CN114986871B - 一种光热多功能协同辅助精细直写打印的设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光热多功能协同辅助精细直写打印的设备，包括传动机构、打印头和打印平台，采用超聚光点光源、低功率散光源和对材料的加热三者的共同辅助打印功能，极大扩宽了打印材料的多样性，同时超聚光点光源对材料的快速固化也克服了一定程度上直写打印材料自身挤出后需要一定自支撑能力的缺点。凡是具有一定流动性和粘度的打印材料，均可通过材料性质调整压力、光强大小，打印速度等打印参数来进行打印，在挤出压力、超聚光点光源光强、低功率散光源紫外光源光强、打印速度等参数可调范围内均可实现常规的材料打印要求。
Description
技术领域
本发明属于打印设备领域，特别涉及一种光热多功能协同辅助精细直写打印的设备。
背景技术
基于流体浆料的直写打印技术概念经过十余年的发展相续研究了胶体、褪性有机以及聚电介质等浆料体系，基于其适应打印材料和尺寸大小的多样性，在生物、电子、医学等多领域都已经取得了重大的研究成果。在医学方面，现有的生物材料通常不满足结构支持、骨诱导性和可控生物降解性的临床要求。为了治疗骨缺损，3D多孔支架的开发在骨科领域备受关注。
直写打印方式主要运用于生物材料、网状结构以及导电元件打印等方向。相比较激光烧结，光固化成形等方式需要高光、强热，对于生物材料保持其材料本身属性存在难控和损害。其他打印方式同一台打印机大多只能匹配与之打印参数相适应的打印材料，或者相似材料，适用范围较单一。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种光热多功能协同辅助精细直写打印的设备，包括Z向丝杠传动机构、打印头、打印平台、Y向齿轮传动机构、X向齿轮传动机构和机架；Z向丝杠传动机构与机架相互连接，X向齿轮传动机构滑动连接于Z向丝杠传动机构上，打印头滑动连接于X向齿轮传动机构上，Y向齿轮传动机构与机架相互连接，打印平台滑动连接于Y向齿轮传动机构上。
优选的，传动机构采用传统的齿轮传动机构与丝杠传动机构来实现，对于需要承受一定支撑自身重量的Z轴采用丝杠，而X轴和Y轴方向则可采用齿轮传动。
优选的，打印平台内部设有加热板，温度最高可达50℃，控温精度为0.01℃。
优选的，打印头的打印速度在0.1-300mm/min之间可调，针对不同打印材料性质的差异和打印挤出线条尺寸的大小，所需要合适挤出压力和运行速度并不相同，根据行业内现阶段打印材料所需的打印速度，设置了足够的打印速度可调节范围，速度的较大可调范围间接实现打印材料的多选择性。所述打印头还可以对针管针头进行加热，温度控制范围是室温到90℃，温控精度为0.01℃。
优选的，打印头上连接有输气管，所述输气管的一端与气压控制装置相互连接，所述输气管的另一端与针管针头相互连接，所述针管针头与针管及紫外光灯支架相互连接，所述连接处设有针管固定旋钮，所述针管针头旁设有超聚光点光源紫外光灯，所述超聚光点光源紫外光灯开启状态下聚焦于针管针头正下方，所述打印头上一体连接有打印头微调装置，所述针管及紫外光灯支架与打印头微调装置相互连接。
优选的，输气管的气压在0-1Mpa之间可调。
优选的，针管针头可供选择的尺寸范围在3CC与55CC之间包括3CC和55C，打印针头材质可以使用塑料材质、玻璃材质、不锈钢制的针头。
优选的，针管及紫外光灯支架的底部内嵌有低功率散光源紫外光灯珠，所述低功率散光源紫外光灯珠相差45°旋转布置，共8个灯珠，光源波长为405nm的紫外光，光源光强在0-600mV之间可调。
优选的，超聚光点光源紫外光灯光源波长为405nm的紫外光，光源光强在0-7000mV之间可调。
优选的，打印头微调装置与打印头一体式连接，在Z轴方向0-15mm之间可以微调，精度为0.01mm。
