CN111361153B - 多型号喷头替换型生物3d打印装置 - Google Patents

多型号喷头替换型生物3d打印装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多型号喷头替换型生物3D打印装置，包括：输送管，其设置在3D打印台的正上方，所述输送管还包括：筒体；轴；电机，其驱动所述轴旋转；至少两个第一加压输送段；一对加压输送搅拌叶；以及喷嘴组件，其可拆卸的设置在所述球冠形封头的球面上；所述喷嘴组件包括球冠形支撑壳；环形滑槽；交叉设置的一对弧形滑槽；多个弧形板体；多个喷嘴。本发明能够均匀和顺畅的喷射黏度大、密度高的生物组织液，满足生物医学产品的打印要求。

Description

多型号喷头替换型生物3D打印装置
技术领域
本发明涉及生物3D打印技术领域，特别涉及一种多型号喷头替换型生物3D打印装置。
背景技术
3D打印技术(three-dimensional printing,3DP),又名增材制造、快速成型技术，自由成型技术等，是基于离散-堆积原理，在计算机辅助下采用分层加工、叠加成型的技术，即通过逐层增加材料来形成3D实体。生物3D打印是3D打印技术在生物医学领域中的交叉应用，具有重要的研究意义及应用前景。运用3D打印技术既可以制作标准模型，也可以为病人量身定制结构复杂的手术支架等。通过计算机断层扫描(CT)或者核磁共振(MRI)等医学成像技术对病人骨缺损部位进行扫描得到所需要的支架模型，随后使用三维打印机进行打印成型。如同喷墨打印机的喷头喷出墨水一样，生物3D打印装置里面是处理调制过的复合生物3D打印要求的带有生物细胞的生物组织液。现有生物3D打印装置多设置为一个喷嘴，不能根据打印部位及生物组织液的不同进行随机调整单喷嘴或多喷嘴打印，严重制约打印速度及打印精度；此外，由于生物组织液的黏度大、流动性差，现有技术中的生物3D打印装置仅仅以压电陶瓷管间接作用于喷嘴部位作为驱动，明显表现为提供的压力不足，因此会有喷头堵塞的现象发生。
鉴于上述描述，亟待有一种满足生物3D打印要求的多型号喷头替换型生物3D打印装置的出现，以能够使大黏度、高密度的生物组织液喷射顺畅、均匀，满足生物医学产品的打印要求。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种多型号喷头替换型生物3D打印装置，能够根据打印部位及生物组织液的不同进行随机调整不同的喷嘴进行打印，且能够保证均匀和顺畅的喷射黏度大、密度高的生物组织液，满足生物医学产品的打印要求。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种多型号喷头替换型生物3D打印装置，包括：
输送管，其设置在3D打印台的正上方，所述输送管还包括：筒体，所述筒体为竖直设置的中空管体，且自筒体的上端向其下端，所述筒体的横截面逐渐减小；轴，其轴向设置在所述筒体内，所述轴上设置有螺旋输送片；电机，其驱动所述轴旋转；至少两个第一加压输送段，其间隔开设置在所述筒体上，任一第一加压输送段包括一压电陶瓷管Ⅰ，其嵌入式设置在所述筒体的内侧壁上，且轴向穿过压电陶瓷管Ⅰ的部分所述轴上不设置螺旋输送片；一对加压输送搅拌叶，其设置在轴向穿过压电陶瓷管Ⅰ的部分所述轴上；且基于所述轴，任一搅拌叶呈向所述轴的斜上方突起的弧形结构，所述搅拌叶的朝向下方的表面上均匀分布多个凹陷；球冠形封头，其扣设在所述筒体的下端上，且球面型封头的球面正对3D打印台的台面突起设置；多个出料孔，其贯通设置在所述球面型封头中部，且多个出料孔正对所述筒体的下端开口中部设置；以及
