CN109968659A - 一种变深等距螺杆式生物3d打印挤出装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变深等距螺杆式生物3D打印挤出装置，包括电机，所述电机通过支架固定在竖直设置的基板上侧，其底端通过联轴器与螺杆连接；所述螺杆顶部套设有固定架，杆身的螺纹部分套装有料筒；所述固定架侧面与基板固定；所述料筒顶端连通有料斗座，料斗座下侧的料筒外壁依次设置有固定顶座、加热件和固定底座；所述固定顶座和固定底座均与基板固定，固定底座下侧的料筒底端设置有喷头；所述料斗座上连通有料斗；所述基板对应加热件设置有风扇。本发明旨在提供一种能产生较强的挤出压力，克服传统3D打印材料为线状的限制，能将颗粒状或粉末状的生物型材料变为熔融态，再挤出的生物3D打印挤出装置。

Description

一种变深等距螺杆式生物3D打印挤出装置
技术领域
本发明涉及生物3D打印挤出装置领域，尤其涉及一种变深等距螺杆式生物3D打印挤出装置。
背景技术
近些年来，生物3D打印技术在组织工程领域中得到了广泛的研究与应用，该技术在数字三维模型驱动下可精确成型复杂生物结构。随着相关技术的不断深入研究，与该技术密切相关的生物3D打印机也得到了快速发展。按打印方式可将生物3D打印系统分为激光打印、喷墨打印和挤出打印，其中最常用的打印方式是挤出打印，简称为挤出式。依据打印温度的高低，挤出式分为低温沉积打印(LDM)和高温熔融打印(FDM)，这两种打印方式通常用于高低温不同场合下，其中FDM的应用最为广泛，用于打印各种熔点高、粘度大的生物材料。
但在生物打印材料中，有许多生物材料(如PCL、PLGA、PEEK等)或糖类(如壳聚糖、蔗糖等)通常情况下是以颗粒状或粉末状存在，无法通过线材熔融挤出的打印方式进行打印。虽然有研究者在打印之前通过拉丝机将生物打印材料制成线状材料，然后采取线材熔融挤出的打印方式进行打印，但这增加了制造成本和劳动量，费时费力。因此极需一种FDM挤出装置能够满足打印颗粒状或粉末状材料的要求。依据提供挤出动力的不同，基于FDM技术的挤出装置可分为电机驱动和气压驱动，分别称之为机械式和气压式。气压式打印装置的机械结构比较简单，但是在打印过程中需要空气压缩机提供稳定连续的压缩气体，会产生非常大的噪声，并且打印材料在刚开始受压的过程中常伴随有挤出不稳定的情况发生。与气压式相比，机械式由电机直接或间接驱动，具有控制精准、反应灵敏、成本较低等优势。机械式打印装置按挤出部件可分为推杆挤出式和螺杆挤出式。对于熔点较高、粘度较大的材料，推杆挤出式需要很大的推力才能将材料挤出，对电机的输出扭矩有很高的要求，往往对电机造成很大的负担。另外，推杆挤出式的活塞不仅要具有良好的密封性，还需要具备耐高温的特性，这对机械硬件方面有较高的要求。而螺杆挤出式可以很好地克服上述推杆挤出式所具有的缺点，并且经过螺旋挤压熔融材料可以有效地将材料中的气泡排出，对熔融材料有较好的压缩效果。因此，现急需一种压缩比较大，能将颗粒状或粉末状的生物型材料变为熔融态，可稳定挤出生物材料的3D打印挤出装置。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，旨在提供一种能产生较强的挤出压力，克服传统3D打印材料为线状的限制，能将颗粒状或粉末状的生物型材料变为熔融态，再挤出的生物3D打印挤出装置。
为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案予以实现的：