优选的，Z向丝杠传动机构是两个平行设置丝杠传动机构，并平行设置于机架左右两侧，第一电机安装码固接于机架一侧，第一电机固接于第一电机安装码，第一丝杠一端转动连接于第一电机，第一丝杠另一端转动连接于第一滑杆安装码，第一滑杆一端于第一滑杆安装码连接，第一滑杆的另一端于第一电机安装码连接，第二电机安装码固接于机架另一侧，第二电机固接于第二电机安装码，第二丝杠一端转动连接于第二电机，第二丝杠另一端转动连接于第二滑杆安装码，第二滑杆一端于第二滑杆安装码连接，第二滑杆的另一端于第二电机安装码连接。
优选的，Y向齿轮传动机构包括第三电机，第三电机安装码，第一齿轮，第一皮带，第三滑杆，第一齿轮安装码，第二齿轮；第三电机安装码固接于机架一端，第三电机固接于第三电机安装码，第一齿轮转动连接于第三电机，第一皮带与第一齿轮啮合，第一齿轮安装码固接于机架另一端，第二齿轮转动连接于第一齿轮安装码内，第一皮带也与第二齿轮啮合，第三滑杆是两根平行设置的滑杆，第三滑杆的一端与机架的一端连接，第三滑杆的另一端与机架的另一端连接。
优选的，X向齿轮传动机构包括第四电机，第四电机安装码，第三齿轮，第二皮带，第四滑杆，第二齿轮安装码，第四齿轮；第四电机安装码滑动连接于第一丝杠，第四电机固接于第四电机安装码，第三齿轮转动于第四电机，第二皮带与第三齿轮啮合，第二齿轮安装码滑动连接于第二丝杠，第四齿轮转动连接于第二齿轮安装码内，第二皮带与第四齿轮也啮合，第四滑杆是两根平行设置的滑杆，第四滑杆的一端与第四电机安装码连接，第四滑杆的另一端与第二齿轮安装码连接。
优选的，打印材料可以选用各类有机/无机墨水，适合明胶，琼脂，羟基磷灰石，二氧化钛前驱体浆料，氧化锆陶瓷膏料等。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
1、采用超聚光点光源、低功率散光源和对材料的加热三者的共同辅助打印功能，极大扩宽了打印材料的多样性，同时超聚光点光源对材料的快速固化也克服了一定程度上直写打印材料自身挤出后需要一定自支撑能力的缺点。凡是具有一定流动性和粘度的打印材料，均可通过材料性质调整压力、光强大小，打印速度等打印参数来进行打印，现有挤出压力、超聚光点光源光强、低功率散光源紫外光源光强、打印速度等参数可调范围均可实现常规的材料打印要求。
2、设备各部分均采用标准件，便于设备维修，将Y轴移动设置为打印平台而不是打印头的目的在于在打印前后将打印平台通过程序控制移出，以便打印件的取出和打印平台清理。
3、不同打印层之间实现材料以及间距、层厚大小、路劲规划、速度的切换打印，可实现在每一层中从一侧到另一侧或者从里到外等的渐变打印间距的变化，更符合实际人体骨骼结构研究。G代码导入设备即可实现多材料多梯度打印，其中的多梯度实现不仅上下层件，同一层也能达到。同时对于系统自动导出的路径规划，也可根据单独层或者整体观察根据需要进行优化修改，自行控制打印路径。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例的整体结构示意图；
图2是本发明一个较佳实施例的正等轴测图；
图3是本发明一个较佳实施例的仰视结构示意图；
图4是图1中打印头的放大示意图；
图中：1、Z向丝杠传动机构；101、第一滑杆安装码；102、第一丝杠；103、第一滑杆；104、第一电机安装码；105、第一电机；106、第二滑杆安装码；107第二丝杠；108、第二滑杆；109、第二电机安装码；110、第二电机；2、打印头、3、打印平台；4、Y向齿轮传动机构；401、第三电机安装码；402、第三电机；403、第一齿轮；404、第三滑杆；405、第一皮带；406、第二齿轮；407、第一齿轮安装码；5、X向齿轮传动机构；501、第四电机；502第四电机安装码；503、第三齿轮；504、第二皮带；505、第四滑杆；506、第二齿轮安装码；507、第四齿轮；6、输气管；7、打印微调装置；8、超聚光点光源紫外灯；9、低功率散光源紫外光灯珠；10、针管针头；11、针管固定旋钮；12、针管及紫外光灯支架；13、机架。
