CN108891026B - 一种3d打印机的活塞挤出式喷头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种3D打印机的活塞挤出式喷头，包括保温套组件、可拆卸的插设在所述保温套组件中的活塞注射器、用于驱动活塞杆在所述活塞注射器的活塞筒中直线运动的驱动模组；所述驱动模组包括设在所述保温套组件一侧的模组电机、连接在所述模组电机输出轴上的丝杠、穿设在所述丝杠上的滑块组件，所述滑块组件靠近所述保温套组件的一端与所述活塞杆的尾端可拆卸连接。本发明的3D打印机的活塞挤出式喷头采用可拆卸的活塞注射器代替常规的不可拆卸的活塞筒，可避免生物材料二次转移的过程，保证生物材料不受污染，同时模组电机倒置设于保温套组件的一侧，减小喷头整体高度而提高打印成型尺寸。

Description

一种3D打印机的活塞挤出式喷头

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，更具体地，涉及一种3D打印机的活塞挤出式喷头。

背景技术

生物3D打印技术从兴起经过升级优化正逐步走向成熟，打印设备也向着小型化、精密化方向发展。对于通用型的挤出式生物打印喷头，目前按照材料的挤出驱动方式可分为直接气动式挤出喷头、活塞式挤出喷头和螺杆式挤出喷头三种。

对于直接气动式挤出喷头，由于气源可以直接通过气管的方式引入到喷头中，所以，直接气动式喷头结构较为简单且整体易于向小型化方向发展。但由于直接采用外部气源作为驱动压力，由于气体具有可压缩性，气体在流经变直径截面流道时容易产生气压波动现象而造成打印不稳定。活塞式挤出喷头和螺杆式挤出喷头由于不使用或不直接外接气源因而可以避免压力波动现象。但对于一个完整的打印过程，除了获得理想的打印模型还需要保证喷头在更换不同材料时方便可行或者打印机停机清理时拆装方便。螺杆式喷头以及一般的活塞挤出式喷头在换料清理时均容易造成喷头的破坏。

在常见的活塞挤出式喷头的结构中，活塞杆被设计为与丝杠正向平行，电机与丝杠同轴布置且位于整个喷头的上端，采用这种结构时，驱动力自上而下传递，电机旋转带动丝杠转动，丝杠的旋转运动被丝杠滑块转换为直线运动并向下传递至活塞杆，活塞杆沿着活塞筒内壁向下推挤其中的生物材料直至通过针头流出。由于采用自上而下结构，电机的机身长度直接增加了喷头的整体高度，尤其是采用联轴器连接丝杠和电机时，联轴器和电机机身长度同时计入喷头整体高度，喷头占用了Z方向的打印成型尺寸。

另外，对于一般的活塞式挤出打印喷头以及螺杆挤出式打印喷头，活塞筒和料筒都是不可拆卸的结构，在打印前经常需要更换不同性质的材料或者对喷头进行必要的清理保养。用于生物打印的材料一般都具有较大粘度，粘附在筒壁和螺杆螺纹缝隙处的材料难以清理彻底，喷头的换料和清理保养加重人员负担，清理不及时甚至会造成喷嘴堵塞和材料污染等问题。

除了清理不及时造成材料污染现象，对于一般活塞挤出式喷头在向喷头中加载材料时，首先通过过渡器材抽取配制好的生物材料，然后注入到喷头料筒中并安装活塞杆，完成材料加载。在这个过程中，生物材料由容器转移至过渡器材最后转移至喷头料筒中，存在二次转移，若灭菌不严格则会引起材料的污染。

