CN112873831B - 一种多材料面曝光生物打印装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多材料面曝光生物打印装置及控制方法，装置包括基架、安装板、成型缸、具有多个单元缸的嵌套缸、第一成型平台、第二成型平台、成型平台控制组件、旋转平台、除杂装置、一次固化装置、二次固化装置和旋转驱动电机。本发明采用可旋转成型缸与嵌套缸的组合方式，使打印设备同时具有多材料快速成型功能以及单材料大尺寸零件成型的能力。

Description

一种多材料面曝光生物打印装置及控制方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及一种多材料面曝光生物打印装置及控制方法。

背景技术

增材制造，又称3D打印、快速成型，是一种融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术的成型方法。该技术通过层层叠加的加工方式，有别于传统的减材或是等材制造，能够以较少的材料损耗，自由地制造各种特定形状的产品。增材制造作为近二十年来发展最迅速的新成型方式，凭借其个性化定制的优势，在生物医疗方面的应用也逐步扩大。

然而，一个能够应用的生物支架通常由执行不同功能的区域组成，而这些功能区域分别由不同的材料形成不同的形状构成，显然传统的单一材料的增材制造技术虽然能够实现不同形状的分区制造，但是却无法实现不同材料的分区制造，因此也无法胜任类似分区功能的生物支架的快速成型。

而现行的多材料增材制造大多是将打印材料预先混合，再进行增材制造，以此实现多材料的打印。这种方法虽然实现了产品的多材料性，但是依然存在一个问题，就是还是无法实现不同材料的分区打印，即无法实现不同功能区域使用不同材料的生物增材制造。

发明内容

本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种多材料面曝光生物打印装置，该装置采用可旋转成型缸与嵌套缸的组合方式，具有多材料快速成型功能及单材料大尺寸零件成型的能力。

本发明的第二目的在于提供一种多材料面曝光生物打印控制方法。

本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种多材料面曝光生物打印装置，所述装置的打印方式包括多材料打印模式和单材料打印模式，所述装置包括：基架、安装板、成型缸、具有多个单元缸的嵌套缸、成型平台、成型平台控制组件、旋转平台、用于去除打印件上未固化的生物打印材料的除杂装置、一次固化装置、二次固化装置和旋转驱动电机；

安装板安装于基架并将基架分为上、下两层，旋转平台、成型平台控制组件和除杂装置分别安装在安装板上并位于上层，成型平台控制组件和除杂装置均相邻于旋转平台；

旋转驱动电机固定于安装板并与旋转平台传动连接，旋转平台通过旋转驱动电机驱动其做旋转运动；

成型缸安装在旋转平台上，并随旋转平台的旋转而旋转，当装置为单材料打印模式时，生物打印材料放置在成型缸内；当装置为多材料打印模式时，嵌套缸可拆卸地安装在成型缸中，并随成型缸的旋转而旋转，不同种生物打印材料分别放置在嵌套缸的各个单元缸内；

成型平台与成型平台控制组件可拆卸连接，并通过成型平台控制组件控制其上升或下降；成型平台在多材料打印模式时采用尺寸小于单元缸的第二成型平台，不同的单元缸通过嵌套缸的旋转切换到第二成型平台下方；成型平台在单材料打印模式时采用尺寸大于第二成型平台且小于成型缸的第一成型平台，成型缸始终位于第一成型平台下方；