喷嘴组件，其可拆卸的设置在所述球冠形封头的球面上；所述喷嘴组件包括球冠形支撑壳，球冠形支撑壳抵触扣设在所述球冠形封头的球面上，且球冠形支撑壳的中心与所述球冠形封头的中心重叠；环形滑槽，其嵌入式成型设置在所述球冠形支撑壳的球面上，且环形滑槽的外边沿靠近所述球冠形支撑壳的边沿设置；交叉设置的一对弧形滑槽，其相互交叉的设置在所述球冠形支撑壳的球面上，且一对弧形滑槽设置在环形滑槽的内边沿所圈定的范围内，一对弧形滑槽的两端延伸入环形滑槽内，一对弧形滑槽的相互交叉位置相互连通为工作位；多个弧形板体，其可滑动的设置在所述环形轨道内，且多个弧形板体可滑动至一对弧形滑槽上；多个喷嘴，其对应设置在多个弧形板体上，且当任一喷嘴随弧形板体滑动至工作位时，任一喷嘴上的多个喷孔透过弧形板体上的通孔与多个出料孔一一对应轴向贯通，任一喷嘴上的多个喷孔喷射生物黏液的范围不重叠。
优选的是，还包括：
密封垫Ⅰ，其设置在球冠形支撑壳的球面上，且设置在多个出料孔的周围；以及
密封垫Ⅱ，其设置在多个弧形板体的内侧壁上，且设置在多个喷孔的周围；当多个弧形板体位于工作位时，所述密封垫Ⅰ和密封垫Ⅱ相互抵触。
优选的是，压电陶瓷管Ⅰ为圆柱形筒体结构，且在所述筒体的径向上，压电陶瓷管Ⅰ的下端的开口直径与其处于同一平面的所述筒体的内直径相适应，所述压电陶瓷管Ⅰ的上端的开口直径r小于与其处于同一平面的所述筒体的内直径R；且所述压电陶瓷管Ⅰ的上端的开口与处于其上方的部分所述筒体的内侧壁弧形过渡衔接设置。
优选的是，所述压电陶瓷管Ⅰ的上端的开口直径r与其处于同一平面的所述筒体的内直径R的比例为r:R＝8:9-8:10。
优选的是，所述螺旋输送片为倒角处理的弧形硅胶片体，且自所述螺旋输送片的上端向其下端，所述螺旋输送片的宽度逐渐减小。
优选的是，一对加压输送搅拌叶为倒角处理的硅胶片体，且一对加压输送搅拌叶在轴向上的总体高度与其外侧设置的所述压电陶瓷管Ⅰ的高度相适应。
优选的是，还包括：
第二加压输送段，其包括柱形密封体，所述柱形密封体轴向嵌入设置在所述筒体内，将所述筒体分割为第一腔体和第二腔体；且柱形密封体靠近所述筒体的下端设置；两个压电陶瓷管Ⅱ，其轴向贯通设置在柱形密封体上，以通过两个压电陶瓷管Ⅱ连通第一腔体和第二腔体。
优选的是，两个压电陶瓷管的横切面直径小于所述筒体的横切面直径的1/3，且两个压电陶瓷管Ⅱ的横截面的面积与密封体的横截面的面积的比例为1:2-1:3。
优选的是，密封体的下表面一体成型多个向上的凹陷。
优选的是，第一腔体和第二腔体的长度比例为5:1-6:1。
本发明至少包括以下有益效果：
