际挤出速度，从而使得试验结果更加准确；物料被接料盘接住，通过电子秤可计量重量，电子秤直接输出结果至CPU，其结果作为实时数据被控制系统统一采集，可以很方便的得到材料的压力—挤出特性曲线，为实际的生产和设计提供数据和指导。

2)缸体内的物料可以通过推动组件推动活塞杆挤出，也可以通过气压组件向引流通道通入气流挤出，使用简单方便，高集成，多功能，提高了实验效率、降低了实验人员劳动强度、降低了实验成本。

3)通过混料组件可以精确配比任意比例的混合实验试剂，简单、高效。

4)在实验过程中，可通过自动换针头装置更换不同直径、长度、形状的针头进行挤出实验。

5)通过控制盒可以统一控制各个组件，从而实现了远程操作、实时监控、异常报警等功能，进一步提高了实验效率，解放了实验人员。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明的主视图；

图2为A-A视图；

图3为B-B视图；

图4为气道与气道开关的连接示意图；

图5为支架与活塞组件连接的结构示意图；

图6为图5的右视图；

图7为D-D视图；

图8为本发明的局部结构示意图；

图9为图8的左视图；

图10为活塞组件的结构示意图；

图11为自动换针头装置的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明进行详细说明，如图1-11所示：本发明提供了一种活塞及气动两用3D打印生物材料挤出试验装置，包括箱体、活塞组件18、混料组件、推动组件和气压组件，所述箱体由底座1、上隔热板6、前隔热板、后隔热板19、左隔热板23、右隔热板25以及支撑骨架21拼装而成，左隔热板内壁设置有加热管24，右隔热板内壁设置有冷凝管26，底座上设置有两个风扇22，上隔热板底部设置有用于活塞组件以及推动组件固定定位的支架5，所述支架底部设置有加热及夹持部分4，所述加热及夹持部分包括导热块29及设置在导热块上的温度传感器28，箱体内形成挤出试验室15，通过综合调控加热管、冷凝管、风扇和温度传感器，可以创造出实际打印过程中的挤出温度和成型温度；所述活塞组件包括缸体48、与缸体滑动套接的活塞49以及推动活塞移动的活塞杆51，所述缸体穿过导热块，缸体与导热块内壁之间设置有隔热棉32，缸体一端设置有与缸体连通的针头，所述针头端部可拆卸设置有堵头47，针头下方设置有接料盘3，接料盘底部设置有电子秤2，通过电子秤可计量重量，电子秤直接输出结果至CPU，其结果作为实时数据被控制系统统一采集，可以很方便的得到材料的压力—挤出特性曲线，为实际的生产和设计提供数据和指导，所述活塞杆与活塞内开设有相互连通且与缸体内部连通的引流通道，活塞杆侧壁开设有与引流通道连通的引流口，活塞杆侧壁还可拆卸设置有挡片50；所述推动组件包括滚珠丝杆38、驱动滚珠丝杠转动的挤压步进电机8、与滚珠丝杠螺纹连接的连接螺栓40以及与连接螺栓连接的滑块43，所述挤压步进电机通过步进电机固定板39与上隔热板连接，所述滑块底部通过连接块44连接有压力传感器45，所述压力传感器底部设置有与活塞杆接触的触头46，所述支架包括挤出支撑立柱36、滚珠丝杠下挡板33以及滚珠丝杠后支撑板34，所述挤出支撑立柱上设置有限位开关35以及与滑块滑动配合的导轨37，挤出支撑立柱一侧通过位移传感器固定板41连接有位移传感器42，挤出支撑立柱底部设置有活塞组件安置板，所述活塞组件安置板上设置有用于固定缸体的套筒31以及用于固定套筒的卡盘30，所述混料组件包括多个混料罐9、设置在混料罐内的搅拌结构以及驱动搅拌结构运转的液压马达16，通过混料组件可以精确配比任意比例的混合实验试剂，简单、高效，所述混料罐通过料液通道与引流口连通，所述气压组件包括与料液通道连通的气道17、设置在气道上的气道开关27以及通过五通接头10与气道连通的气压传感器11、抽气阀12、排气阀13和进气阀14。通过混料组件混合的物料经引流通道流入缸体，缸体内的物料可以通过推动组件推动活塞杆挤出，也可以通过气压组件向引流通道通入气流挤出，使用简单方便，高集成，多功能，提高了实验效率、降低了实验人员劳动强度、降低了实验成本；在物料挤出过程中，通过位移传感器和压力传感器收集位移和压力数据，可以模拟实际挤出速度，从而使得试验结果更加准确。