一次固化装置设置在下层，其固化光源位于成型缸下方，以使固化光源的光照射进成型缸内；当装置为多材料打印模式时，二次固化装置安装在上层，其固化光源位于成型缸上方。

优选的，旋转平台与安装板之间通过滚珠构成推力球轴承结构；旋转驱动电机与旋转平台之间通过同步带传动。

优选的，成型缸包括成型缸缸体、透明底板以及固定底板，成型缸缸体与旋转平台机械连接，固定底板和透明底板均位于成型缸缸体下方，固定底板与成型缸缸体机械连接；

固定底板为环状结构，其顶面凸设有凸起挡圈，透明底板作为成型缸缸体的底部，其收容在固定底板的凸起挡圈中，由凸起挡圈对其径向定位。

更进一步的，固定底板的顶面和成型缸缸体的底面均设有环状凹槽，环状凹槽收容有密封圈；

当装置为多材料打印时，透明底板作为单元缸的底部，每个单元缸的底面也设有环状凹槽，环状凹槽收容有密封圈。

更进一步的，透明底板的材质为玻璃，透明底板在与生物打印材料接触的一面上还贴有离型膜；密封圈采用橡胶圈；

一次固化装置采用数字化面曝光投影仪；二次固化装置安装在除杂装置上，二次固化装置的固化光源采用紫外LED。

优选的，当多材料面曝光生物打印装置为多材料打印模式时，嵌套缸上方还设有防污染装置，防污染装置具有依次连接的顶层、中间层和底层，底层通过机械连接方式与成型缸相连接，中间层由多块挡板组成，每块挡板均可旋转地安装在底层上；顶层和底层均为环状结构，其中间具有一挖空区域，每块挡板均连接于顶层，通过控制顶层的旋转方向来控制挡板旋转进入或离开挖空区域；防污染装置还具有驱动电机，驱动电机与顶层传动连接以带动顶层旋转；

在挡板完全进入挖空区域的情况下，所有挡板共同遮盖挖空区域，防污染装置为完全关闭状态，在挡板完全不进入挖空区域的情况下，防污染装置为完全打开状态。

更进一步的，成型平台控制组件、除杂装置、一次固化装置、二次固化装置、旋转驱动电机以及防污染装置的驱动电机分别连接至上位机，并由上位机控制其工作状态。

优选的，除杂装置分成吹风装置和吸风装置，吹风装置和吸风装置分别安装在旋转台上，并位于成型缸两侧；吹风装置用于产生风并吹向打印件，以将未固化的生物打印材料吹离打印件；吸风装置用于吸除打印过程中挥发出来的生物打印材料。

优选的，成型平台控制组件包括背板、直线导轨、滑块和安装支架，其中，背板安装于基架并与安装板相垂直，直线导轨安装在背板上，第一成型平台或第二成型平台通过安装支架安装在滑块上，滑块安装在直线导轨上并由直线导轨引导其在垂直方向上的运动。

本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种多材料面曝光生物打印控制方法，所述方法应用于本发明第一目的所述的多材料面曝光生物打印装置，包括如下步骤：

S1、将待打印零件的切片文件导入到上位机；

S2、在上位机中选择装置的打印方式，并设置打印参数，打印方式包括多材料打印模式和单材料打印模式；

S3、当打印方式为单材料打印模式时，将第一成型平台安装在成型平台控制组件上；

当打印方式为多材料打印模式时，将第二成型平台安装在成型平台控制组件上，将嵌套缸安装在成型缸中，再将防污染装置安装在嵌套缸上方；

S4、当打印方式为单材料打印模式时：

利用上位机启动和下发控制指令给成型平台控制组件、除杂装置和一次固化装置，向成型缸加入生物打印材料，开始打印；第一成型平台在成型平台控制组件的驱动下，下降至与成型缸底部距离一个打印层厚的位置，此时一次固化装置的固化光源根据切片文件的路径规划来照射固化当层材料，从而形成一打印层；随后成型平台控制组件带动第一成型平台上升，打印层粘附在第一成型平台上并随之上升，待成型缸内生物打印材料自然流动至原先材料已固化形成打印层的空缺区域，对其进行耗材补充后，成型平台控制组件再带动第一成型平台下降至下一个打印层厚度的位置，至此一个打印循环结束；装置再继续打印下一层，以此层层叠加，直至达到预设的打印层数；

当打印方式为多材料打印模式时：

利用上位机启动和下发控制指令给成型平台控制组件、除杂装置、一次固化装置、二次固化装置、旋转驱动电机和防污染装置的驱动电机，向嵌套缸中的各个单元缸加入对应的生物打印材料，开始打印；旋转驱动电机驱动旋转平台旋转，将需打印材料所对应的单元缸旋转至第二成型平台下方，第二成型平台在成型平台控制组件的驱动下，向下移动至与成型缸底部距离一个打印层厚的位置，此时一次固化装置的固化光源根据切片文件的路径规划对当层材料进行一次固化，从而形成一打印层；随后成型平台控制组件带动第二成型平台上升，打印层粘附在第二成型平台上并随之上升，待成型缸内生物打印材料自然流动至原先材料已固化形成打印层的空缺区域，对其进行耗材补充后，成型平台控制组件再带动第二成型平台下降至下一个打印层厚度的位置，至此一个打印循环结束；装置再继续打印下一层，以此层层叠加，直至达到预设的打印层数；

