CN110936605A - 一种适用于梯度结构多材料的生物3d打印装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于梯度结构多材料的生物3D打印装置，属于医疗器械快速制造成型领域。该装置中，机械手三维运动单元置于恒温箱内部，带动喷头在成型盒内上部生物液中做XYZ方向的三维运动，进行生物3D打印；液压单元置于恒温箱内部，进口管连通液压泵和成型盒底部，出口管顺应机械手三维运动单元延展，并连通液压泵与喷头，由液压泵将成型盒底部的生物液抽出送至喷头；传感器及辅助单元用于监测及调节恒温箱内部环境；控制及数据处理单元用于控制机械手三维运动机构和液压单元的工作，同时接收处理传感器及辅助单元提供的监测数据。本发明自动化程度高、绿色低碳效率高、有效利用空间广，对实现生物材料温度梯度控制具有重要意义。

Description

一种适用于梯度结构多材料的生物3D打印装置
技术领域
本发明属于医疗器械快速制造成型领域，更具体地，涉及一种采用多机械手支持多喷头运动及液压泵技术提供生物液的新型生物3D打印综合成型系统，适用于梯度结构多材料的生物3D打印研究。
背景技术
传统生物3D打印机对丝杠、光轴、直线导轨等长距离线性运动部件的依赖程度太高，制约有效成型区的打印空间，自动化程度低；常规生物3D打印喷头采用注射器式结构，注射器容积有限降低了大尺寸生物结构件一次成型率，而且效率低，工作环境不易控制，影响生物细胞存活率；此外，由于生物材料种类较多，需要的工作温度也不一样，现有的生物打印机温控系统所适用的生物材料有限，需要应用范围更加广泛有效的温控系统。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于梯度结构多材料的生物3D打印装置，其目的在于，解决现代生物打印机效率低、工作空间受限、生物细胞存活率低以及工作环境的温度不易控制的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种适用于梯度结构多材料的生物3D打印装置，其特征在于，包括：恒温箱、机械手三维运动单元、液压单元、传感器及辅助单元、成型盒和控制及数据处理单元；
所述机械手三维运动单元置于恒温箱内部，包括：机械手支撑座、喷头以及按照人体仿生构造依次连接的机械手腰部、机械手肩转部件、机械手大臂、机械手肘关节部件、机械手小臂、机械手腕关节部件、机械手部；机械手支撑座固定在恒温箱底部，机械手部安装喷头；所述机械手腰部绕竖直轴线旋转，所述机械手肩转部件、机械手肘关节部件均绕各自水平轴线旋转，所述机械手腕关节部件同时实现偏转和俯仰两个方向运动，从而带动喷头在成型盒内上部生物液中做XYZ方向的三维运动，进行生物3D打印；
所述液压单元置于恒温箱内部，包括液压泵、进口管和出口管；进口管连通液压泵和成型盒底部，出口管顺应机械手三维运动单元延展，并连通液压泵与喷头，以由液压泵将成型盒底部的生物液抽出送至喷头；
所述传感器及辅助单元用于监测及调节恒温箱内部环境；
所述控制及数据处理单元用于控制机械手三维运动机构和液压单元的工作，同时接收处理传感器及辅助单元提供的监测数据。
进一步地，包括多个机械手三维运动单元，各机械手三维运动单元一一对应配置一个液压单元，各机械手三维运动单元、液压单元均由控制及数据处理单元独立控制；各液压单元连接于同一成型盒底部，或一一对应连接不同的成型盒底部，以在控制及数据处理单元控制下进行多机械手协作打印或独立打印。
进一步地，传感器及辅助单元包括保护气洁净模块；
所述保护气洁净模块包括设于所述恒温箱上的进气口、出气口及与所述进气口和出气口连通的风道，所述进气口设置于所述恒温箱的侧部，所述出气口设置于所述恒温箱的顶部。
进一步地，传感器及辅助单元包括传感器监测模块，所述传感器监测模块包括内置于恒温箱顶部的测温传感器和测氧传感器。
进一步地，传感器及辅助单元包括热电制冷模块和加热模块；所述热电制冷模块包括半导体制冷器，用于使恒温箱腔体内的温度降至0℃；所述加热模块包括红外定向热辐射器，用于配合半导体制冷器使工作温度在0～40℃范围内调节。
进一步地，传感器及辅助单元包括消毒杀菌模块，所述消毒杀菌模块包括UV紫外灯，内置于恒温箱上部。
进一步地，传感器及辅助单元包括蓝光光固化模块，所述蓝光光固化模块包括蓝光灯，内置于恒温箱上部，用以向所述保温箱内部照射蓝光，利于打印光敏生物材料。
