CN113650297A - 一种适用于管状结构打印的同轴式喷头结构及3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于管状结构打印的同轴式喷头结构及3D打印机，包括喷头外壳、同轴内柱、下料盘、储料筒、打印头、挤压活塞、伺服电机及传动结构；同轴内柱、下料盘为一体结构；同轴内柱安装在下料盘底部，其轴线与下料盘的轴线位于同一条直线上；下料盘卡装在喷头外壳内部，顶部通过储料筒压紧；储料筒与喷头外壳之间通过螺纹配合；打印头用于装载储料筒；挤压活塞与储料筒的内壁配合，位于储料筒上部；伺服电机通过传动结构与挤压活塞相连，带动挤压活塞在储料筒内部上下运动。

Description

一种适用于管状结构打印的同轴式喷头结构及3D打印机

技术领域

本发明属于3D打印机喷头结构设计技术领域，具体涉及一种适用于管状结构打印的生物3D打印机的同轴式喷头结构及包括该同轴式喷头结构的3D打印机。

背景技术

生物3D打印技术和生物3D打印机是3D打印技术在医疗和生物领域应用的成果，通过运用生物材料或细胞单元，按照增材制造原理制造出医疗器械、组织工程支架和组织器官等制品，具有打印材料特殊，制品尺寸较小、结构较为复杂和精度要求较高等特点。

同轴式生物3D打印是在生物3D打印技术基础之上，针对医疗领域上对于血管或类血管样式结构的需求衍生出来的技术，这种管状结构在医疗领域应用广泛，对于搭桥手术、人造器官等临床医疗方面具有重大意义。目前较为常见的同轴式生物3D打印技术主要有：通过去除熔芯材料完成的同轴式生物3D打印和通过同轴流交联反应完成的同轴式生物3D打印。

同轴式生物3D打印材料通常由生物墨水(如海藻酸钠)和交联剂在打印和挤出材料过程中混合，发生交联反应形成制品。而通过运用新型生物墨水材料，使生物墨水和交联剂在打印前预先混合后冷却保存，打印时通过打印头内置加热装置维持胶状，从喷嘴挤出与低温平台接触后迅速成形，成功实现了单一材料挤出式生物3D打印，降低和简化了同轴式打印的难度和流程，为同轴式生物3D打印的进一步发展提供方向。

目前同轴式生物3D打印技术存在以下缺陷：

1、运用去除熔芯材料完成的同轴式生物3D打印技术存在操作复杂；超低温打印对实验设备、环境要求高；需二次成型，打印制品所需时间长；去除熔芯材料后可能导致成品管壁厚度不均，精度难以保证等方面的缺陷。

2、通过同轴流交联反应完成的同轴式生物3D打印技术虽然操作有所简化，但是内层针头对中过程中可能存在一定的位置误差，导致打印出的同轴制品同轴度不好，管壁厚度不均。同时使用生物墨水材料和交联剂同轴流出的方法存在生物墨水与交联剂混合不均匀，交联剂渗透不完全；打印出的同轴结构内外径变更不便，加工适应性不好；由于交联反应和交联剂渗透需要一定时间，打印出的制品成形后可能存在形状误差等方面的缺陷。

3、运用新型生物墨水材料的打印方法目前没有很好的喷头结构设计能够实现同轴式生物3D打印。

发明内容

本发明的目的是弥补当前新型生物墨水材料在管状结构打印方向上，同轴式喷头结构设计的空白，克服现有的同轴3D打印技术存在的缺陷，包括内层针头对中时存在的同轴度误差，打印操作复杂，打印尺寸调整不便，制品壁厚不均等问题，提出一种生物墨水材料的适用于管状结构打印的生物3D打印机同轴式喷头结构及3D打印机。

本发明是通过下述技术方案实现上述目的：

本发明提出的适用于管状结构打印的同轴式喷头结构，包括喷头外壳、同轴内柱、下料盘、储料筒、打印头、挤压活塞、伺服电机及传动结构；

所述同轴内柱、下料盘为一体结构；同轴内柱安装在下料盘底部，其轴线与下料盘的轴线位于同一条直线上；所述下料盘卡装在喷头外壳内部，顶部通过储料筒压紧；所述储料筒与喷头外壳之间通过螺纹配合；所述打印头用于装载储料筒；所述挤压活塞与储料筒的内壁配合，位于储料筒上部；所述伺服电机通过传动结构与挤压活塞相连，带动活塞在储料筒内部上下运动。所述的储料筒与喷头外壳通过螺纹连接，连接后储料筒底部与喷头外壳夹紧下料盘，固定位置，限制其上下窜动。