S5、当打印方式为单材料打印模式时：

成型平台控制组件带动第一成型平台上升，打印件随之上升，除杂装置开始工作来除去打印件上未固化的材料；当除杂装置停止工作后，单材料打印件的打印完成；

当打印方式为多材料打印模式时：

成型平台控制组件带动第二成型平台上升，打印件随之上升，此时防污染装置在其自带的电机驱动下处于完全关闭状态；除杂装置开始工作来除去打印件上未固化的材料，同时，旋转平台在旋转驱动电机的驱动下，将下一需打印材料所对应的单元缸旋转至第二成型平台下方；当除杂装置停止工作后，第二成型平台带动打印件上升，二次固化装置开始工作，对生物打印件进行二次固化；在二次固化完成后，防污染装置在其自带的电机驱动下处于完全打开状态；

装置再按照上述S4～S5步骤继续打印下一种材料，最终完成多材料打印件的打印。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明采用旋转平台配合具有多个单元缸的嵌套缸的方式，能为生物打印制品提供不同的打印材料，从而实现生物打印件的分区功能材料多样性。在快速成型的过程中，通过采用旋转平台旋转的方法，能实现成型缸在打印过程中，打印材料的更替。在实际使用过程中，可根据不同的材料要求，选择将所需材料对应的单元缸调整至成型平台下方，进而将对应的材料固化至成型平台，从而实现多材料分区域成型。

(2)本发明通过增加除杂装置，二次固化装置以及防污染装置，能有效避免在多材料打印过程中，未固化的打印材料在打印过程中污染其他材料的问题。通过新增除杂装置，能够将打印件表面的未固化的材料清除，从而保证再下一次固化过程中，打印件表面没有粘附其他的材料，从而保证打印样件的纯度，保证了各成型缸之间的材料不会相互污染。通过新增二次固化装置，确保生物打印样件在下一层成型的时候没有未固化的材料粘附在生物打印件表面。此外，辅以防污染装置，能够避免除杂过程中，漂浮在空中的杂质会掉入多材料成型缸中的问题，从而能有效防止潜在的材料污染，以及防止在二次固化的时候，成型缸的材料会因为光照而提前固化。

(3)本发明采用可更换的嵌套缸设计，使得打印设备的功能更加灵活丰富。在不需要多材料打印的时候，可将配套的嵌套缸拆除，并更换成型平台，实现大平台的大尺寸生物打印，既可以实现一机两用，又可以提高成型效率。

附图说明

图1为本发明多材料面曝光生物打印装置的立体示意图。

图2为图1装置的正视图。

图3为成型缸的剖视图。

图4为嵌套缸与成型缸装配在一起后的剖视图。

图5是嵌套缸、成型缸安装在旋转平台上的剖视图。

图6是固定底板的示意图。

图7是嵌套缸的示意图。

图8为安装支架与第一成型平台装配在一起的示意图。

图9为除杂装置的示意图。

图10为防污染装置的分解图。

图11为防污染装置的示意图。

图12为本发明多材料面曝光生物打印控制方法在多材料打印模式下的打印流程图。

附图标号说明：

1为基架、2为安装板、3为成型缸、3-1为成型缸缸体、3-2为透明底板、3-3为固定底板、3-4为凸起挡圈、3-5为环状凹槽、3-6为密封圈、4为嵌套缸、4-1为单元缸、5为第一成型平台、6为第二成型平台、7为成型平台控制组件、7-1为背板、7-2为直线导轨、7-3为滑块、7-4为安装支架、7-5为光栅尺、8为旋转平台、9为吹风装置、9-1为排风道、9-2为轴流风扇、10为吸风装置、10-1为吸风道、10-2为过滤器、11为旋转台、12为一次固化装置、13为二次固化装置、14为旋转驱动电机、14-1为同步带、15为滚珠、16为防污染装置、16-1为顶层、16-2为挡板、16-3为底层、16-4为挖空区域、16-5为轨道、16-6为驱动电机。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本实施例公开了一种多材料面曝光生物打印装置，可实现多材料打印和单材料打印。如图1和图2所示，装置包括：基架1、安装板2、成型缸3、嵌套缸4、成型平台、成型平台控制组件7、旋转平台8、除杂装置、一次固化装置12、二次固化装置13和旋转驱动电机14。