一种变深等距螺杆式生物3D打印挤出装置，包括电机，所述电机通过支架固定在竖直设置的基板上侧，其底端通过联轴器与螺杆连接；所述螺杆顶部套设有固定架，杆身的螺纹部分套装有料筒；所述固定架侧面与基板固定；所述料筒顶端连通有料斗座，料斗座下侧的料筒外壁依次设置有固定顶座、加热件和固定底座；所述固定顶座和固定底座均与基板固定，固定底座下侧的料筒底端设置有喷头；所述料斗座上连通有料斗；所述基板对应加热件设置有风扇。
进一步的，所述加热件共设置有三个，位于上侧的第一加热件对应螺杆的螺槽深度为3mm，位于中部的第二加热件对应螺杆的螺槽深度由3mm线性渐变至1mm，位于下侧的第三加热件对应螺杆的螺槽深度为1mm。
进一步的，所述螺杆的螺距为10mm，螺径为14mm，长径比为18，压缩比为3。
进一步的，所述料斗座通过其顶盖与料斗连接，并在料斗座内设置有从料斗底侧向下倾斜至料斗座内的坡体。
进一步的，所述固定架的顶端与底端分别设置有止推轴承，并通过锁紧螺母将止推轴承安装在螺杆上。
进一步的，所述固定底座内置有加热装置。
进一步的，所述风扇共有5个。
进一步的，所述料筒与螺杆的配合间隙为
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明能够克服气压式和机械推杆式的弊端，突破了传统3D打印材料为线状的限制，可使用颗粒状或粉末状生物型材料进行3D打印。并且加热温度范围大，可使用熔点不同的多种生物型材料，拓展了打印材料的使用范围。而且该挤出装置的压缩比大，能够产生的挤出压力较强，可打印多种粘性较高的生物材料。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的后视结构示意图；
图3为本发明中料斗座的结构示意图；
图4为本发明中固定底座的结构示意图；
图5为本发明中螺杆的结构示意图。
附图标记：
1-电机，2-支架，3-联轴器，4-螺杆，5-锁紧螺母，6-止推轴承，7-固定架，8-顶盖，9-料斗座，10-顶座体，11-顶座盖，12-基板，13-第一加热件，14-料筒，15-第二加热件，16-第三加热件，17-固定底座，18-喷头，19-料斗，20-风扇，21-坡体。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1至图5所示，一种变深等距螺杆式生物3D打印挤出装置，包括电机1，所述电机1通过支架2固定在竖直设置的基板12上侧，其底端通过联轴器3与螺杆4连接；所述螺杆4顶部套设有固定架7，杆身的螺纹部分套装有料筒14；所述固定架7侧面与基板12固定；所述料筒14顶端连通有料斗座9，料斗座9下侧的料筒14外壁依次设置有固定顶座、加热件和固定底座17；所述加热件共设置有三个，位于上侧的第一加热件13对应螺杆4的螺槽深度为3mm，位于中部的第二加热件15对应螺杆4的螺槽深度由3mm线性渐变至1mm，位于下侧的第三加热件16对应螺杆4的螺槽深度为1mm；所述固定顶座由固定在基板12上的顶座体10，以及环绕料筒14外壁与顶座体10固定的顶座盖11构成，固定顶座和固定底座17均与基板12固定，固定底座17下侧的料筒14底端设置有喷头18；所述料斗座9上连通有料斗19；所述基板12对应三个加热件设置有5个风扇20；所述螺杆4的螺距为10mm，螺径为14mm，长径比为18，压缩比为3；本实施例中电机1为减速步进电机，生物材料为聚己内酯。
本发明分为进给系统、加热系统和冷却系统。进给系统由减速步进电机、螺杆、料斗座、料斗和料筒组成。生物型材料由料斗装填经过料斗座进入到料筒中，通过减速步进电机带动螺杆旋转，将进入料筒内的材料不断向下挤压至喷头处。加热系统由加热件组成，材料从料筒顶部向下运动过程中，通过外包在料筒上的加热件加热至半熔融态，最后从喷头挤出。冷却系统由基板上的5个风扇组成，防止加热件因长时间加热形成温度累积，造成材料粘度持续变化而挤出不稳定。
