CN208827152U - 一种生物3d打印机打印腔体环境控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种生物3D打印机打印腔体环境控制系统，包括控制模块、分别与所述控制模块电连接的空气处理模块和空气分配模块，所述空气分配模块设置在所述生物3D打印机打印腔体的顶部，所述空气处理模块的进风端与生物3D打印机打印腔体的内部及生物3D打印机的外部连通，空气处理模块的出风端与所述空气分配模块连接，所述空气处理模块用于对由进风端通入的空气进行处理以获得受控空气，并经由空气分配模块将受控空气通入打印腔体，可以持续地对腔体环境进行稳定的调节，满足在打印过程中进行操作的需求。

Description

一种生物3D打印机打印腔体环境控制系统

技术领域

本实用新型涉及3D打印技术领域，更具体地，涉及一种生物3D打印机打印腔体环境控制系统及控制方法。

背景技术

3D打印机是实现生物3D打印技术的关键设备，其环境控制也必须非常精确，以得到无菌、稳定的环境。3D打印机的受控环境需要满足生物3D打印的成型要求和精度要求，保证成型的顺利进行以及细胞的存活和生长。

目前对生物打印机打印环境的控制主要有两种方式。第一种是将生物打印机放入生物安全柜或超净台中，以获得无菌的操作环境。这种方法的优点是生物打印机无需自带环境控制，由生物安全柜或超净台即可得到近无菌环境，且可以方便地在打印过程中进行操作而不会破坏近无菌环境；但缺点是打印环境中的温湿度、风量、风速不能单独调节，会影响打印过程。第二种是生物3D打印机自带环境控制模块，比如温度控制、湿度控制、紫外灯杀菌等，这种方式的优点是可以仅在一个设备上即可得到受控的腔体环境，可以根据不同的打印要求单独调节各个参数，得到合适的打印环境；但缺点是该方式几乎不能在打印过程中进行操作，否则会破坏受控环境，且受控环境的稳定性较差。同时，上述环境控制方式均未对腔体环境中的气流走向和风速进行调节。

实用新型内容

为克服上述现有技术中的至少一种缺陷，本实用新型的目的在于提供一种生物3D打印机打印腔体环境控制系统。该环境控制系统通过向生物打印机打印腔体通入受控空气来达到稳定控制腔体环境的作用，可以持续地对腔体环境进行稳定的调节以满足在打印过程中进行操作的需求。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种生物3D打印机打印腔体环境控制系统，包括控制模块、分别与所述控制模块电连接的空气处理模块和空气分配模块，所述空气分配模块设置在所述生物3D打印机打印腔体的顶部，所述空气处理模块的进风端与生物3D打印机打印腔体的内部及生物3D打印机的外部连通，空气处理模块的出风端与所述空气分配模块连接。所述空气处理模块包括依次连接的通风模块、高效过滤模块、冷凝除湿模块和加热加湿模块，所述加热加湿模块与所述空气分配模块连接，所述通风模块与生物3D打印机打印腔体的内部及生物3D打印机的外部连通，所述通风模块、高效过滤模块、冷凝除湿模块和加热加湿模块均与所述控制模块电连接，所述空气处理模块通过上述通风模块、高效过滤模块、冷凝除湿模块和加热加湿模块对由进风端通入的空气进行处理，从而获得受控空气，并经由空气分配模块通入生物3D打印机打印腔体中，可以持续地对腔体环境进行稳定的调节，满足在打印过程中进行操作的需求。

进一步的，所述通风模块包括第一风机和第二风机，所述第一风机的进风口与所述生物3D打印机的外部连通，所述第二风机的进风口与打印腔体内部连通，所述第一风机和第二风机的出风口均与所述高效过滤模块的进风口连接，所述第一风机和第二风机的进风口上设有过滤网，所述第一风机和第二风机与所述控制模块电连接。所述第一风机和第二风机均为大功率静音风机，第一风机负责将外部环境中空气送入高效过滤模块，第二风机负责将打印腔体内部环境中的部分空气再抽入高效过滤模块，以维持打印腔体内的空气质量。第一风机和第二风机的进风口上的过滤网能够防止颗粒物进入高效过滤模块。

进一步的，所述高效过滤模块包括至少一个高效过滤器，高效过滤器滤芯级别较高，滤芯空隙较小，可以有效过滤细菌等微生物和细小灰尘，除去空气中0.5μm以上的颗粒物和杂质，使通出空气达到百级水平，获得相对无菌的空气。