其中，安装板安装于基架并将基架分为上、下两层，旋转平台、成型平台控制组件和除杂装置分别安装在安装板上并位于上层，控制组件和除杂装置均相邻于旋转平台。

旋转驱动电机14固定于安装板，旋转驱动电机与旋转平台8传动连接，使得旋转驱动电机可以驱动旋转平台旋转。

在本实施例中，旋转驱动电机是位于下层，以便安装板由足够的地方来安装其他元件，旋转驱动电机自带的齿轮穿过安装板上的开孔并位于上层，以便与旋转平台连接。当然，在其他实施例中，旋转驱动电机也可以整个设置在上层。

旋转驱动电机与旋转平台之间的传动方式例如可以是同步带传动，具体来说，旋转平台侧面具有同步轮齿，同步带14-1可以与同步轮齿相互啮合，同时还与旋转驱动电机自带的齿轮相互啮合，由此旋转驱动电机自带的齿轮可以通过同步带带动同步轮齿转动，进而带动旋转平台旋转。

在本实施例中，旋转平台与安装板之间通过滚珠15构成推力球轴承结构，可参见图5，具体来说，安装板顶面凹设一圈半圆形状的沟槽，旋转平台也对应凹设一圈半圆形状的沟槽，两个沟槽合成可容纳滚珠的一圈滚动轨道，安装板、滚珠和旋转平台相互配合，使得旋转平台藉由滚珠沿着滚动轨道滚动而实现旋转，如此可以保证旋转平台的稳定性和运动流畅性。当然，在其他实施例中，旋转平台还可以采用其他可实现在安装板旋转的结构。

成型缸安装在旋转平台上，并随旋转平台的旋转而旋转。如图3～图5所示，成型缸3包括成型缸缸体3-1、透明底板3-2以及固定底板3-3，成型缸缸体通过其外凸边缘与旋转平台机械连接，固定底板和透明底板均位于成型缸缸体下方，固定底板与成型缸缸体机械连接，机械连接方式例如为通过螺丝/螺栓/螺钉固定。如图6所示，固定底板为环状结构，其顶面凸设有凸起挡圈3-4。透明底板作为成型缸缸体的底部，其收容在固定底板的凸起挡圈中，由凸起挡圈对其径向定位。

当装置为单材料打印模式时，生物打印材料放置在成型缸内。在本实施例中，固定底板的顶面和成型缸缸体的底面还设有环状凹槽3-5，并在环状凹槽内放置有密封圈3-6，以便对成型缸进行密封，避免生物打印材料从成型缸底部泄露。

当装置为多材料打印模式时，由于需要多个缸体放置不同材料，因此是将具体多个单元缸4-1的嵌套缸4安装在成型缸中，可参见图4和图5，嵌套缸可以随成型缸的旋转而旋转。不同种生物打印材料分别放置在嵌套缸的各个单元缸内，透明底板作为这些单元缸的底部。嵌套缸与成型缸可拆卸连接，例如通过螺栓/螺钉连接，当需要切换成单材料打印模式时，直接将嵌套缸进行拆除即可。本实施例嵌套缸具有4个单元缸，如图7所示，可根据实际需要设置单元缸的数量。

每个单元缸的底面也设有环状凹槽，环状凹槽也收容有密封圈3-6，以便对嵌套缸进行密封，避免生物打印材料从单元缸底部泄露，导致不同材料之间相互污染。

在本实施例中，透明底板的材质为玻璃，透明底板在与生物打印材料接触的一面上还贴有离型膜，以便打印材料从透明底板上剥离。密封圈可采用橡胶圈。

成型平台分为第一成型平台5和第二成型平台6。在单材料打印模式时，成型平台采用第一成型平台，成型缸始终位于第一成型平台下方。第一成型平台在尺寸上大于第二成型平台且小于成型缸，可进入成型缸进行大尺寸零件的粘附打印，并且提高打印效率。在多材料打印模式时，成型平台采用第二成型平台，不同的单元缸通过嵌套缸的旋转切换到第二成型平台下方。第二成型平台的尺寸小于单元缸的尺寸，可进入单元缸进行小尺寸结构的粘附打印。