作为优选的方案，所述的下料盘上设有若干个均匀排列的扇形孔供材料流出，下料盘的外圈贴合喷头外壳内壁。

作为优选的方案，所述的喷头外壳顶部为空心圆柱形，底部为空心倒锥形，圆柱形与倒锥形在内侧连接处有一凸台，用于固定下料盘位置，喷嘴位于锥尖，倒锥形结构略短于同轴内柱，保证材料流出时为同轴结构，喷头外壳上部内侧设有内螺纹结构用于与储料筒相连接。

作为优选的方案，所述储料筒最大储料量小于储料筒最大容积，确保挤压材料时能在储料筒内形成密闭空腔，空腔容积略大于喷头外壳部分容积，使材料能够完全挤出。

作为优选的方案，所述的打印头中间为用于装载储料筒的插槽，侧面设有料筒紧固螺丝结构，用于紧固储料筒防止晃动；内部设有材料加热装置，在工作时加热生物材料维持胶状；打印头顶部设有滑轨结构，通过与装有活塞和传动结构的箱体底部的滑槽配合实现打印头的安装和拆卸。

作为优选的方案，挤压活塞尺寸与储料筒内壁相配合，通过压缩筒内容腔实现材料挤出，活塞设有与传动结构相配合的丝杆螺纹或其他结构。

作为优选的方案，所述的传动结构为蜗轮丝杆升降机，传动结构与伺服电机输出端相连，将电机旋转运动变为活塞上下运动，所述的传动结构和挤压活塞装在一个底部带有滑槽的箱体中，箱体与生物3D打印机坐标轴移动机构固连。

本发明与现有的同轴式生物3D打印方式相比具有以下优势：

1、通过喷头外壳与同轴内柱分离式设计和尺寸模块化，根据需要方便更换外壳和内柱，实现了不同内外径管状结构的打印，满足不同功能和使用场合的需要。

2、通过同轴内柱与下料盘的一体化设计和，且喷头外壳设置凸台，储料筒进行压紧的方式进行位置紧固，避免了打印时对中引起的同轴度误差，满足制品精度要求。

3、通过简化喷头零部件结构和减少零部件总数，降低了零件加工和尺寸标准系列化的难度。

4、通过使用活塞挤出材料和储料筒内预留一部分容积的设计，确保了储料筒内材料完全挤出，避免了材料的浪费和残留材料对清洗和喷头寿命造成的不利影响。

附图说明

图1为本发明的同轴式喷头的结构设计示意图。

图2为本发明的同轴式喷头的结构设计剖视图。

图3、图4为本发明的同轴式喷头结构设计中同轴内柱的示意图。

图5为本发明的同轴式喷头安装完成后的剖视图。

图6为本发明的同轴式喷头及挤料部分的结构示意图。

图7为图6的A-A剖视图；

图8为图6的B-B剖视图；

图9为本发明优选的包含生物3D打印机传动、挤料和喷头部分的整体结构示意图。

附图标记:

1-喷头外壳；2-同轴内柱；3-下料盘；4-储料筒；5-打印头；

6-挤压活塞；7-蜗轮丝杆升降机；8-伺服电机；9-外箱体；

10-X轴移动机构；11-Y轴移动机构；12-Z轴移动机构；13-低温工作平台14-底座。

具体实施方式

为更好地解释、理解本发明的技术方案，下面将结合上述附图和具体实施例进一步详细地说明本发明，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围：

如图1、图2、图3、图4、图5所示，本实施例提出的适用于管状结构打印的生物3D打印机的同轴式喷头结构，包括喷头外壳1、同轴内柱2、下料盘3、储料筒4、打印头5、挤压活塞6、伺服电机8及传动结构7。

同轴内柱2、下料盘3设置在喷头外壳1内部，下料盘3设置在喷头外壳1中间部分，同轴内柱2位于下料盘3下部；储料筒4与喷头外壳1上部相连，安装在打印头5内部；打印头5用于装载储料筒4；所述挤压活塞6与储料筒4配合，位于储料筒4上部；所述伺服电机8输出端与传动结构7相连，所述传动结构7与挤压活塞6相连，带动活塞上下运动。