在输送管内部设置螺旋输送片，通过螺旋输送片的推进作用将粘度大，密度高的带有细胞的生物组织液向喷嘴处输送，提高一定的输送压力，进而实现喷嘴处源源不断的喷出生物组织液，同时还能起到一定的搅拌作用，使得生物组织液中的细胞分布均匀，打印效果好；由于生物组织液内含有大量细胞，螺旋输送片不宜转动过快，需要进行缓慢的旋转输送，(比如，转速低于每分钟20转)进而，在设置螺旋输送片的基础上，进一步设置至少两个第一加压输送段，其内设置压电陶瓷管Ⅰ，压电陶瓷管Ⅰ与驱动电路相连，驱动电路驱动压电陶瓷管Ⅰ产生径向变形，驱使生物组织液沿筒体向喷嘴方向流动，通过缓慢的螺旋输送及阶段性的挤压输送来对生物组织液进行整体加压，可有效提高生物组织液的输送；生物组织液在压电陶瓷管Ⅰ的内腔内可能会产生聚集，堆积的现象，因此在其内设置一对搅拌叶代替螺旋输送片，通过搅拌尽量减少其内细胞堆积，保持生物组织液均质，搅拌叶的弧形结构及其下表面均匀分布多个凹陷，可一定程度上阻挡和吸收筒体内部因压电陶瓷管作用产生向上的压力波；综上，输送管内部设置螺旋输送片等可对喷嘴处的生物组织液产生明显的驱动及搅拌效果，能够满足大黏度、高密度生物材料打印输出要求；
喷嘴组件中，球冠形支撑壳与球冠形封头相互配合，实现无缝对接，有助于提高筒体底部与喷嘴之间的气密性，满足生物组织液的喷射要求；环形滑槽与交叉设置的一对弧形滑槽相互连通，以为多个弧形板体提供滑动支撑，方便且快速的更换不同喷孔数量以及不同喷孔孔径的喷嘴；以满足大黏度、高密度生物材料的不同打印输出要求；环形滑槽为内嵌式滑槽，一方面为多个弧形板体和多个喷嘴提供活动空间，另一方面用于支撑和连接相互交叉设置的一对弧形滑槽；交叉设置的一对弧形滑槽为贯通球冠形支撑壳的滑槽，且两者的滑槽宽度相一致，以满足喷嘴在二者间位置的随意切换；切换过程可通过设置相应的驱动组件完成，或者，根据需要手动完成更换。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1根据本发明一个实施例中所述的多型号喷头替换型生物3D打印装置的纵剖结构示意图；
图2根据本发明另一个实施例中所述的喷嘴组件的正视结构示意图；
图3根据本发明另一个实施例中所述的喷嘴组件的纵剖结构示意图；
图4为图2中A部分的放大图；
图5根据本发明另一个实施例中所述的多型号喷头替换型生物3D打印装置的纵剖结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1、图2所示，本发明提供一种多型号喷头替换型生物3D打印装置，包括：
输送管10，其设置在3D打印台的正上方，所述输送管还包括：筒体101，所述筒体为竖直设置的中空管体，且自筒体的上端向其下端，所述筒体的横截面逐渐减小；轴102，其轴向设置在所述筒体内，所述轴上设置有螺旋输送片；电机103，其驱动所述轴旋转；至少两个第一加压输送段104，其间隔开设置在所述筒体上，任一第一加压输送段包括一压电陶瓷管Ⅰ1041，其嵌入式设置在所述筒体的内侧壁上，且轴向穿过压电陶瓷管Ⅰ的部分所述轴上不设置螺旋输送片；一对加压输送搅拌叶1042，其设置在轴向穿过压电陶瓷管Ⅰ的部分所述轴上；且基于所述轴，任一搅拌叶呈向所述轴的斜上方突起的弧形结构，所述搅拌叶的朝向下方的表面上均匀分布多个凹陷；球冠形封头105，其扣设在所述筒体的下端上，且球面型封头的球面正对3D打印台的台面突起设置；多个出料孔1051，其贯通设置在所述球面型封头中部，且多个出料孔正对所述筒体的下端开口中部设置；以及