第一成型平台或第二成型平台与成型平台控制组件可拆卸连接，并通过成型平台控制组件控制其上升或下降。如图1和图2所示，成型平台控制组件7包括背板7-1、直线导轨7-2、滑块7-3和安装支架7-4。

其中，背板安装于基架并与安装板相垂直，直线导轨安装在背板上。第一成型平台或第二成型平台通过锁紧螺钉安装在安装支架上，安装支架固定在滑块上，滑块安装在直线导轨上，并由直线导轨引导其在垂直方向上的运动，由此实现第一成型平台或第二成型平台的升降。这里，滑块可以是以滚珠丝杠为传动。

如图8所示，安装支架上有两个不同的安装位置(较外的安装位置为第一成型平台的安装位置)。安装位置不同是因为两类成型平台尺寸不同，为了保证第一成型平台能对应其下方成型缸的中心位置，第二成型平台能对应其下方单元缸的中心位置。

成型平台控制组件还设有位置传感器，可安装在滑块中或位于滑块一侧，以检测滑块在直线导轨上的位置，以便精确控制滑块的升降距离，从而精确控制第一成型平台或第二成型平台的升降。本实施例采用光栅尺7-5，当然，也可以采用其他可检测滑块位置的传感器。

如图1和图2所示，一次固化装置12设置在下层，其固化光源位于成型缸下方，以使固化光源的光照射进成型缸内，对打印材料进行一次固化。

如图9所示，除杂装置分成吹风装置9和吸风装置10，吹风装置和吸风装置位于成型缸两侧。如图9中的(a)图所示，吹风装置9具有轴流风扇9-2和连接轴流风扇的排风道9-1，排风道用于将轴流风扇产生的风集中吹向打印件表面附近，以将未固化的生物打印材料吹离打印件。

如图9中的(b)图所示，吸风装置10具有吸风道10-1和位于吸风道后端并连接吸风道的过滤器10-2，吸风道用于将打印过程中挥发出来的生物打印材料吸附到过滤器，防止外界环境污染，更加环保。

在第一成型平台或第一成型平台上升到排风道和吸风道的工作区域后，除杂装置就会工作，其主要目的是通过吹风部分与吸风部分形成的送风系统，将粘附在生物打印件表面未固化的材料清除干净，防止未固化的材料与其他成型缸中的材料相互接触，造成交叉污染。

吹风装置和吸风装置分别安装在旋转台11上，旋转台通过螺栓固定在安装板上，旋转台采用手动旋转方式，当在进行嵌套缸的更替时，可手动将排风道和吸风道转向其他方向，以便更换嵌套缸。

当装置为多材料打印模式时，二次固化装置13通过机械连接的方式安装在除杂装置上，其固化光源位于成型缸上方，以便打印件经过除杂装置除杂后，第二成型平台可以将粘附的打印件抬升至二次固化装置工作区域内，使打印件受到二次固化，避免打印材料掉落进单元缸造成交叉污染。

在本实施例中，一次固化装置可采用数字化面曝光投影仪，二次固化装置的固化光源可采用紫外LED。

另外，当装置为多材料打印模式时，嵌套缸上方还设有防污染装置16，如图10和图11所示，防污染装置具有依次连接的顶层16-1、中间层和底层16-3。底层作为固定层，底层通过螺栓与成型缸的外凸边缘连接。顶层和底层均为环状结构，其中间具有一挖空区域16-4。中间层由多块挡板16-2组成，如本实施例为8块挡板。

每块挡板均可旋转地安装在底层上，同时也均与顶层相连接，并且，通过控制顶层的旋转方向可以来控制挡板旋转进入或离开挖空区域。具体来说，例如参见图10，可以在挡板上表面凹设轨道16-5，下表面设置下滑块和凸块。底层上表面凹设有轨道16-5和凹槽，挡板的凸块嵌入凹槽中，挡板的下滑块位于底层的轨道上并可在轨道上滑动，从而实现将挡板可旋转地安装在底层上。顶层具有向下凸伸的多个圆柱体，该圆柱体位于挡板的轨道上并可在轨道上滑动。当旋转顶层时，顶层可以通过圆柱体推动挡板旋转进入或离开挖空区域。