作为对上述技术方案的进一步改进，所述箱体顶部设置有控制盒7，所述控制盒包括控制板，控制板集成了WIFI模块、蓝牙模块、USB转接模块，搭配定制的控制软件，控制板分别与混料组件、推动组件和气压组件控制连接。从而实现了远程操作、实时监控、异常报警等功能，进一步提高了实验效率，解放了实验人员。

作为对上述技术方案的进一步改进，所述箱体内底部设置有自动换针头装置20，所述自动换针头装置包括活动基座58、驱动活动基座水平移动的水平位移装置52以及驱动活动基座竖直移动的竖直位移装置59，所述活动基座上设置有换针电机55、驱动齿轮54、从动齿轮53、换针模块56以及针头57。在实验过程中，可通过自动换针头装置更换不同直径、长度、形状的针头进行挤出实验。

为使本申请的技术方案更加清楚，下面详细介绍本实验装置的使用方法，包括如下步骤：

第一步骤：打开接通实验装置电源、气源、冷气。

第二步骤：打开控制软件、通信初始化、设备复位；若该步骤顺利完成，进行第三步骤，如软件报错，则报修或者排查设备。

第三步骤：确保所有阀门、电源均被关闭。取出隔热棉，取出卡盘，取出套筒和缸体，取出特制活塞及活塞杆，确认缸体、活塞、活塞杆、气道是否清洁，否则清洗之并吹干。放回特制活塞及活塞杆选取合适尺寸套筒，放回缸体，放回卡盘，实现缸体的可靠固定，将挡片放至活塞杆上的卡槽，挡片的作用是防止装料过程中活塞杆相对缸体滑动。使用自动换针头装置装上实验所需针头。使用混料组件将实验试剂装入缸体，装料后用堵头堵住针头。根据料的流动特性静置0—30分钟，直至料停止流动。

第四步骤：打开抽气机、打开抽气阀，放置0-1个小时，直至缸体内的料内无气泡。

第五步骤：关闭抽气机，关闭抽气阀，打开排气阀，取下挡片。如做气动挤出实验，则转至第六步骤，如做活塞挤出实验，则转至九第步骤。

第六步骤：关闭排气阀，操作控制软件使触头顶住活塞杆上端，关闭进气阀，取下堵头、打开气源，调整气源气压至实验所需压力，放好高精度小量程电子秤、放好接料盘，放回隔热棉。

第七步骤：使用控制软件设定环境温度、设定加热块温度，待到达指定温度并稳定后，打开控制软件的实时数据采集模块开始采集实时数据，打开进气阀开始实验。

第八步骤：观察挤出数据是否达到实验要求，如是，则关闭进气阀关闭气源，停止控制软件的实时数据采集模块，打开控制软件的数据导出模块导出数据，跳至第十二步骤。如出现问题返回第三步骤，重新做实验。

第九步骤：操作控制软件使压力传感器下端触头顶住活塞杆上端，关闭进气阀，操作控制软件使压力传感器下端触头顶着活塞杆往下缓慢移动，直至料通过气道快接近泄气阀时停止运动，卸下堵头，放好高精度小量程电子秤、放好接料盘，关闭泄气阀，放回隔热棉。

第十步骤：使用控制软件设定环境温度、设定加热块温度，待到达指定温度并稳定后，打开控制软件的实时数据采集模块开始采集实时数据，打开控制软件的手动控制模块控制活塞杆以实验需要速度将料挤出至接料盘，打开进气阀开始实验。

第十一步骤：观察挤出数据是否达到实验要求，如是，关闭手动控制模块，停止控制软件的实时数据采集模块，打开控制软件的数据导出模块导出数据，跳至第十二步骤。如出现问题返回第三步骤，重新做实验。