在本发明的一个具体实施例中，同轴内柱2与下料盘3为一体化结构，即一体成型或者后期焊接在一起，优选的，一体成型；同轴内柱2固连在下料盘3底部的中心，其轴线与下料盘的轴线位于同一条直线上；下料盘3设有四个均匀排列的扇形孔供材料流出，外围尺寸贴合喷头外壳1内壁。进一步的，本实施例中的同轴内柱2与下料盘3形成的一体式结构设计有多个，同轴内柱2的半径不同，与相同的喷头外壳1配合，实现不同管径结构的打印。

在本发明的一个具体实施例中，喷头外壳1上部为空心圆柱形，下部为空心倒锥形，圆柱形与倒锥形在内侧连接处有一凸台，用于固定下料盘3位置，喷嘴位于锥尖，安装完成后同轴内柱2略长于倒锥形结构，有少许部分伸出喷嘴外，保证材料流出时为同轴结构，同时在喷头外壳1上部内侧设有内螺纹结构。进一步的，本实施例中的喷头外壳1也可以设置多个，多个喷头外壳1的最小直径不同，其可以与同轴内柱12配合，实现不同管径结构的打印。

在本发明的一个具体实施例中，储料筒4的下部设有外螺纹结构，所述的外螺纹与喷头外壳1的内螺纹结构通过螺纹连接，连接后储料筒4底部与喷头外壳1压紧下料盘3，固定下料盘3的位置，限制其上下窜动。

进一步的，本实施例中的储料筒4最大储料量小于储料筒4最大容积,确保挤压材料时能在储料筒4内形成密闭空腔，空腔容积略大于喷头外壳1部分容积，使材料能够完全挤出，避免浪费。

进一步的，所述的打印头5中间为用于装载储料筒4和喷头的插槽，侧面设有料筒紧固螺丝结构，用于紧固储料筒4防止晃动；内部设有材料加热装置，在工作时加热生物材料维持胶状；打印头5顶部设有滑轨结构，通过与装有挤压活塞6和传动结构7的箱体9底部的滑槽配合实现打印头5的安装和拆卸。所述的挤压活塞6尺寸与储料筒4内壁相配合，通过压缩筒内容腔实现材料挤出，活塞最远行程可达到储料筒4底部，由于装料时预留有空腔此时材料已完全挤出储料筒4及喷头，挤压活塞6设有与传动结构7相配合的丝杆螺纹。所述的传动结构7为蜗轮丝杆升降机7，传动结构7与伺服电机8输出端相连，将电机旋转运动变为活塞上下运动，所述的传动结构7和挤压活塞6装在一个底部带有滑槽的箱体9中，箱体9与生物3D打印机的X轴移动机构10固连。所述的XY轴移动机构11控制喷头部分在平面内的位置，所述的Z轴移动机构12控制低温工作台的位置，三轴联动实现喷头在空间的位置变换。

如图9所示，本实施例还公开了一种生物3D打印机，其包括X轴移动机构10、Y轴移动机构11、Z轴移动机构12、低温工作平台13、底座14以及前面所述的同轴式喷头结构；Z轴移动机构12安装在底座14上，其驱动低温工作平台13在Z向移动；X轴移动机构10、Y轴移动机构11驱动前面的同轴式喷头结构在X向、Y向移动；底座14用于支撑整个装置。

本发明还给出如上所述的生物3D打印机同轴式喷头安装及通过更换外壳和内柱，调整内外径的方法，包括以下步骤：

1.根据内外径需求选择合适的喷头外壳1和同轴内柱2，将一体化的下料盘3和同轴内柱2放入喷头外壳1内，下料盘3底部卡在外壳底部倒锥形顶端。

2.通过螺纹结构连接喷头外壳1和储料筒4，拧紧后储料筒4底部和喷头外壳1会夹紧下料盘3。

3.向储料筒4中加入适量的新型生物墨水材料后，装载在打印头5插槽，利用料筒紧固螺丝结构固定储料筒4位置，通过滑槽滑轨将打印头5与箱体9连接，储料筒4与挤压活塞6相对。