进一步地，传感器及辅助单元包括照明模块，所述照明模块包括三防灯，在恒温箱内部两侧对称分布。
进一步地，所述恒温箱上部内设支撑板，支撑板尺寸小于恒温箱水平方向横截面，用于支撑传感器及辅助单元中的半导体制冷器、蓝光灯、红外定向热辐射器、UV紫外灯以及部分电子线路。
进一步地，所述恒温箱后侧内设电子电路安装板，电子电路安装板尺寸小于恒温箱前方纵截面，用于安装控制及数据处理单元中的硬件控制器件，以及为机械手三维运动单元和液压单元的部分线路和管道预留布置空间，并将控制及数据处理单元中的强电与弱电电路分开，保证电路安全。
总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明3D打印机的运动执行结构采用智能化程度较高的机械手，摆脱了对丝杠、光轴、直线滑轨等线性运动部件的依赖，提高了工作效率的同时也节省的打印空间，可以作为大尺寸生物3D打印机使用。此外，由于取消了注射器结构，改以成型盒作为生物液储液器和打印空间，由液压单元及喷头进行生物材料输送及打印，不仅可以实现自动化控制，更可在封闭的恒温箱内部进行自动化操作，环境可控，生物细胞存活率高。
(2)本发明的3D打印机可以采用多个机械手共同在一个成型盒内工作，实现在同种生物液材料中同时打印一个或多个生物结构，也可以使用多个成型盒，工作时每个机械手在各自成型盒内独立打印或同步打印，实现在多种生物液材料中分别打印同种类型或者不同类型的生物结构，能够用于梯度结构生物材料的打印。
(3)通过保护气洁净模块、消毒杀菌模块、加热模块、热电制冷模块和传感器检测模块，无需使用生物安全柜就可以实现为生物3D打印提供温度可控的洁净无菌的环境，以满足各种不同工作温度生物材料的打印要求。
(4)本发明自动化程度高，绿色低碳效率高，有效利用空间广，对实现生物材料温度梯度控制具有重要的研究价值。
附图说明
图1是本发明所述的适用于梯度结构多材料生物3D打印装置的一种实施例的结构示意图；
图2是本发明所述的机械手三维运动机构的结构示意图；
图3是本发明所述的机械手腕关节图；
图4是本发明所述的液压系统的工作示意图；
图5是本发明系统的工作流程图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-恒温箱，2-保护气进气口，3-出气口，4-测温传感器，5-测氧传感器，6-可触摸显示屏，7-半导体制冷器，8-支撑板，9-蓝光灯，10-电子电路安装板，11-三防灯，12-UV紫外灯，13-红外定向热辐射器，14-成型盒，15-液压泵，16-门，17-生物3D打印喷头，18-机械手部，19-机械手腕关节部件，20-机械手小臂，21-机械手肘关节部件，22-机械手大臂，23-机械手肩转部件，24-机械手腰部，25-机械手支撑座，26-第一短轴，27-第二短轴，28-进口管，29-出口管。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，附图中描述位置关系仅用于示例性说明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明优选的一种适用于梯度结构多材料的生物3D打印装置，包括：机械手三维运动单元Ⅰ，作为3D打印机三维运动执行机构设置于恒温箱内的打印机底座上，用于驱动机械手部夹持生物3D打印喷头在成型盒内做XYZ轴三维运动；液压单元Ⅱ，由所述液压泵及液压阀组成，作为3D打印喷头的动力驱动机构设置于恒温箱内腔中，所述液压泵的出口管的软管顺应机械手结构直至机械手部夹持的3D打印喷头，随着所述机械手运动机构做XYZ轴三维运动；传感器及辅助单元Ⅲ，作为3D打印的检测机构内置于恒温箱腔体上部，用于实时在线监测腔体内主要参数指标是否达标，以利控制及数据处理单元Ⅳ进行准确无误地调控。
如图1及图2所示，机械手三维运动单元Ⅰ包括：生物3D打印喷头17、机械手部18、机械手腕关节部件19、机械手小臂20、机械手肘关节部件21、机械手大臂22、机械手肩转部件23、机械手腰部24、机械手支撑座25、第一短轴26以及第二短轴27。机械手三维运动单元Ⅰ内置于所述恒温箱1腔体内，机械手支撑座25固定于所述恒温箱1腔体内的打印机底座上，机械手腰部24固定于机械手支撑座25上，机械手腰部24、机械手肩转部件23、机械手大臂22、机械手肘关节部件21、机械手小臂20、机械手腕关节部件19与机械手部18由下往上依次连接，所述机械手部18用于安装生物3D打印喷头17，生物3D打印喷头17通过机械手三维运动单元I的驱动在成型盒内完成生物3D打印任务。