具体实施方式
下面结合附图1-2对本发明的实施例作详细说明，下述的实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例：
一种光热多功能协同辅助精细直写打印的设备，包括Z向丝杠传动机构1、打印头2、打印平台3、Y向齿轮传动机构4、X向齿轮传动机构5和机架13；Z向丝杠传动机构1与机架13相互连接，X向齿轮传动机构5滑动连接于Z向丝杠传动机构1上，打印头2滑动连接于X向齿轮传动机构5上，Y向齿轮传动机构4与机架13相互连接，打印平台3滑动连接于Y向齿轮传动机构4上。
进一步的，传动机构采用传统的齿轮传动机构与丝杠传动机构来实现，对于需要承受一定支撑自身重量的Z轴和X轴采用丝杠，而Y轴方向则可采用齿轮传动。
进一步的，打印平台3内部设有加热板，温度最高可达50℃，控温精度为0.01℃。
进一步的，打印头2的打印速度在0.1-300mm/min之间可调，针对不同打印材料性质的差异和打印挤出线条尺寸的大小，所需要合适挤出压力和运行速度并不相同，根据行业内现阶段打印材料所需的打印速度，设置了足够的打印速度可调节范围，速度的较大可调范围间接实现打印材料的多选择性。所述打印头2可以对针管针头10进行加热，温度控制范围是室温到90℃，温控精度为0.01℃。
进一步的，打印头2上连接有输气管6，所述输气管6的一端与气压控制装置相互连接，所述输气管6的另一端与针管针头10相互连接，所述针管针头10与针管及紫外光灯支架12相互连接，所述连接处设有针管固定旋钮11，所述针管针头10旁设有超聚光点光源紫外光灯8，所述超聚光点光源紫外光灯8开启状态下聚焦于针管针头10正下方，所述打印头2上一体连接有打印头微调装置7，所述针管及紫外光灯支架12与打印头微调装置7相互连接。
进一步的，输气管6的气压在0-1Mpa之间可调。
进一步的，针管针头10可供选择的尺寸范围在3CC与55CC之间包括3CC和55C，打印针头材质可以使用塑料材质、玻璃材质、不锈钢制的针头。
进一步的，针管及紫外光灯支架12的底部内嵌有低功率散光源紫外光灯珠9，所述低功率散光源紫外光灯珠9相差45°旋转布置，共8个灯珠，光源波长为405nm的紫外光，光源光强在0-600mV之间可调。
进一步的，超聚光点光源紫外光灯8光源波长为405nm的紫外光，光源光强在0-7000mV之间可调。
进一步的，打印头微调装置7与打印头2一体式连接，在Z轴方向0-15mm之间可以微调，精度为0.01mm。
进一步的，Z向丝杠传动机构1是两个平行设置丝杠传动机构，平行设置于机架13左右两侧，第一电机安装码104固接于机架13一侧，第一电机105固接于第一电机安装码104，第一丝杠102一端转动连接于第一电机105，第一丝杠102另一端转动连接于第一滑杆安装码101，第一滑杆103一端于第一滑杆安装码101连接，第一滑杆103的另一端于第一电机安装码104连接，第二电机安装码109固接于机架另一侧，第二电机110固接于第二电机安装码109，第二丝杠107一端转动连接于第二电机110，第二丝杠107另一端转动连接于第二滑杆安装码106，第二滑杆一端于第二滑杆安装码106连接，第二滑杆108的另一端于第二电机安装码109连接。