4.通过更换喷头外壳即可调整打印的管状结构的外径大小，通过更换同轴内柱即可调整打印的管状结构的内径大小。

当需要打印不同内外径的管状结构时通过上述的安装及更换方法更换喷头外壳1和同轴内柱2即可。

本发明还给出装载上述同轴式喷头的生物3D打印机(如图9所示)的具体工作过程如下：

打印工作开始和进行时，喷头通过生物3D打印机XYZ轴的传动机构实现移动和定位，储料筒4中的生物墨水材料通过打印头5内的加热装置加热并维持胶状。到达指定工作位置后，伺服电机8经由蜗轮丝杆升降机7驱动挤压活塞6向下运动，挤压活塞6与储料筒4内壁接触后形成密闭容腔，通过控制伺服电机8转速实现对挤料速度快慢的控制。随着挤压活塞6继续向下运动，压缩气体产生的高压使储料筒4内生物材料向下挤出。材料首先经过下料盘3的扇形孔流入喷头外壳1，由于同轴内柱2的阻挡在外壳内呈同轴圆环状向下继续流动，然后材料进入外壳底部倒锥形部分，于喷嘴处形成所需内外径的同轴结构，最后经由打印头5加热的材料离开喷嘴与低温工作平台13接触固化成形，形成管状结构制品。通过使用新型生物墨水材料，简化了同轴式生物3D打印的操作步骤，提高了制品的形状精度和壁厚均匀性，为管状结构3D打印提供便利。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种适用于管状结构打印的同轴式喷头结构，其特征在于，包括喷头外壳、同轴内柱、下料盘、储料筒、打印头、挤压活塞、伺服电机及传动结构；

所述同轴内柱、下料盘为一体结构；同轴内柱安装在下料盘底部，其轴线与下料盘的轴线位于同一条直线上；所述下料盘卡装在喷头外壳内部，顶部通过储料筒压紧；所述储料筒与喷头外壳之间通过螺纹配合；所述打印头用于装载储料筒；所述挤压活塞与储料筒的内壁配合，位于储料筒上部；所述伺服电机通过传动结构与挤压活塞相连，带动挤压活塞在储料筒内部上下运动。

2.如权利要求1所述的一种适用于管状结构打印的同轴式喷头结构，其特征在于，所述的下料盘上设有若干个均匀排列的扇形孔供材料流出，下料盘的外圈贴合喷头外壳内壁。

3.如权利要求1所述的一种适用于管状结构打印的同轴式喷头结构，其特征在于，所述的喷头外壳上部为空心圆柱形，下部为空心倒锥形，圆柱形与倒锥形在内侧连接处有一凸台，用于固定下料盘位置，倒锥形结构略短于同轴内柱。

4.如权利要求1所述的一种适用于管状结构打印的同轴式喷头结构，其特征在于，所述储料筒最大储料量小于储料筒最大容积，确保挤压材料时能在储料筒内形成密闭空腔，空腔容积略大于喷头外壳部分容积。

5.如权利要求1所述的一种适用于管状结构打印的同轴式喷头结构，其特征在于，所述的打印头中间为用于装载储料筒的插槽，侧面设有料筒紧固螺丝结构；内部设有材料加热装置。

6.如权利要求1所述的一种适用于管状结构打印的同轴式喷头结构，其特征在于，所述打印头顶部设有滑轨结构，通过与装有活塞和传动结构的箱体底部的滑槽配合实现打印头的安装和拆卸。

7.如权利要求1所述的一种适用于管状结构打印的同轴式喷头结构，其特征在于，所述的挤压活塞尺寸与储料筒内壁相配合，通过压缩筒内容腔实现材料挤出，活塞设有与传动结构相配合的丝杆螺纹或其他结构。

8.如权利要求1所述的一种适用于管状结构打印的同轴式喷头结构，其特征在于，所述的传动结构为蜗轮丝杆升降机，蜗轮丝杆升降机的输入端与伺服电机相连，输出端与挤压活塞相连。

9.如权利要求1所述的一种适用于管状结构打印的同轴式喷头结构，其特征在于，所述的传动结构装在一个底部带有滑槽的箱体中。

10.一种3D打印机，其特征在于，包括权利要求1-9任一所述的管状结构打印的同轴式喷头结构。

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