机械手支撑座25与打印机底部固定连接，起支撑作用；所述机械手腰部24模拟人体腰部做旋转运动，机械手肩转部件23、机械手肘关节部件21做内收外展运动和屈伸运动；所述机械手腕关节部件19可以同时实现偏转和俯仰两个方向运动；所述机械手的三维运动是由不同型号的微型电机、减速器等电子元器件硬件和专门的工业机器人编程软件共同作用的。
如图3所示，机械手腕关节19包括第一短轴26、第二短轴27，所述第二短轴27驱动机械手腕关节19做俯仰运动；所述第一短轴26与与机械手部18相连接，驱动机械手腕关节19做偏转运动。
在本实例中，如图4所示，所述液压单元Ⅱ内置于所述恒温箱腔体内打印机底座上，包括液压泵15、安全阀和单向节流阀。液压泵15在安全阀及单向节流阀共同作用下，通过进口管28将成型盒14的生物液不断抽出送至出口管29，最终流进喷头17，并在机械手三维运动单元Ⅰ作用下实现三维生物数字模型的层层叠加，生成所需的不同形状功能的生物样本。
所述进口管28在成型盒14内，所述液压泵的出口管29的管道由下往上依次顺应机械手三维运动单元Ⅰ的机械手腰部24、机械手肩转部件23、机械手大臂22、机械手肘关节部件21、机械手小臂20、机械手腕关节部件19、机械手部18，最终连接3D打印喷头17，随着所述机械手三维运动单元I做XYZ轴三维运动。
在本实例中，图1所示的传感器及辅助单元Ⅲ，位于恒温箱1上部和右侧，保证恒温箱1各项指标符合要求，主要包括以下机构：
a.保护气洁净模块，所述恒温箱1设置有保护气进气口2、出气口3，所述进气口2处设置有风机，采用FFU风机过滤；所述保护气为相对密度大于空气无色无臭的惰性气体氩气Ar，通气方式为下进上出。
b.传感器监测模块，所述测温传感器4和测氧传感器5均内置于恒温箱1顶部，实时监测腔体内的温度及氧气含量；所述测温传感器4所测腔体温度是由红外定向热辐射器13非接触式加热而来。
c.加热模块，所述红外定向热辐射器13是镀金加热管发出的热能通过辐射板辐射到被加热物上，通过控制热辐射器照射光强度来调整腔体温度。
d.热电制冷模块，所述半导体制冷器7内置于恒温箱1上部，通过温差电致冷组件将腔体内的温度降至0℃，在加热模块的共同作用下可将腔体内的温度控制在0～40℃范围，满足多材料生物3D打印液的温度要求。
e.消毒杀菌模块，所述UV紫外灯12内置于恒温箱1上部，用以向所述恒温箱1内部照射杀灭腔体中的细菌和病毒等微生物。
f.蓝光光固化模块，所述蓝光灯9内置于恒温箱1上部，用以向所述恒温箱1内部照射较高透射深度的蓝光，故适用于光敏材料的生物液的光固化要求。
在本实例中，如图5所示，本发明的工作流程如下：
①采用生物CAD系统将CT扫描的数据进行重新建模得到三维模型，或者通过三维绘图软件经过修正后得到三维模型，3D打印软件将此三维模型转化为STL模型，并进行分层处理成计算机软件可以识别执行的数据文件。
②将准备好的生物液倒入成型盒14中，关闭门16，使恒温箱1处于密闭状态，启动机器，往恒温箱1中通入保护气，观察测氧传感器5的示数；调节红外定向热辐射器13的功率，或者调节半导体制冷器7的功率，观察测温传感器4的示数；对于光敏材料的生物液可以使用蓝光灯9，控制打印结构的光固化程度；启动机械手三维运动单元I，以及液压单元II，观察生物3D打印进程。
③控制及数据处理单元IV要将机械手传输的位置信号，温度、氧气、光固化装置传输的数据信号，液压泵系统反馈的生物液流量信号三处采集的连续信号进行综合分析处理，对比各自预设值，如果不一致则返回控制系统进行调节，直至与预设值一致，然后启动3D打印设备。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上部”、“底部”、“左侧”、“右侧”、“前方”、“水平”、“内”、“外”、“对称”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“俯仰”、“偏转”、“下进上出”等对本领域的普通技术人员而言，可依具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于梯度结构多材料的生物3D打印装置，其特征在于，包括：恒温箱(1)、机械手三维运动单元(Ⅰ)、液压单元(Ⅱ)、传感器及辅助单元(Ⅲ)、成型盒(14)和控制及数据处理单元(Ⅳ)；