进一步的，所述冷凝除湿模块包括至少一组冷凝器，所述冷凝器用于去除空气中的水蒸气，所述冷凝除湿模块的出风口设置有湿度检测装置，所述冷凝器和湿度检测装置与所述控制模块电连接。空气经高效过滤模块过滤后进入冷凝除湿模块中，空气中的水蒸气凝固至冷凝器换热元件表面从而被去除，使空气迅速降温至0~4℃左右，湿度下降至5%以下，所述湿度检测装置用于检测通出空气的湿度。

进一步的，所述加热加湿模块包括至少一个加热器和至少一个加湿器，所述加热器和加湿器与所述控制模块电连接，加热器使通过其的空气升温至预设温度，加湿器使通过其的空气的湿度达到预设湿度，其中，加湿器通过将一定量的冷凝水蒸发至空气中，使空气达到预设湿度，本实用新型对加湿器的类型及工作方式不做限制，只要能实现使通过其的空气达到预设湿度即可。另外，如果加热加湿模块中的冷凝水全部蒸发无法使空气达到预设湿度，可以从外界中接入水源，以保证通过加热加湿模块的空气达到预设湿度。

进一步的，所述空气分配模块包括出风分配板，所述出风分配板上设有若干出风孔，所述出风孔内设有开关，所述开关与所述控制模块电连接。所述空气分配模块用于将恒温恒湿的空气通入打印腔体内，以利于空气的快速排出，维持打印腔体内部空气的质量。通过控制开关的开合状态可以控制进入打印腔体的空气流量、空气流向以及空气流速；例如，控制新通入的空气流向打印头区域，形成保护气氛，保护打印过程的稳定，同时带走生物墨水挥发的气体，促进生物墨水的固化。

优选的，所述出风分配板包括使空气分别对应打印腔体入口区域和打印区域按照不同流速和流向进入打印腔体的第一分配区和第二分配区。第一分配区可以控制进入打印腔体入口区域的空气流速较快，从而在入口区域形成风幕，在抽掉屏蔽罩时，可以阻挡有害物质和细菌进入到打印腔体内部，当人手伸入打印腔体内部进行操作时，也不会破坏打印腔体内的相对无菌环境。当然，本实用新型还可以按照打印腔体内部其他不同区域的需求，控制不同区域的空气分配。

进一步的，还包括环境监测模块，所述环境监测模块包括至少一个设在打印腔体内部的探头组，每个探头组至少包括温度传感器和湿度传感器。探头组可设置于打印腔体内部底面的四个角，每个探头组至少包括温度传感器和湿度传感器，所述温度传感器和湿度传感器均与所述控制模块电连接，还可以包括压力传感器等其他传感器，此处不再一一列举。所述环境监测模块用于探测打印腔体内的环境参数并将所述环境参数反馈给控制模块，使得控制模块可以根据该环境参数和预设数据（预设温度和预设湿度等）调整通风模块、高效过滤模块、冷凝除湿模块和空气分配模块对新通入的空气进行处理，以稳定打印腔体内的打印环境。

一种生物3D打印机打印腔体环境的控制方法，其中，包括如下步骤：

S1. 接收关于打印腔体的预设数据，根据所述预设数据控制冷凝除湿模块的冷凝器预冷至一定温度，控制加热加湿模块中的加热器和加湿器预热至一定温度，所述预设数据至少包括预设温度和预设湿度；

S2.控制通风模块将足量的空气送入生物3D打印机中，并根据所述预设数据确定高效过滤模块、冷凝除湿模块、加热加湿模块和空气分配模块的控制参数，按照所述控制参数控制各模块对送入的空气进行处理，然后通入打印腔体；

S3. 接收打印腔体中环境监测模块所监测的环境参数，根据所述环境参数及所述预设数据调整高效过滤模块、冷凝除湿模块、加热加湿模块以及空气分配模块的控制参数，按照当前控制参数控制各模块对新送入的空气进行处理，然后通入打印腔体，所述环境参数至少包括温度和湿度；