在本实施例中，防污染装置还设有驱动电机16-6，驱动电机通过传动的方式带动顶层旋转，因此驱动电机可以用来控制顶层的旋转方向及旋转过程。传动方式例如为齿轮传动等。

在除杂装置开始工作时，防污染装置中的驱动电机就会工作，带动顶层旋转，顶层的圆柱体就会在中间层挡板的轨道中滑动，然后推动挡板的下滑块沿着底层的轨道运动，最终挡板完全进入挖空区域，如图11中的(a)图所示，此时所有挡板共同遮盖挖空区域，防污染装置为完全关闭状态，可以防止打印件未固化的打印材料滴落入单元缸中而造成污染。而除杂装置未工作时，防污染装置中的驱动电机带动顶层反向旋转，这一过程可参见图11中的(b)图，最终挡板完全不进入挖空区域，此时防污染装置为完全打开状态。

在本实施例中，成型平台控制组件、除杂装置、一次固化装置、二次固化装置、旋转驱动电机以及防污染装置的驱动电机分别连接至上位机，并由上位机控制其工作状态。

本实施例还公开了一种多材料面曝光生物打印控制方法，可应用于上述多材料面曝光生物打印装置。

当打印方式为单材料打印模式时，方法包括如下步骤：

S1、将待打印零件的切片文件导入到上位机；

S2、在上位机中选择装置的打印方式为单材料打印模式，并设置打印参数，打印参数包括打印层厚、打印层数、生物打印材料的固化时间等；

S3、将第一成型平台安装在成型平台控制组件上；

S4、利用上位机启动和下发控制指令给成型平台控制组件、除杂装置和一次固化装置，向成型缸加入生物打印材料，开始打印；

第一成型平台在成型平台控制组件的驱动下，下降至与成型缸底部距离一个打印层厚的位置，此时一次固化装置的固化光源根据切片文件的路径规划，对当层材料需要固化的部分进行照射固化，形成一打印层；

待照射固化完成后，成型平台控制组件带动第一成型平台上升，打印层粘附在第一成型平台上并随之上升，待成型缸内生物打印材料自然流动至原先材料已固化形成打印层的空缺区域，对其进行耗材补充后，成型平台控制组件再带动第一成型平台下降至下一个打印层厚度的相应位置，至此一个打印循环结束；

装置再继续打印下一层，以此层层叠加，直至达到预设的打印层数；

S5、成型平台控制组件带动第一成型平台上升，打印件随之上升，直至打印件底部与除杂装置排风道的出风口等高，除杂装置开始工作，向打印件吹风来除去未固化的材料；

当除杂装置停止工作，单材料打印件的打印完成。

如图12所示，当打印方式为多材料打印模式时，方法包括如下步骤：

S1、将待打印零件的切片文件导入到上位机；

S2、在上位机中选择装置的打印方式为多材料打印模式，并设置打印参数，打印参数包括打印层厚、各打印材料对应的打印层数、生物打印材料的切换时间、一次固化时间和二次固化时间等；

S3、将第二成型平台安装在成型平台控制组件上，将嵌套缸安装在成型缸中，再将防污染装置安装在嵌套缸上方；

S4、利用上位机启动和下发控制指令给成型平台控制组件、除杂装置、一次固化装置、二次固化装置、旋转驱动电机和防污染装置的驱动电机，向嵌套缸中的各个单元缸加入对应的生物打印材料，开始打印；

旋转驱动电机驱动旋转平台旋转，将需打印材料所对应的单元缸旋转至第二成型平台下方，第二成型平台在成型平台控制组件的驱动下，向下移动至与成型缸底部距离一个打印层厚的位置，此时一次固化装置的固化光源根据切片文件的路径规划，对当层材料需要固化的部分进行一次固化，形成一打印层；

待一次固化完成后，成型平台控制组件带动第二成型平台上升，打印层粘附在第二成型平台上并随之上升；

待成型缸内生物打印材料自然流动至原先材料已固化形成打印层的空缺区域，对其进行耗材补充后，成型平台控制组件再带动第二成型平台下降至下一个打印层厚度的相应位置，至此一个打印循环结束；