发明内容

为克服上述现有技术中的至少一种缺陷，本发明提供一种3D打印机的活塞挤出式喷头，采用可拆卸的活塞注射器代替常规的不可拆卸的活塞筒，可避免生物材料二次转移的过程，保证生物材料不受污染，同时模组电机倒置设于保温套组件的侧壁，减小喷头整体高度而提高打印成型尺寸。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种3D打印机的活塞挤出式喷头，其中，包括保温套组件、可拆卸的插设在所述保温套组件中的活塞注射器、用于驱动活塞杆在所述活塞注射器的活塞筒中直线运动的驱动模组。所述驱动模组包括设在所述保温套组件一侧的模组电机、连接在所述模组电机输出轴上的丝杠、穿设在所述丝杠上的滑块组件，所述滑块组件靠近所述保温套组件的一端与所述活塞杆的尾端可拆卸连接。

本发明中，采用可拆卸的活塞注射器取代一般活塞挤出式喷头活塞筒不可拆卸的结构，活塞注射器直接抽取配制好的生物材料不做二次转移整体安装到保温套组件中，保温套组件能够为活塞注射器中的材料提供恒定的打印温度；打印完毕，需要更换材料继续打印或者需要对喷头做定期保养时，能够完整的取下活塞注射器，更换新的活塞注射器，由于取料到打印过程中生物材料始终处于密封状态，因而不会存在受污染现象也不会对喷头产生溢流污垢。

另外，本发明中，驱动模组是设置在保温套组件的一侧，模组电机倒置设置，设置在保温套组件的侧壁上，也就是模组电机的输出轴朝向上方，动力源由模组电机发出后，自底而上通过丝杆传递至滑块组件，滑块组件能够把丝杠的旋转运动转换为直线运动，并将驱动力反向传递至活塞注射器，以便驱动活塞杆在活塞筒中直线运动，活塞杆在模组电机的驱动下向下运动推挤材料通过活塞注射器的针头挤出到打印平台上。采用这种设置方式，在实现驱动3D打印机的活塞挤出式喷头工作的同时，大大缩短了整个喷头系统的长度，在整机尺寸不增加的基础上可以提高打印成型尺寸。

进一步的，所述模组电机通过电机保持架固定在所述保温套组件的侧壁上，所述丝杠与所述保温套组件之间设有与所述丝杠平行的直线导轨，所述直线导轨穿设在所述滑块组件上并通过固定螺丝固定在所述电机保持架上。模组电机旋转带动滑块组件及活塞杆推挤材料挤出时，材料会对活塞杆及滑块组件产生反向作用力，反向作用力会造成丝杠一定程度的形变，为了抵消丝杠形变量和增加丝杠结构的刚度，在这里选用刚度和线性稳定性更优的直线导轨与丝杠平行布置，可以保证滑块组件的运行稳定性。

进一步的，所述滑块组件包括丝杠滑块和与所述丝杠滑块可拆卸连接的活塞杆固定块，所述丝杠和直线导轨均穿设在所述丝杠滑块上。所述丝杠滑块靠近所述保温套组件的一端端面上设有盲孔，所述活塞杆固定块与所述丝杠滑块连接的一端端面上设有与所述盲孔匹配的凸起，所述丝杠滑块和活塞杆固定块通过所述盲孔与所述凸起的配合实现可拆卸连接。

进一步的，所述丝杠滑块一侧的侧面上与所述盲孔对应的位置设有第一贯穿孔，所述凸起上设有与所述第一贯穿孔相配合的第二贯穿孔，所述活塞杆固定块通过第一快拆螺丝依次穿过所述第一贯穿孔和第二贯穿孔可拆卸连接在所述丝杠滑块上。

进一步的，所述活塞杆固定块的底面上设有用于连接所述活塞杆尾端的槽口，所述槽口与所述活塞杆的尾端间隙配合使得所述活塞杆的尾端可沿所述槽口做平滑运动。所述槽口呈T型状，T型状的槽口以及其与活塞杆的尾端间隙配合的设计可以刚好保证活塞杆在平面内做滑动调整，且保持活塞杆与丝杠滑块严格联动。