S4.在接收到生物3D打印机停止工作的信号之前，继续接收打印腔体中环境监测模块所监测的环境参数。

进一步的，所述S1中，冷凝器的预冷温度为0~4℃，加湿器预热温度至少为100℃，加热器的预热温度为45~60℃。S1中的预设数据还可以包括预设压力等。

进一步的，所述S2按照所述控制参数控制各模块对送入的空气进行处理中，具体包括：

S21.通过高效过滤模块的高效过滤器除去空气中大于0.5μm的颗粒和杂质，获得洁净度达到百级水平的空气后送入冷凝除湿模块；

S22.通过冷凝除湿模块的冷凝器收集空气中的水蒸气，使空气温度下降至0~4℃，空气湿度下降至5%以下，将水蒸气凝聚成的冷凝水及除去水蒸气的空气送入加热加湿模块；

S23.通过加热加湿模块的加湿器将一定量的冷凝水将其蒸发至空气中，通过加热加湿模块的加热器加热空气，使空气的温度和湿度达到打印腔体中预设温度和预设湿度，通入空气分配模块；

S24.通过空气分配模块控制出风分配板上出风孔内所设开关的开合状态，控制进入打印腔体中的空气流量。

S3中按照当前控制参数控制各模块对新送入的空气进行处理的具体过程与S2一致，此处不再赘述。

进一步的，所述S24中，还包括：

控制出风分配板上风孔内所设开关的开合状态，使空气分别对应打印腔体的入口区域和打印区域按照不同流速和流向进入打印腔体，其中，入口区域的空气流向垂直于打印腔体底部，且入口区域的空气流速大于打印区域的空气流速。控制模块通过控制进入打印腔体入口区域的空气流速较快，从而在入口区域形成风幕，在抽掉屏蔽罩蔽时，可以阻挡有害物质和细菌进入到打印腔体内部，当人手伸入打印腔体内部进行操作时，也不会破坏腔体内的相对无菌环境。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1.本实用新型的生物3D打印机打印腔体环境控制系统，通过空气处理模块对通入的空气进行处理以获得受控空气，并经由空气分配模块将受控空气通入打印腔体，可以持续地对腔体环境进行稳定的调节，满足在打印过程中进行操作的需求；

2.空气处理模块通过通风模块、高效过滤模块、冷凝除湿模块、加热加湿模块依次对空气进行处理，实现对生物3D打印机打印腔体内的温度、湿度、无菌环境、风速、风量及风向进行控制；

3.空气分配模块可以调节进入打印腔体的空气流量，使打印腔体内部产生不同的压力，适配于不同材料的3D打印，还可以调节进入打印腔体的空气流速和空气流向，满足打印腔体内部不同区域的需求。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的整体结构示意图。

图2是本实用新型实施例1中主壳体的结构示意图。

图3是本实用新型实施例1中空气分配模块的结构示意图。

图4是本实用新型实施例2的原理框图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

实施例1

如图1到图3所示，一种生物3D打印机打印腔体环境控制系统，其中，包括主壳体1，所述主壳体1内部分为上下相互间隔的打印腔体11和环境控制腔体12，所述环境控制腔体12内设有控制模块3，以及依次连接的通风模块4、高效过滤模块5、冷凝除湿模块6和加热加湿模块7，所述加热加湿模块7与所述空气分配模块2连接，所述空气分配模块2设在打印腔体11的顶部，所述通风模块4与所述打印腔体11内部及主壳体1外部连通，所述通风模块4、高效过滤模块5、冷凝除湿模块6、加热加湿模块7、空气分配模块2均与所述控制模块3电连接。控制模块3控制通风模块4的风量、控制高效过滤模块5对通入的空气进行过滤，控制冷凝除湿模块6对通入的空气进行除湿降温，控制加热加湿模块7对通入的空气进行加热加湿，以及控制空气分配模块2对进入打印腔体11的空气进行分配。

如图1所示，所述通风模块4包括第一风机41和第二风机42，所述第一风机41的进风口与所述主壳体1外部连通，所述第二风机42的进风口与所述打印腔体11内部连通，所述第一风机41和第二风机42的出风口均与所述高效过滤模块5的进风口连接，所述第一风机41和第二风机42的进风口上设有过滤网，所述第一风机41和第二风机42与所述控制模块3连接。第一风机41和第二风机42均为大功率静音风机，第一风机41负责将外部环境中空气送入高效过滤模块5，第二风机42负责将打印腔体11内部环境中的部分空气再抽入高效过滤模块5，由此维持打印腔体11和环境控制腔体12内空气的质量。第一风机41和第二风机42的进风口上的过滤网能够防止颗粒物进入高效过滤模块5。