喷嘴组件20，其可拆卸的设置在所述球冠形封头的球面上；所述喷嘴组件包括球冠形支撑壳201，球冠形支撑壳抵触扣设在所述球冠形封头的球面上，且球冠形支撑壳的中心与所述球冠形封头的中心重叠；环形滑槽2011，其嵌入式成型设置在所述球冠形支撑壳的球面上，且环形滑槽的外边沿靠近所述球冠形支撑壳的边沿设置；交叉设置的一对弧形滑槽2012，其相互交叉的设置在所述球冠形支撑壳的球面上，且一对弧形滑槽设置在环形滑槽的内边沿所圈定的范围内，一对弧形滑槽的两端延伸入环形滑槽内，一对弧形滑槽的相互交叉位置相互连通为工作位；多个弧形板体202，其可滑动的设置在所述环形轨道内，且多个弧形板体可滑动至一对弧形滑槽上；多个喷嘴203，其对应设置在多个弧形板体上，且当任一喷嘴随弧形板体滑动至工作位时，任一喷嘴上的多个喷孔透过弧形板体上的通孔与多个出料孔一一对应轴向贯通，任一喷嘴上的多个喷孔2031喷射生物黏液的范围不重叠。任一出料孔的孔径大于100微米，以满足生物细胞及组织液通过要求。
在输送管内部设置螺旋输送片，通过螺旋输送片的推进作用将粘度大，密度高的带有细胞的生物组织液向喷嘴处输送，提高一定的输送压力，进而实现喷嘴处源源不断的喷出生物组织液，同时还能起到一定的搅拌作用，使得生物组织液中的细胞分布均匀，打印效果好；由于生物组织液内含有大量细胞，螺旋输送片不宜转动过快，需要进行缓慢的旋转输送(比如，转速每分钟10转、每分钟15转或每分钟20转)，进而，在设置螺旋输送片的基础上，进一步设置至少两个第一加压输送段，其内设置压电陶瓷管Ⅰ，压电陶瓷管Ⅰ与驱动电路相连，驱动电路驱动压电陶瓷管Ⅰ产生径向变形，驱使生物组织液沿筒体向喷嘴方向流动，通过缓慢的螺旋输送及阶段性的挤压输送来对生物组织液进行整体加压，可有效提高生物组织液的输送；生物组织液在压电陶瓷管Ⅰ的内腔内可能会产生聚集，堆积的现象，因此在其内设置一对搅拌叶代替螺旋输送片，通过搅拌尽量减少其内细胞堆积，保持生物组织液均质，搅拌叶的弧形结构及其下表面均匀分布多个凹陷，可一定程度上阻挡和吸收筒体内部因压电陶瓷管作用产生向上的压力波；综上，输送管内部设置螺旋输送片等可对喷嘴处的生物组织液产生明显的驱动及搅拌效果，能够满足大黏度、高密度生物材料打印输出要求；
喷嘴组件中，球冠形支撑壳与球冠形封头相互配合，实现无缝对接，有助于提高筒体底部与喷嘴之间的气密性，满足生物组织液的喷射要求；环形滑槽与交叉设置的一对弧形滑槽相互连通，以为多个弧形板体提供滑动支撑，方便且快速的更换不同喷孔数量以及不同喷孔孔径的喷嘴；以满足大黏度、高密度生物材料的不同打印输出要求；环形滑槽为内嵌式滑槽，一方面为多个弧形板体和多个喷嘴提供活动空间，另一方面用于支撑和连接相互交叉设置的一对弧形滑槽；交叉设置的一对弧形滑槽为贯通球冠形支撑壳的滑槽，且两者的滑槽宽度相一致，以满足喷嘴在二者间位置的随意切换；切换过程可通过设置相应的驱动组件完成，或者，根据需要手动完成更换。
如图3所示，一个优选方案中，多型号喷头替换型生物3D打印装置还包括：
密封垫Ⅰ1052，其设置在球冠形支撑壳的球面上，且设置在多个出料孔的周围；以及
密封垫Ⅱ2021，其设置在多个弧形板体的内侧壁上，且设置在多个喷孔的周围；当多个弧形板体位于工作位时，所述密封垫Ⅰ和密封垫Ⅱ相互抵触。
在本方案中，密封垫Ⅰ和密封垫Ⅱ相互配合，可实现对出料孔与对接的喷孔之间的密封衔接，避免生物组织液的遗漏。