进一步的，所述保温套组件包括活塞筒保温套和设在所述活塞筒保温套底部的针头保温套，所述活塞注射器插设在所述保温套组件中时，所述活塞注射器的活塞筒置于所述活塞筒保温套内部，所述活塞注射器的针头置于所述针头保温套的内部，所述针头的尖端穿出到所述针头保温套外部。所述活塞筒保温套包括环设在所述活塞筒外围的导热套和环设在所述导热套外围的绝热套，所述导热套内部设有加热元件和温度传感器。加热元件产生的热量通过导热套传递给活塞筒中的材料，通过温度传感器采集温度值并通过闭环控制回路可以控制温度达到一个恒定值，绝热套可以有效阻止热量散失。所述针头保温套包括环设在所述针头外围的针头导热套和环设在所述针头导热套外围的针头绝热套，所述针头导热套的顶部所述导热套的底部连接。针头导热套把导热套的热量传递至针头，并通过针头绝热套维持针头处的温度值，这就保证打印时针头中的材料也维持在恒定温度，同时可以避免材料在针头处发生堵塞。

进一步的，所述活塞筒保温套靠近顶端的侧壁上设有用于固定所述活塞筒的第二快拆螺丝。

本发明中，该活塞挤出式喷头工作时，打印材料的装载过程如下：利用活塞注射器抽取配制好的材料并整体安装到保温套组件中，此时针头、活塞筒和活塞杆已经连接在一起，插入保温套组件前，首先拧松第一快拆螺丝，拆下活塞杆固定块，然后把抽取好材料的活塞注射器保持同轴插入到保温套组件的固定孔位中，由于轴孔配合时自由度不能完全约束，在模组电机转动过程中可能会引起活塞筒的自旋转和Z方向滑动，为此。在活塞筒保温套靠近顶端的侧壁上设置了用于固定所述活塞筒的第二快拆螺丝，保证在打印过程中只允许活塞杆沿Z方向直线运动。活塞注射器安装到位后通过调节丝杠滑块的位置使得活塞杆固定块的凸起正好能与丝杠滑块的盲孔对齐插入，同时，活塞杆固定块的槽口刚好卡住活塞杆的尾部，槽口的设计可以刚好保证活塞杆在平面内做滑动调整，且保持活塞杆与丝杠滑块严格联动。最后利用第一快拆螺丝穿过第一贯穿孔和第二贯穿孔进行固定。至此，打印材料的装载完成。

本发明中，打印材料装载完成后，该活塞挤出式喷头的工作过程如下：驱动力由模组电机发出，自下而上传递至丝杠滑块，驱动力达到丝杠滑块并通过与丝杠滑块相连的活塞杆固定块反向向下传递至活塞杆尾部，然后通过丝杠向下传递至活塞筒中的材料并通过针头挤出，整个驱动力的传递过程为先自底而上后自顶而下，这种驱动力传递方式使得本发明的活塞挤出式喷头摒弃了常见的自顶而下的力传递方式，进而可以把原先布置在最顶端的模组电机或联轴器隐藏安装于喷头保温套组件的背部位置，既减少了喷头的整体高度又降低了喷头结构的重心，提高了Z向打印尺寸，能够防止高速打印状态时喷头振动现象。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明中设置了可整体拆卸的活塞注射器，生物材料通过活塞注射器提取并直接安装到保温套组件上，不存在二次转移的过程，避免了接触细菌的可能性；另外，活塞注射器可独立拆装，方便更换，更换材料时可以直接更换新的活塞注射器，喷头不需要清理。

本发明中驱动活塞杆运动的模组电机采用倒置反向设计，置于保温套组件的一侧，使得整个驱动力的传递过程为先自底而上后自顶而下，这样的设置方式大大缩短了整个喷头系统的长度，在整机尺寸不增加的基础上可以提高打印成型尺寸。

本发明通过直接控制活塞杆的启停进而控制活塞筒中材料的挤出，由于流体生物材料不可被压缩，因此保证材料出丝直径均匀一致。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的纵向剖视图。