本实施例中，所述高效过滤模块5包括至少一个高效过滤器，高效过滤器滤芯级别较高，滤芯空隙较小，可以有效过滤细菌等微生物和细小灰尘，高效过滤器使得通过其的空气中的0.5μm以上的颗粒物和杂质被去除，使通出空气达到百级水平。

本实施例中，所述冷凝除湿模块6包括至少一组冷凝器，经高效过滤模块5过滤后的空气进入冷凝除湿模块6中，冷凝器使通过其的空气迅速降温至0~4℃左右，使空气中的水蒸气凝固至冷凝器换热元件表面从而被去除，空气湿度下降至5%以下，所述冷凝除湿模块6的出风口设置有湿度检测装置，监测通出空气的湿度，所述冷凝器和湿度检测装置与所述控制模块3电连接。

本实施例中，所述加热加湿模块7包括至少一个加热器和至少一个加湿器，所述加热器和加湿器与所述控制模块3电连接，加热器使通过其的空气升温至预设温度，加湿器使通过其的空气的湿度达到预设湿度，其中，加湿器可以是直接将一定量的冷凝水蒸发至空气中，使空气达到预设湿度，本实用新型对加湿器的类型及工作方式不做限制，只要能实现使通过其的空气达到预设湿度即可。

如图3所示，所述空气分配模块2包括出风分配板21，所述风分配板21上设有若干出风孔22，所述出风孔22内设有开关，所述开关与所述控制模块3电连接，所述空气分配模块2用于将恒温恒湿的空气通入打印腔体11内，以利于空气的快速排出，维持打印腔体11内部空气的质量。所述开关按照控制模块3的指令进行开合从而控制进入打印腔体11内的空气流量、空气流速及空气流向。例如，控制新通入的空气流向打印头区域，形成保护气氛，保护打印过程的稳定，同时带走生物墨水挥发的气体，促进生物墨水的固化。

优选的，所述出风分配板21包括使空气分别对应打印腔体11入口区域和打印区域按照不同流速和流向进入打印腔体11的第一分配区和第二分配区。第一分配区可以控制进入打印腔体11入口区域的空气流速较快，从而在入口区域形成风幕，在抽掉屏蔽罩时，可以阻挡有害物质和细菌进入到打印腔体内部，当人手伸入打印腔体11内部进行操作时，也不会破坏打印腔体11内的相对无菌环境。当然，本实用新型还可以按照打印腔体11内部其他不同区域的需求，控制不同区域的空气分配。

还包括环境监测模块，本实施例中，所述环境监测模块包括四个设在所述打印腔体11内部四个角的探头组，每个探头组至少包括温度传感器和湿度传感器，所述温度传感器、湿度传感器和风速传感器均与所述控制模块3连接，当然，还可以包括压力传感器、风速传感器等，此处不再一一列举。环境监测模块用于探测打印腔体11内的环境参数（如打印腔体11中的温度、湿度等），然后将所述环境参数反馈给控制模块3，控制模块3接收到该环境参数后，根据所述环境参数及所述预设数据调整高效过滤模块5、冷凝除湿模块6、加热加湿模块7以及空气分配模块2的控制参数，按照当前控制参数控制各模块对新送入的空气进行处理，然后再通入打印腔体11，重复这个过程，使打印腔体11的内部环境保持一个稳定的水平，满足在打印过程中进行操作的需求。

实施例2

如图4所示，一种生物3D打印机打印腔体环境控制方法，其中，包括如下步骤：

S1. 接收关于打印腔体11的预设数据，预设数据分别为预设压力1.2atm、预设温度37℃和预设湿度25%，根据所述预设数据控制冷凝除湿模块6的冷凝器预冷至4℃，控制加热加湿模块7中的加热器预热至100℃，加湿器预热至45℃；

S2.控制通风模块4将足量的空气送入环境控制腔体12中，并根据所述预设数据确定高效过滤模块5、冷凝除湿模块6、加热加湿模块7和空气分配模块2的控制参数，按照所述控制参数控制各模块对送入的空气进行处理，然后通入打印腔体11；