进一步的，Y向齿轮传动机构包括第三电机402，第三电机安装码401，第一齿轮403，第一皮带405，第三滑杆404，第一齿轮安装码407，第二齿轮406；第三电机安装码401固接于机架13一端，第三电机402固接于第三电机安装码401，第一齿轮403转动连接于第三电机402，第一皮带405与第一齿轮403啮合，第一齿轮安装码407固接于机架13另一端，第二齿轮406转动连接于第一齿轮安装码407内，第一皮带405也与第二齿轮406啮合，第三滑杆404是两根平行设置的滑杆，第三滑杆404的一端与机架13的一端连接，第三滑杆404的另一端与机架13的另一端连接。
进一步的，X向齿轮传动机构包括第四电机501，第四电机安装码502，第三齿轮503，第二皮带504，第四滑杆505，第二齿轮安装码506，第四齿轮507；第四电机安装码502滑动连接于第一丝杠102，第四电机501固接于第四电机安装码502，第三齿轮503转动于第四电机501，第二皮带504与第三齿轮503啮合，第二齿轮安装码506滑动连接于第二丝杠107，第四齿轮507转动连接于第二齿轮安装码506内，第二皮带504与第四齿轮507也啮合，第四滑杆505是两根平行设置的滑杆，第四滑杆505的一端与第四电机安装码502连接，第四滑杆505的另一端与第二齿轮安装码506连接。
进一步的，打印材料可以选用各类有机/无机墨水，适合明胶，琼脂，羟基磷灰石，二氧化钛前驱体浆料，氧化锆陶瓷膏料等。
工作原理：
通过打印材料性质选择是否需要超聚光点光源紫外光、低功率散光源紫外光和材料加热三者中的一种或多种功能辅助打印，且能实现双打印头2切换的直写打印成型，打印过程中靠压气装置将材料挤出，打印头在XYZ三轴方向根据打印件设计打印轨迹由三个方向上互不干扰的丝杠与齿轮传动机构带动进行打印，两个打印头2配备独立的固化光源、压气装置和加热装置，互不干扰，进而打印具有较高精度的部件。
具体打印过程及使用方法如下：
将需要打印的三维模型文件导入控制软件，连接电脑与打印设备。
进一步的，在软件上设置不同层的打印层厚、打印速度、加热温度以及每一层使用打印头等参数，点击生成相应的G代码，根据需要与否对G代码轨迹进行手动调节。
进一步的，在确保输气管6与设备安全连接的条件下，才可打开提供气压的辅助装置，此时依然不可打开设备和软件中气压控制开关，避免未安装针头时直接将打印材料挤出造成飞溅。
进一步的，将针头针管10与输气管6组合固定在打印头上。
进一步的，操控打印头2上下移动，使用打印微调装置7寻找合适的针头与打印平台3之间的距离。
进一步的，调节合适的气压大小，此时打开压气装置，调节气压大小，观察挤出丝的状态，初步选择打印挤出气压大小。
进一步的，最后根据需要打开和调节紫外辅助打印光强度，点击开始打印即可。
进一步的，观察第一层的打印情况，若打印效果不好，压扁或者发生路径断裂或者材料堆积情况，优先微调打印高度。如果依旧存在缺陷，暂停打印重新调整打印速度。
进一步的，当打印完成第一层，此时还需观察第二层打印情况，如果第一层出现材料塌陷则适当调大两种不同固化光源的功率。
进一步的，打印完成，移动打印平台3将打印件取出，先关闭提供气压的辅助装置，将打印头2恢复到合适位置便可电脑与设备断开连接，关闭打印设备电源。
最后，便是打印件的干燥、脱脂和烧结等一系列后处理。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (4)
1.一种光热多功能协同辅助精细直写打印的设备，其特征在于：包括Z向丝杠传动机构(1)、打印头(2)、打印平台(3)、Y向齿轮传动机构(4)、X向齿轮传动机构(5)和机架(13)；Z向丝杠传动机构(1)与机架(13)相互连接，X向齿轮传动机构(5)滑动连接于Z向丝杠传动机构(1)上，打印头(2)滑动连接于X向齿轮传动机构(5)上，Y向齿轮传动机构(4)与机架(13)相互连接，打印平台(3)滑动连接于Y向齿轮传动机构(4)上；