图3是本发明的爆炸示意图。

图4是本发明中活塞杆固定块的结构示意图。

图5是本发明中保温套组件的纵向剖视图。

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5所示，一种3D打印机的活塞挤出式喷头，其中，包括保温套组件1、可拆卸的插设在所述保温套组件1中的活塞注射器2、用于驱动所述活塞杆21在所述活塞注射器2的活塞筒22中直线运动的驱动模组。所述驱动模组包括设在所述保温套组件1侧壁上的模组电机3、连接在所述模组电机3输出轴上的丝杠4、穿设在所述丝杠4上的滑块组件16，所述滑块组件16靠近所述保温套组件1的一端与所述活塞杆21的尾端可拆卸连接。

本实施例中，采用可拆卸的活塞注射器2取代一般活塞挤出式喷头活塞筒22不可拆卸的结构，活塞注射器2直接抽取配制好的生物材料不做二次转移整体安装到保温套组件1中，保温套组件1能够为活塞注射器2中的材料提供恒定的打印温度；打印完毕，需要更换材料继续打印或者需要对喷头做定期保养时，能够完整的取下活塞注射器2，更换新的活塞注射器2，由于取料到打印过程中生物材料始终处于密封状态，因而不会存在受污染现象也不会对喷头产生溢流污垢。另外，驱动模组是设置在保温套组件1的一侧，而不是设置在其正上方，这样就大大缩短了整个喷头系统的长度，在整机尺寸不增加的基础上可以提高打印成型尺寸。

本实施例中，模组电机3倒置设置于保温套组件1的侧壁上，也就是模组电机3的输出轴朝向上方，动力源由模组电机3发出后，自底而上通过丝杆4传递至滑块组件16，滑块组件16能够把丝杠4的旋转运动转换为直线运动，以便驱动活塞杆21在活塞筒22中直线运动，并将驱动力反向传递至活塞注射器2，以便驱动活塞杆21在活塞筒中22中直线运动，活塞杆21在模组电机3的驱动下向下运动推挤材料通过活塞注射器2的针头23挤出到打印平台上。采用这种设置方式，活塞筒22的高度可抵消模组电机3机身或模组电机3机身与联轴器组合传动时的长度，使丝杆4的有效行程等于活塞杆21的额定行程，即使为了增加活塞筒22的容量而选择更大的活塞注射器2，对应的活塞杆21的长度更长，但也只是增加丝杆4的有效行程长度，并不会增加喷头的整体高度，因此，在这种结构下，可以减小对Z轴打印空间的占用，在整机尺寸不增加的基础上可以提高打印成型尺寸。

如图1到图3所示，所述模组电机3通过电机保持架5固定在所述保温套组件1的侧壁上，所述丝杠4与所述保温套组件1之间设有与所述丝杠4平行的直线导轨6，所述直线导轨6穿设在所述滑块组件16上并通过固定螺丝7固定在所述电机保持架5上。模组电机3旋转带动滑块组件16及活塞杆21推挤材料挤出时，材料会对活塞杆21及滑块组件16产生反向作用力，反向作用力会造成丝杠4一定程度的形变，为了抵消丝杠4形变量和增加丝杠4结构的刚度，在这里选用刚度和线性稳定性更优的直线导轨6与丝杠4平行布置，可以保证滑块组件16的运行稳定性。

如图1到图4所示，所述滑块组件16包括丝杠滑块8和与所述丝杠滑块8可拆卸连接的活塞杆固定块9，所述丝杠4和直线导轨6均穿设在所述丝杠滑块8上。所述丝杠滑块8靠近所述保温套组件1的一端端面上设有盲孔，所述丝杠滑块8一侧的侧面上与所述盲孔对应的位置设有第一贯穿孔，所述活塞杆固定块9与所述丝杠滑块8连接的一端端面上设有与所述盲孔匹配的凸起91，所述凸起91上设有与所述第一贯穿孔相配合的第二贯穿孔92，所述活塞杆固定块9通过第一快拆螺丝10依次穿过所述第一贯穿孔和第二贯穿孔92可拆卸连接在所述丝杠滑块8上。