如图1和图4所示，一个优选方案中，压电陶瓷管Ⅰ为圆柱形筒体结构，且在所述筒体的径向上，压电陶瓷管Ⅰ的下端的开口直径与其处于同一平面的所述筒体的内直径相适应，所述压电陶瓷管Ⅰ的上端的开口直径r小于与其处于同一平面的所述筒体的内直径R；且所述压电陶瓷管Ⅰ的上端的开口与处于其上方的部分所述筒体的内侧壁弧形过渡衔接设置。压电陶瓷管Ⅰ为圆柱形筒体结构，内径均匀，与筒体的内径变化不同，因此，在压电陶瓷管Ⅰ上端与筒体的内径的接触处会出现台阶样衔接，因此，在上述衔接处设置弧形过渡，以保证生物组织液不受阻碍的平滑流入压电陶瓷管Ⅰ内。
如图2所示，一个优选方案中，所述压电陶瓷管Ⅰ的上端的开口直径r与其处于同一平面的所述筒体的内直径R的比例为r:R＝8:9-8:10。比如：r:R＝8:9或r:R＝8:10(4:5)，以实现输送管内径的相对平滑过渡及逐渐减小，进而实现对生物组织液的压力逐步增加。
一个优选方案中，所述螺旋输送片为倒角处理的弧形硅胶片体，且自所述螺旋输送片的上端向其下端，所述螺旋输送片的宽度逐渐减小。倒角处理的硅胶片体，去除棱角等，有效避免在旋转过程中对细胞的破坏。
一个优选方案中，一对加压输送搅拌叶为倒角处理的硅胶片体，且一对加压输送搅拌叶在轴向上的总体高度与其外侧设置的所述压电陶瓷管Ⅰ的高度相适应。在输送生物组织液的同时，低速搅拌以避免细胞黏连或堆积。
如图5所示，一个优选方案中，还包括：第二加压输送段106，其包括柱形密封体1061，所述柱形密封体轴向嵌入设置在所述筒体内，将所述筒体分割为第一腔体和第二腔体；且柱形密封体靠近所述筒体的下端设置；两个压电陶瓷管Ⅱ1062，其轴向贯通设置在柱形密封体上，以通过两个压电陶瓷管Ⅱ连通第一腔体和第二腔体。
在本方案中，第二加压输送段内设置柱形密封体，一般为橡胶材质，以起到密封作用，仅仅使得生物组织液自第一腔体通过压电陶瓷管Ⅱ进入第二腔体，以提高进入第二腔体的生物组织液的整体压力，保持喷嘴侧有一个密封加压腔，对喷嘴处的生物组织液驱动效果明显，能够满足大黏度、高密度生物材料打印输出要求。
如图4所示，一个优选方案中，两个压电陶瓷管的横切面直径小于所述筒体的横切面直径的1/3，且两个压电陶瓷管Ⅱ的横截面的面积与密封体的横截面的面积的比例为1:2-1:3。比如：比例为1:2或1:3。
一个优选方案中，密封体的下表面一体成型多个向上的凹陷。可一定程度上阻挡和吸收出料孔处由于直径变小产生向上的对生物组织液的反作用力，保持喷孔均匀喷出生物组织液。
如图4所示，一个优选方案中，第一腔体和第二腔体的长度比例为5:1-6:1。比如：长度比例为5:1或6:1。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种多型号喷头替换型生物3D打印装置，其特征在于，包括：
输送管，其设置在3D打印台的正上方，所述输送管还包括：筒体，所述筒体为竖直设置的中空管体，且自筒体的上端向其下端，所述筒体的横截面逐渐减小；轴，其轴向设置在所述筒体内，所述轴上设置有螺旋输送片；电机，其驱动所述轴旋转；至少两个第一加压输送段，其间隔开设置在所述筒体上，任一第一加压输送段包括一压电陶瓷管Ⅰ，其嵌入式设置在所述筒体的内侧壁上，且轴向穿过压电陶瓷管Ⅰ的部分所述轴上不设置螺旋输送片；一对加压输送搅拌叶，其设置在轴向穿过压电陶瓷管Ⅰ的部分所述轴上；且基于所述轴，任一搅拌叶呈向所述轴的斜上方突起的弧形结构，所述搅拌叶的朝向下方的表面上均匀分布多个凹陷；
球冠形封头，其扣设在所述筒体的下端上，且球面型封头的球面正对3D打印台的台面突起设置；多个出料孔，其贯通设置在所述球面型封头中部，且多个出料孔正对所述筒体的下端开口中部设置；以及