装置再继续打印下一层，以此层层叠加，直至达到预设的打印层数；

S5、成型平台控制组件带动第二成型平台上升，打印件随之上升，直至打印件底部与除杂装置排风道的出风口等高，此时防污染装置在其自带的电机驱动下处于完全关闭状态；

除杂装置开始工作，向打印件吹风来除去未固化的材料，同时，旋转平台在旋转驱动电机的驱动下，将下一种需打印材料所对应的单元缸旋转至第二成型平台下方；

当除杂装置停止工作后，第二成型平台带动打印件上升至二次固化装置的工作区域内，二次固化装置开始工作，对生物打印件进行二次固化；

S6、在二次固化完成后，防污染装置在其自带的电机驱动下处于完全打开状态；

装置再按照步骤S4～S5继续打印下一种材料，最终完成多材料打印件的打印。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多材料面曝光生物打印装置，其特征在于，所述装置的打印方式包括多材料打印模式和单材料打印模式，所述装置包括：基架、安装板、成型缸、具有多个单元缸的嵌套缸、成型平台、成型平台控制组件、旋转平台、用于去除打印件上未固化的生物打印材料的除杂装置、一次固化装置、二次固化装置和旋转驱动电机；

安装板安装于基架并将基架分为上、下两层，旋转平台、成型平台控制组件和除杂装置分别安装在安装板上并位于上层，成型平台控制组件和除杂装置均相邻于旋转平台；

旋转驱动电机固定于安装板并与旋转平台传动连接，旋转平台通过旋转驱动电机驱动其做旋转运动；

成型缸安装在旋转平台上，并随旋转平台的旋转而旋转，当装置为单材料打印模式时，生物打印材料放置在成型缸内；当装置为多材料打印模式时，嵌套缸可拆卸地安装在成型缸中，并随成型缸的旋转而旋转，不同种生物打印材料分别放置在嵌套缸的各个单元缸内；

成型平台与成型平台控制组件可拆卸连接，并通过成型平台控制组件控制其上升或下降；成型平台在多材料打印模式时采用尺寸小于单元缸的第二成型平台，不同的单元缸通过嵌套缸的旋转切换到第二成型平台下方；成型平台在单材料打印模式时采用尺寸大于第二成型平台且小于成型缸的第一成型平台，成型缸始终位于第一成型平台下方；

一次固化装置设置在下层，其固化光源位于成型缸下方，以使固化光源的光照射进成型缸内；当装置为多材料打印模式时，二次固化装置安装在上层，其固化光源位于成型缸上方；

当多材料面曝光生物打印装置为多材料打印模式时，嵌套缸上方还设有防污染装置，防污染装置具有依次连接的顶层、中间层和底层，底层通过机械连接方式与成型缸相连接，中间层由多块挡板组成，每块挡板均可旋转地安装在底层上；顶层和底层均为环状结构，其中间具有一挖空区域，每块挡板均连接于顶层，通过控制顶层的旋转方向来控制挡板旋转进入或离开挖空区域；防污染装置还具有驱动电机，驱动电机与顶层传动连接以带动顶层旋转；

在挡板完全进入挖空区域的情况下，所有挡板共同遮盖挖空区域，防污染装置为完全关闭状态，在挡板完全不进入挖空区域的情况下，防污染装置为完全打开状态。

2.根据权利要求1所述的多材料面曝光生物打印装置，其特征在于，旋转平台与安装板之间通过滚珠构成推力球轴承结构；旋转驱动电机与旋转平台之间通过同步带传动。

3.根据权利要求1所述的多材料面曝光生物打印装置，其特征在于，成型缸包括成型缸缸体、透明底板以及固定底板，成型缸缸体与旋转平台机械连接，固定底板和透明底板均位于成型缸缸体下方，固定底板与成型缸缸体机械连接；

固定底板为环状结构，其顶面凸设有凸起挡圈，透明底板作为成型缸缸体的底部，其收容在固定底板的凸起挡圈中，由凸起挡圈对其径向定位。

4.根据权利要求3所述的多材料面曝光生物打印装置，其特征在于，固定底板的顶面和成型缸缸体的底面均设有环状凹槽，环状凹槽收容有密封圈；

当装置为多材料打印时，透明底板作为单元缸的底部，每个单元缸的底面也设有环状凹槽，环状凹槽收容有密封圈。

5.根据权利要求4所述的多材料面曝光生物打印装置，其特征在于，透明底板的材质为玻璃，透明底板在与生物打印材料接触的一面上还贴有离型膜；密封圈采用橡胶圈；

一次固化装置采用数字化面曝光投影仪；二次固化装置安装在除杂装置上，二次固化装置的固化光源采用紫外LED。

6.根据权利要求1所述的多材料面曝光生物打印装置，其特征在于，成型平台控制组件、除杂装置、一次固化装置、二次固化装置、旋转驱动电机以及防污染装置的驱动电机分别连接至上位机，并由上位机控制其工作状态。