如图1到图4所示，本发明的实施例中，所述活塞杆固定块9的底面上设有用于连接所述活塞杆21尾端的槽口93，所述槽口93与所述活塞杆21的尾端间隙配合使得所述活塞杆21的尾端可沿所述槽口93做平滑运动。所述槽口呈T型状，T型状的槽口93以及其与活塞杆21的尾端间隙配合的设计可以刚好保证活塞杆21在平面内做滑动调整，且保持活塞杆21与丝杠滑块8严格联动。本发明的其他实施例中，所述槽口93可以是呈其他形状的，只要能保证与活塞杆21的尾端适配且间隙配合即可。

如图1到图3、图5所示，所述保温套组件1包括活塞筒保温套11和设在所述活塞筒保温套11底部的针头保温套12，所述活塞注射器2插设在所述保温套组件1中时，所述活塞注射器2的活塞筒22置于所述活塞筒保温套11内部，所述活塞注射器2的针头23置于所述针头保温套12的内部，所述针头23的尖端穿出到所述针头保温套12外部。所述活塞筒保温套11包括环设在所述活塞筒22外围的导热套111和环设在所述导热套111外围的绝热套112，所述导热套111内部设有加热元件14和温度传感器15。加热元件14产生的热量通过导热套111传递给活塞筒22中的材料，通过温度传感器15采集温度值并通过闭环控制回路可以控制温度达到一个恒定值，绝热套112可以有效阻止热量散失。所述针头保温套12包括环设在所述针头23外围的针头导热套121和环设在所述针头导热套121外围的针头绝热套122，所述针头导热套121的顶部所述导热套111的底部连接。针头导热套121把导热套111的热量传递至针头23，并通过针头绝热套122维持针头23处的温度值，这就保证打印时针头23中的材料也维持在恒定温度，同时可以避免材料在针头23处发生堵塞。

如图1到图3所示，所述活塞筒保温套11靠近顶端的侧壁上设有用于固定所述活塞筒22的第二快拆螺丝13。

本实施例中，该活塞挤出式喷头工作时，打印材料的装载过程如下：利用活塞注射器2抽取配制好的材料并整体安装到保温套组件1中，此时针头23、活塞筒22和活塞杆21已经连接在一起，插入保温套组件1前，首先拧松第一快拆螺丝10，拆下活塞杆固定块9，然后把抽取好材料的活塞注射器2保持同轴插入到保温套组件1的固定孔位中，由于轴孔配合时自由度不能完全约束，在模组电机3转动过程中可能会引起活塞筒22的自旋转和Z方向滑动，为此。在活塞筒保温套11靠近顶端的侧壁上设置了用于固定所述活塞筒22的第二快拆螺丝13，保证在打印过程中只允许活塞杆21沿Z方向直线运动。活塞注射器2安装到位后通过调节丝杠滑块8的位置使得活塞杆固定块9的凸起91正好能与丝杠滑块8的盲孔对齐插入，同时，活塞杆固定块9的槽口93刚好卡住活塞杆21的尾部，槽口93的设计可以刚好保证活塞杆21在平面内做滑动调整，且保持活塞杆21与丝杠滑块8严格联动。最后利用第一快拆螺丝10穿过第一贯穿孔和第二贯穿孔92进行固定。至此，打印材料的装载完成。

本实施例中，打印材料装载完成后，该活塞挤出式喷头的工作过程如下：驱动力由模组电机3发出，自下而上传递至丝杠滑块8，驱动力达到丝杠滑块8并通过与丝杠滑块8相连的活塞杆固定块9反向向下传递至活塞杆21尾部，然后通过丝杠4向下传递至活塞筒22中的材料并通过针头23挤出，整个驱动力的传递过程为先自底而上后自顶而下，这种驱动力传递方式使得本实施例的活塞挤出式喷头摒弃了常见的自顶而下的力传递方式，进而可以把原先布置在最顶端的模组电机3或联轴器隐藏安装于喷头保温套组件1的背部位置，既减少了喷头的整体高度又降低了喷头结构的重心，提高了Z向打印尺寸，能够防止高速打印状态时喷头振动现象。