所述打印头(2)上连接有输气管(6)，所述输气管(6)的一端与气压控制装置相互连接；所述打印头(2)可以对针管针头(10)进行加热；
所述输气管(6)的另一端与针管针头(10)相互连接，所述针管针头(10)与针管及紫外光灯支架(12)相互连接；所述针管针头(10)可供选择的尺寸范围在3CC与55CC之间包括3CC和55C；
针管针头与所述紫外光灯支架的连接处设有针管固定旋钮(11)，所述针管针头(10)旁设有超聚光点光源紫外光灯(8)；所述超聚光点光源紫外光灯(8)开启状态下聚焦于针管针头(10)正下方；
所述打印头(2)上一体连接有打印头微调装置(7)，所述针管及紫外光灯支架(12)与打印头微调装置(7)相互连接；所述打印头微调装置(7)与打印头(2)一体式连接，在Z轴方向上可以微调；
所述针管及紫外光灯支架(12)的底部内嵌有低功率散光源紫外光灯珠(9)，所述低功率散光源紫外光灯珠(9)相差45°旋转布置，共8个灯珠；
所述打印平台(3)内部设有加热板。
2.根据权利要求1所述的一种光热多功能协同辅助精细直写打印的设备，其特征在于：所述Z向丝杠传动机构(1)是两个平行设置丝杠传动机构，平行设置于机架(13)左右两侧，第一电机安装码(104)固接于机架(13)一侧，第一电机(105)固接于第一电机安装码(104)，第一丝杠(102)一端转动连接于第一电机(105)，第一丝杠(102)另一端转动连接于第一滑杆安装码(101)，第一滑杆(103)一端于第一滑杆安装码(101)连接，第一滑杆(103)的另一端于第一电机安装码(104)连接，第二电机安装码(109)固接于机架另一侧，第二电机(110)固接于第二电机安装码(109)，第二丝杠(107)一端转动连接于第二电机(110)，第二丝杠(107)另一端转动连接于第二滑杆安装码(106)，第二滑杆一端于第二滑杆安装码(106)连接，第二滑杆(108)的另一端于第二电机安装码(109)连接。
3.根据权利要求1所述的一种光热多功能协同辅助精细直写打印的设备，其特征在于：所述Y向齿轮传动机构包括第三电机(402)，第三电机安装码(401)，第一齿轮(403)，第一皮带(405)，第三滑杆(404)，第一齿轮安装码(407)，第二齿轮(406)；第三电机安装码(401)固接于机架(13)一端，第三电机(402)固接于第三电机安装码(401)，第一齿轮(403)转动连接于第三电机(402)，第一皮带(405)与第一齿轮(403)啮合，第一齿轮安装码(407)固接于机架(13)另一端，第二齿轮(406)转动连接于第一齿轮安装码(407)内，第一皮带(405)也与第二齿轮(406)啮合，第三滑杆(404)是两根平行设置的滑杆，第三滑杆(404)的一端与机架(13)的一端连接，第三滑杆(404)的另一端与机架(13)的另一端连接。
4.根据权利要求1所述的一种光热多功能协同辅助精细直写打印的设备，其特征在于：所述X向齿轮传动机构包括第四电机(501)，第四电机安装码(502)，第三齿轮(503)，第二皮带(504)，第四滑杆(505)，第二齿轮安装码(506)，第四齿轮(507)；第四电机安装码(502)滑动连接于第一丝杠(102)，第四电机(501)固接于第四电机安装码(502)，第三齿轮(503)转动于第四电机(501)，第二皮带(504)与第三齿轮(503)啮合，第二齿轮安装码(506)滑动连接于第二丝杠(107)，第四齿轮(507)转动连接于第二齿轮安装码(506)内，第二皮带(504)与第四齿轮(507)也啮合，第四滑杆(505)是两根平行设置的滑杆，第四滑杆(505)的一端与第四电机安装码(502)连接，第四滑杆(505)的另一端与第二齿轮安装码(506)连接。
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