7.根据权利要求1所述的多材料面曝光生物打印装置，其特征在于，除杂装置分成吹风装置和吸风装置，吹风装置和吸风装置分别安装在旋转台上，并位于成型缸两侧；吹风装置用于产生风并吹向打印件，以将未固化的生物打印材料吹离打印件；吸风装置用于吸除打印过程中挥发出来的生物打印材料。

8.根据权利要求1所述的多材料面曝光生物打印装置，其特征在于，成型平台控制组件包括背板、直线导轨、滑块和安装支架，其中，背板安装于基架并与安装板相垂直，直线导轨安装在背板上，第一成型平台或第二成型平台通过安装支架安装在滑块上，滑块安装在直线导轨上并由直线导轨引导其在垂直方向上的运动。

9.一种多材料面曝光生物打印控制方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1～8中任一项所述的多材料面曝光生物打印装置，包括如下步骤：

S1、将待打印零件的切片文件导入到上位机；

S2、在上位机中选择装置的打印方式，并设置打印参数，打印方式包括多材料打印模式和单材料打印模式；

S3、当打印方式为单材料打印模式时，将第一成型平台安装在成型平台控制组件上；

当打印方式为多材料打印模式时，将第二成型平台安装在成型平台控制组件上，将嵌套缸安装在成型缸中，再将防污染装置安装在嵌套缸上方；

S4、当打印方式为单材料打印模式时：

利用上位机启动和下发控制指令给成型平台控制组件、除杂装置和一次固化装置，向成型缸加入生物打印材料，开始打印；第一成型平台在成型平台控制组件的驱动下，下降至与成型缸底部距离一个打印层厚的位置，此时一次固化装置的固化光源根据切片文件的路径规划来照射固化当层材料，从而形成一打印层；随后成型平台控制组件带动第一成型平台上升，打印层粘附在第一成型平台上并随之上升，待成型缸内生物打印材料自然流动至原先材料已固化形成打印层的空缺区域，对其进行耗材补充后，成型平台控制组件再带动第一成型平台下降至下一个打印层厚度的位置，至此一个打印循环结束；装置再继续打印下一层，以此层层叠加，直至达到预设的打印层数；

当打印方式为多材料打印模式时：

利用上位机启动和下发控制指令给成型平台控制组件、除杂装置、一次固化装置、二次固化装置、旋转驱动电机和防污染装置的驱动电机，向嵌套缸中的各个单元缸加入对应的生物打印材料，开始打印；旋转驱动电机驱动旋转平台旋转，将需打印材料所对应的单元缸旋转至第二成型平台下方，第二成型平台在成型平台控制组件的驱动下，向下移动至与成型缸底部距离一个打印层厚的位置，此时一次固化装置的固化光源根据切片文件的路径规划对当层材料进行一次固化，从而形成一打印层；随后成型平台控制组件带动第二成型平台上升，打印层粘附在第二成型平台上并随之上升，待成型缸内生物打印材料自然流动至原先材料已固化形成打印层的空缺区域，对其进行耗材补充后，成型平台控制组件再带动第二成型平台下降至下一个打印层厚度的位置，至此一个打印循环结束；装置再继续打印下一层，以此层层叠加，直至达到预设的打印层数；

S5、当打印方式为单材料打印模式时：

成型平台控制组件带动第一成型平台上升，打印件随之上升，除杂装置开始工作来除去打印件上未固化的材料；当除杂装置停止工作后，单材料打印件的打印完成；

当打印方式为多材料打印模式时：

成型平台控制组件带动第二成型平台上升，打印件随之上升，此时防污染装置在其自带的电机驱动下处于完全关闭状态；除杂装置开始工作来除去打印件上未固化的材料，同时，旋转平台在旋转驱动电机的驱动下，将下一需打印材料所对应的单元缸旋转至第二成型平台下方；当除杂装置停止工作后，第二成型平台带动打印件上升，二次固化装置开始工作，对生物打印件进行二次固化；在二次固化完成后，防污染装置在其自带的电机驱动下处于完全打开状态；

装置再按照上述S4～S5步骤继续打印下一种材料，最终完成多材料打印件的打印。

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