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3D打印机的活塞挤出式喷头，其特征在于，包括保温套组件(1)、可拆卸的插设在所述保温套组件中的活塞注射器(2)、用于驱动活塞杆(21)在所述活塞注射器(2)的活塞筒(22)中直线运动的驱动模组；所述驱动模组包括设在所述保温套组件(1)一侧的模组电机(3)、连接在所述模组电机(3)输出轴上的丝杠(4)、穿设在所述丝杠(4)上的滑块组件(16)，所述滑块组件(16)靠近所述保温套组件(1)的一端与所述活塞杆(21)的尾端可拆卸连接；

所述模组电机(3)通过电机保持架(5)固定在所述保温套组件(1)的侧壁上，所述丝杠(4)与所述保温套组件(1)之间设有与所述丝杠(4)平行的直线导轨(6)，所述直线导轨(6)穿设在所述滑块组件(16)上并通过固定螺丝(7)固定在所述电机保持架(5)上；

所述滑块组件(16)包括丝杠滑块(8)和与所述丝杠滑块(8)可拆卸连接的活塞杆固定块(9)，所述丝杠(4)和直线导轨(6)均穿设在所述丝杠滑块(8)上；

所述活塞杆固定块(9)的底面上设有用于连接所述活塞杆(21)尾端的槽口(93)，所述槽口(93)与所述活塞杆(21)的尾端间隙配合使得所述活塞杆的尾端可沿所述槽口(93)做平滑运动。

2.根据权利要求1所述的3D打印机的活塞挤出式喷头，其特征在于，所述丝杠滑块(8)靠近所述保温套组件(1)的一端端面上设有盲孔，所述活塞杆固定块(9)与所述丝杠滑块(8)连接的一端端面上设有与所述盲孔匹配的凸起(91)，所述丝杠滑块(8)和活塞杆固定块(9)通过所述盲孔与所述凸起(91)的配合实现可拆卸连接；所述保温套组件(1)包括活塞筒保温套(11)和设在所述活塞筒保温套(11)底部的针头保温套(12)。

3.根据权利要求2所述的3D打印机的活塞挤出式喷头，其特征在于，所述丝杠滑块(8)一侧的侧面上与所述盲孔对应的位置设有第一贯穿孔，所述凸起(91)侧壁上设有与所述第一贯穿孔相配合的第二贯穿孔(92)，所述活塞杆固定块(9)通过第一快拆螺丝(10)依次穿过所述第一贯穿孔和第二贯穿孔(92)可拆卸连接在所述丝杠滑块(8)上。

4.根据权利要求2所述的3D打印机的活塞挤出式喷头，其特征在于，所述活塞注射器(2)插设在所述保温套组件(1)中时，所述活塞注射器(2)的活塞筒(22)置于所述活塞筒保温套(11)内部，所述活塞注射器(2)的针头(23)置于所述针头保温套(12)的内部，所述针头(23)的尖端穿出到所述针头保温套(12)外部。

5.根据权利要求4所述的3D打印机的活塞挤出式喷头，其特征在于，所述活塞筒保温套(11)靠近顶端的侧壁上设有用于固定所述活塞筒(22)的第二快拆螺丝(13)。

6.根据权利要求4所述的3D打印机的活塞挤出式喷头，其特征在于，所述活塞筒保温套(11)包括环设在所述活塞筒(22)外围的导热套(111)和环设在所述导热套(111)外围的绝热套(112)，所述导热套(111)内部设有加热元件(14)和温度传感器(15)。

7.根据权利要求6所述的3D打印机的活塞挤出式喷头，其特征在于，所述针头保温套(12)包括环设在所述针头(23)外围的针头导热套(121)和环设在所述针头导热套(121)外围的针头绝热套(122)，所述针头导热套(121)的顶部所述导热套(111)的底部连接。

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