喷嘴组件，其可拆卸的设置在所述球冠形封头的球面上；所述喷嘴组件包括球冠形支撑壳，球冠形支撑壳抵触扣设在所述球冠形封头的球面上，且球冠形支撑壳的中心与所述球冠形封头的中心重叠；环形滑槽，其嵌入式成型设置在所述球冠形支撑壳的球面上，且环形滑槽的外边沿靠近所述球冠形支撑壳的边沿设置；交叉设置的一对弧形滑槽，其相互交叉的设置在所述球冠形支撑壳的球面上，且一对弧形滑槽设置在环形滑槽的内边沿所圈定的范围内，一对弧形滑槽的两端延伸入环形滑槽内，一对弧形滑槽的相互交叉位置相互连通为工作位；多个弧形板体，其可滑动的设置在所述环形轨道内，且多个弧形板体可滑动至一对弧形滑槽上；多个喷嘴，其对应设置在多个弧形板体上，且当任一喷嘴随弧形板体滑动至工作位时，任一喷嘴上的多个喷孔透过弧形板体上的通孔与多个出料孔一一对应轴向贯通，任一喷嘴上的多个喷孔喷射生物黏液的范围不重叠。
2.如权利要求1所述的多型号喷头替换型生物3D打印装置，其特征在于，还包括：
密封垫Ⅰ，其设置在球冠形支撑壳的球面上，且设置在多个出料孔的周围；以及
密封垫Ⅱ，其设置在多个弧形板体的内侧壁上，且设置在多个喷孔的周围；当多个弧形板体位于工作位时，所述密封垫Ⅰ和密封垫Ⅱ相互抵触。
3.如权利要求1所述的多型号喷头替换型生物3D打印装置，其特征在于，压电陶瓷管Ⅰ为圆柱形筒体结构，且在所述筒体的径向上，压电陶瓷管Ⅰ的下端的开口直径与其处于同一平面的所述筒体的内直径相适应，所述压电陶瓷管Ⅰ的上端的开口直径r小于与其处于同一平面的所述筒体的内直径R；且所述压电陶瓷管Ⅰ的上端的开口与处于其上方的部分所述筒体的内侧壁弧形过渡衔接设置。
4.如权利要求1所述的多型号喷头替换型生物3D打印装置，其特征在于，所述压电陶瓷管Ⅰ的上端的开口直径r与其处于同一平面的所述筒体的内直径R的比例为r:R＝8:9-8:10。
5.如权利要求1所述的多型号喷头替换型生物3D打印装置，其特征在于，所述螺旋输送片为倒角处理的弧形硅胶片体，且自所述螺旋输送片的上端向其下端，所述螺旋输送片的宽度逐渐减小。
6.如权利要求1所述的多型号喷头替换型生物3D打印装置，其特征在于，一对加压输送搅拌叶为倒角处理的硅胶片体，且一对加压输送搅拌叶在轴向上的总体高度与其外侧设置的所述压电陶瓷管Ⅰ的高度相适应。
7.如权利要求1所述的多型号喷头替换型生物3D打印装置，其特征在于，还包括：
第二加压输送段，其包括柱形密封体，所述柱形密封体轴向嵌入设置在所述筒体内，将所述筒体分割为第一腔体和第二腔体；且柱形密封体靠近所述筒体的下端设置；两个压电陶瓷管Ⅱ，其轴向贯通设置在柱形密封体上，以通过两个压电陶瓷管Ⅱ连通第一腔体和第二腔体。
8.如权利要求7所述的多型号喷头替换型生物3D打印装置，其特征在于，两个压电陶瓷管Ⅱ的横切面直径小于所述筒体的横切面直径的1/3，且两个压电陶瓷管Ⅱ的横截面的面积与密封体的横截面的面积的比例为1:2-1:3。
9.如权利要求7所述的多型号喷头替换型生物3D打印装置，其特征在于，密封体的下表面一体成型多个向上的凹陷。
10.如权利要求7所述的多型号喷头替换型生物3D打印装置，其特征在于，第一腔体和第二腔体的长度比例为5:1-6:1。
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