本发明中螺杆分为进料段、压缩段和计量段，进料段∶压缩段∶计量段的长度比为98∶84∶70。
第一加热件对应的螺杆部分为进料段，该段对应的螺槽深度最大，在保证进料充足的情况下可有效提高打印材料的压缩比。第一加热件对材料起预热作用，该段温度必须控制在材料的熔点以下，以保证进料顺畅。
第二加热件对应的螺杆部分为压缩段，该段对应的螺槽深度逐渐减小，一是有利于将材料进行有效的压缩，二是可以排出材料内部气体。第二加热件用于将材料加热至熔融态。
第三加热件对应的螺杆部分为计量段，该段对应的螺槽深度最小，用于计量挤出熔融材料的量。第三加热件温度最高，保证了经压缩后的材料在进入计量段时和在计量段整个过程中都处于半熔融态。
所述固定底座17内置有加热装置。其温度较计量段略低，既可起到保温作用，保证材料从计量段流下时处于熔融态不会固化，还可起到梯度降温作用，使打印材料温度缓慢降低，有利于在挤出材料时顺利成型，同时该底座对料筒起到固定作用。
其中，所述固定架7的顶端与底端分别设置有止推轴承6，并通过锁紧螺母5将止推轴承6安装在螺杆4上。固定架两端的止推轴承不仅可以减小螺杆旋转所受的摩擦力，还将打印过程中螺杆所受的轴向力经固定架传递至基板上，提高了螺杆的稳定性。
其中，所述料斗座9通过其顶盖8与料斗19连接，并在料斗座9内设置有从料斗19底侧向下倾斜至料斗座9内的坡体21，保证打印材料顺利落入料筒14内。
综上所述，本发明不再受限于传统线状打印材料，可方便打印颗粒状或粉末状生物材料，并且加热温度范围大，进而拓展了打印材料的使用范围；该挤出装置的压缩比大，能够产生的挤出压力较强，可打印多种粘性较高的生物材料；该装置结构紧凑、总体重量轻、可移植性强，能够非常方便地安装在其他三维移动平台上组装成生物3D打印机或与其他挤出装置配合组装成多头生物3D打印挤出装置。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种变深等距螺杆式生物3D打印挤出装置，包括电机，其特征在于：所述电机通过支架固定在竖直设置的基板上侧，其底端通过联轴器与螺杆连接；所述螺杆顶部套设有固定架，杆身的螺纹部分套装有料筒；所述固定架侧面与基板固定；所述料筒顶端连通有料斗座，料斗座下侧的料筒外壁依次设置有固定顶座、加热件和固定底座；所述固定顶座和固定底座均与基板固定，固定底座下侧的料筒底端设置有喷头；所述料斗座上连通有料斗；所述基板对应加热件设置有风扇。
2.根据权利要求1所述的一种变深等距螺杆式生物3D打印挤出装置，其特征在于：所述加热件共设置有三个，位于上侧的第一加热件对应螺杆的螺槽深度为3mm，位于中部的第二加热件对应螺杆的螺槽深度由3mm线性渐变至1mm，位于下侧的第三加热件对应螺杆的螺槽深度为1mm。
3.根据权利要求2所述的一种变深等距螺杆式生物3D打印挤出装置，其特征在于：所述螺杆的螺距为10mm，螺径为14mm，长径比为18，压缩比为3。
4.根据权利要求1所述的一种变深等距螺杆式生物3D打印挤出装置，其特征在于：所述料斗座通过其顶盖与料斗连接，并在料斗座内设置有从料斗底侧向下倾斜至料斗座内的坡体。
5.根据权利要求1所述的一种变深等距螺杆式生物3D打印挤出装置，其特征在于：所述固定架的顶端与底端分别设置有止推轴承，并通过锁紧螺母将止推轴承安装在螺杆上。
6.根据权利要求1所述的一种变深等距螺杆式生物3D打印挤出装置，其特征在于：所述固定底座内置有加热装置。
7.根据权利要求1所述的一种变深等距螺杆式生物3D打印挤出装置，其特征在于：所述风扇共有5个。
8.根据权利要求1所述的一种变深等距螺杆式生物3D打印挤出装置，其特征在于：所述料筒与螺杆的配合间隙为
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