所述机械手三维运动单元(Ⅰ)置于恒温箱(1)内部，包括：机械手支撑座(25)、喷头(17)以及按照人体仿生构造依次连接的机械手腰部(24)、机械手肩转部件(23)、机械手大臂(22)、机械手肘关节部件(21)、机械手小臂(20)、机械手腕关节部件(19)、机械手部(18)；机械手支撑座(25)固定在恒温箱(1)底部，机械手部(18)安装喷头(17)；所述机械手腰部(24)绕竖直轴线旋转，所述机械手肩转部件(23)、机械手肘关节部件(21)均绕各自水平轴线旋转，所述机械手腕关节部件(19)同时实现偏转和俯仰两个方向运动，从而带动喷头(17)在成型盒(14)内上部生物液中做XYZ方向的三维运动，进行生物3D打印；
所述液压单元(Ⅱ)置于恒温箱(1)内部，包括液压泵(15)、进口管(28)和出口管(29)；进口管(28)连通液压泵(15)和成型盒(14)底部，出口管(29)顺应机械手三维运动单元(Ⅰ)延展，并连通液压泵(15)与喷头(17)，以由液压泵(15)将成型盒(14)底部的生物液抽出送至喷头(17)；
所述传感器及辅助单元(Ⅲ)用于监测及调节恒温箱(1)内部环境；
所述控制及数据处理单元(Ⅳ)用于控制机械手三维运动机构(Ⅰ)和液压单元(Ⅱ)的工作，同时接收处理传感器及辅助单元(Ⅲ)提供的监测数据。
2.根据权利要求1所述的一种适用于梯度结构多材料的生物3D打印装置，其特征在于，包括多个机械手三维运动单元(Ⅰ)，各机械手三维运动单元(Ⅰ)一一对应配置一个液压单元(Ⅱ)，各机械手三维运动单元(Ⅰ)、液压单元(Ⅱ)均由控制及数据处理单元(Ⅳ)独立控制；各液压单元(Ⅱ)连接于同一成型盒(14)底部，或一一对应连接不同的成型盒(14)底部，以在控制及数据处理单元(Ⅳ)控制下进行多机械手协作打印或独立打印。
3.根据权利要求1或2所述的一种适用于梯度结构多材料的生物3D打印装置，其特征在于，传感器及辅助单元(Ⅲ)包括保护气洁净模块；
所述保护气洁净模块包括设于所述恒温箱(1)上的进气口(2)、出气口(3)及与所述进气口(2)和出气口(3)连通的风道，所述进气口(2)设置于所述恒温箱(1)的侧部，所述出气口(3)设置于所述恒温箱(1)的顶部。
4.根据权利要求1或2所述的一种适用于梯度结构多材料的生物3D打印装置，其特征在于，传感器及辅助单元(Ⅲ)包括传感器监测模块，所述传感器监测模块包括内置于恒温箱(1)顶部的测温传感器(4)和测氧传感器(5)。
5.根据权利要求1或2所述的一种适用于梯度结构多材料的生物3D打印装置，其特征在于，传感器及辅助单元(Ⅲ)包括热电制冷模块和加热模块；所述热电制冷模块包括半导体制冷器(7)，用于使恒温箱(1)腔体内的温度降至0℃；所述加热模块包括红外定向热辐射器(13)，用于配合半导体制冷器(7)使工作温度在0～40℃范围内调节。
6.根据权利要求1或2所述的一种适用于梯度结构多材料的生物3D打印装置，其特征在于，传感器及辅助单元(Ⅲ)包括消毒杀菌模块，所述消毒杀菌模块包括UV紫外灯(12)，内置于恒温箱(1)上部。
7.根据权利要求1或2所述的一种适用于梯度结构多材料的生物3D打印装置，其特征在于，传感器及辅助单元(Ⅲ)包括蓝光光固化模块，所述蓝光光固化模块包括蓝光灯(9)，内置于恒温箱(1)上部，用以向所述保温箱(1)内部照射蓝光，利于打印光敏生物材料。
8.根据权利要求1或2所述的一种适用于梯度结构多材料的生物3D打印装置，其特征在于，传感器及辅助单元(Ⅲ)包括照明模块，所述照明模块包括三防灯(11)，在恒温箱(1)内部两侧对称分布。
9.根据权利要求1或2所述的一种适用于梯度结构多材料的生物3D打印装置，其特征在于，所述恒温箱(1)上部内设支撑板(8)，支撑板(8)尺寸小于恒温箱(1)水平方向横截面，用于支撑传感器及辅助单元(Ⅲ)中的半导体制冷器(7)、蓝光灯(9)、红外定向热辐射器(13)、UV紫外灯(12)以及部分电子线路。
10.根据权利要求1或2所述的一种适用于梯度结构多材料的生物3D打印装置，其特征在于，所述恒温箱(1)后侧内设电子电路安装板(10)，电子电路安装板(10)尺寸小于恒温箱(1)前方纵截面，用于安装控制及数据处理单元(Ⅳ)中的硬件控制器件，以及为机械手三维运动单元(Ⅰ)和液压单元(Ⅱ)的部分线路和管道预留布置空间，并将控制及数据处理单元(Ⅳ)中的强电与弱电电路分开，保证电路安全。
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