第十二步骤：复位设备，关闭所有电源、阀门、气源，取下隔热棉，取出卡盘，接料盘，清洗缸体、活塞、活塞杆、气道等并吹干。将之前取出的设备依次放回。实验结束。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种活塞及气动两用3D打印生物材料挤出试验装置，其特征在于：包括箱体、活塞组件(18)、混料组件、推动组件和气压组件，所述箱体内壁设置有加热管(24)和冷凝管(26)，箱体内顶部设置有用于活塞组件以及推动组件固定定位的支架(5)，所述支架底部设置有导热块(29)，所述导热块上设置有温度传感器(28)，箱体内底部设置有风扇(22)，所述活塞组件包括缸体(48)、与缸体滑动套接的活塞(49)以及推动活塞移动的活塞杆(51)，所述缸体穿过导热块，缸体与导热块内壁之间设置有隔热棉(32)，缸体一端设置有与缸体连通的针头，所述针头端部可拆卸设置有堵头(47)，针头下方设置有接料盘(3)，接料盘底部设置有电子秤(2)，所述活塞杆与活塞内开设有相互连通且与缸体内部连通的引流通道，活塞杆侧壁开设有与引流通道连通的引流口，活塞杆侧壁还可拆卸设置有挡片(50)，活塞杆通过推动组件带动升降，活塞杆与推动组件之间设置有压力传感器(45)，支架上设置有用于监测活塞杆移动位移的位移传感器(42)，所述混料组件包括多个混料罐(9)、设置在混料罐内的搅拌结构以及驱动搅拌结构运转的液压马达(16)，所述混料罐通过料液通道与引流口连通，所述气压组件包括与料液通道连通的气道(17)、设置在气道上的气道开关(27)以及通过五通接头(10)与气道连通的气压传感器(11)、抽气阀(12)、排气阀(13)和进气阀(14)。

2.根据权利要求1所述的活塞及气动两用3D打印生物材料挤出试验装置，其特征在于：所述箱体由底座(1)、上隔热板(6)、前隔热板、后隔热板(19)、左隔热板(23)、右隔热板(25)以及支撑骨架(21)拼装而成。

3.根据权利要求2所述的活塞及气动两用3D打印生物材料挤出试验装置，其特征在于：所述推动组件包括滚珠丝杆(38)、驱动滚珠丝杠转动的挤压步进电机(8)、与滚珠丝杠螺纹连接的连接螺栓(40)以及与连接螺栓连接的滑块(43)，所述压力传感器通过连接块(44)与滑块连接，压力传感器底部设置有与活塞杆接触的触头(46)。

4.根据权利要求3所述的活塞及气动两用3D打印生物材料挤出试验装置，其特征在于：所述支架包括挤出支撑立柱(36)、滚珠丝杠下挡板(33)以及滚珠丝杠后支撑板(34)，所述挤出支撑立柱上设置有限位开关(35)以及与滑块滑动配合的导轨(37)，所述位移传感器通过位移传感器固定板(41)与挤出支撑立柱连接，挤出支撑立柱底部设置有活塞组件安置板，所述活塞组件安置板上设置有用于固定缸体的套筒(31)以及用于固定套筒的卡盘(30)。

5.根据权利要求1所述的活塞及气动两用3D打印生物材料挤出试验装置，其特征在于：所述箱体内底部设置有自动换针头装置(20)。

6.根据权利要求1所述的活塞及气动两用3D打印生物材料挤出试验装置，其特征在于：所述箱体顶部设置有控制盒(7)，所述控制盒分别与混料组件、推动组件和气压组件控制连接。

7.根据权利要求5所述的活塞及气动两用3D打印生物材料挤出试验装置，其特征在于：所述自动换针头装置包括活动基座(58)、驱动活动基座水平移动的水平位移装置(52)以及驱动活动基座竖直移动的竖直位移装置(59)，所述活动基座上设置有换针电机(55)、驱动齿轮(54)、从动齿轮(53)、换针模块(56)以及针头(57)。