S3. 接收打印腔体11中环境监测模块所监测的环境参数，根据所述环境参数及所述预设数据调整高效过滤模块5、冷凝除湿模块6、加热加湿模块7以及空气分配模块2的控制参数，按照当前控制参数控制各模块对新送入的空气进行处理，然后通入打印腔体11，所述环境参数包括打印腔体11中的压力、温度和湿度；

S4.在接收到打印机停止工作的信号之前，继续接收打印腔体11中环境监测模块所监测的环境参数。

步骤S2中，具体包括：

S21.通过高效过滤模块5的高效过滤器除去空气中大于0.5μm的颗粒和杂质，获得洁净度达到百级水平的空气后送入冷凝除湿模块6；

S22.通过冷凝除湿模块6的冷凝器收集空气中的水蒸气，使空气温度下降至0~4℃，空气湿度下降至5%以下，将水蒸气凝聚成的冷凝水及除去水蒸气的空气送入加热加湿模块7；

S23.通过加热加湿模块7的加湿器将一定量的冷凝水蒸发至空气中，使空气湿度达到25%，通过加热加湿模块7的加热器加热空气，使空气的温度达到37℃，通入空气分配模块2；

S24.通过空气分配模块2控制出风分配板21上出风孔22内所设开关的开合状态，控制进入打印腔体11中的空气流量，使打印腔体11中的压力达到1.2atm。

优选的，步骤S23中，如果加热加湿模块7中的冷凝水全部蒸发无法使空气湿度达到25%，可以从外界中接入水源，以保证通过加热加湿模块7的空气达到预设湿度。

优选的，所述步骤S24中，还包括：

控制出风分配板21上风孔22内所设开关的开合状态，使空气分别对应打印腔体11的入口区域和打印区域按照不同流速和流向进入打印腔体11，其中，入口区域的空气流向垂直于打印腔体11底部，且入口区域的空气流速大于打印区域的空气流速。控制模块3通过控制进入打印腔体11入口区域的空气流速较快，从而在入口区域形成风幕，在抽掉屏蔽罩蔽时，可以阻挡有害物质和细菌进入到打印腔体11内部，当人手伸入打印腔体11内部进行操作时，也不会破坏腔体内的相对无菌环境。

步骤S3中，环境监测模块探测打印腔体11内的压力、温度和湿度，然后将这些环境参数反馈给控制模块3，控制模块3接收到后，根据所述环境参数及所述预设数据调整高效过滤模块5、冷凝除湿模块6、加热加湿模块7以及空气分配模块2的控制参数，对新送入的空气按照当前控制参数进行处理，然后再通入打印腔体11，在接收到打印机停止工作的信号之前，继续接收打印腔体11中环境监测模块所监测的环境参数，然后重复S3的过程，调整高效过滤模块5、冷凝除湿模块6、加热加湿模块7以及空气分配模块2的控制参数，按照当前控制参数控制各模块对新送入的空气进行处理，然后通入打印腔体11，如此可保证打印腔体11维持在压力1.2atm，温度 37℃，湿度为25%的稳定状态，即使在生物3D打印机工作过程中，操作人员在打印腔体11内进行操作而破坏了打印腔体11的环境，新送入打印腔体11的空气也可以使打印腔体11内的环境迅速恢复。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生物3D打印机打印腔体环境控制系统，其特征在于，包括控制模块（3）、分别与所述控制模块（3）电连接的空气处理模块和空气分配模块（2），所述空气分配模块（2）设置在所述生物3D打印机打印腔体的顶部，所述空气处理模块的进风端与生物3D打印机打印腔体的内部及生物3D打印机的外部连通，空气处理模块的出风端与所述空气分配模块（2）连接，所述空气处理模块用于对由进风端通入的空气进行处理以获得受控空气。

2.根据权利要求1所述的生物3D打印机打印腔体环境控制系统，其特征在于，所述空气处理模块包括依次连接的通风模块（4）、高效过滤模块（5）、冷凝除湿模块（6）和加热加湿模块（7），所述加热加湿模块（7）与所述空气分配模块（2）连接，所述通风模块（4）与生物3D打印机打印腔体的内部及生物3D打印机的外部连通，所述通风模块（4）、高效过滤模块（5）、冷凝除湿模块（6）和加热加湿模块（7）均与所述控制模块（3）电连接。

3.根据权利要求2所述的生物3D打印机打印腔体环境控制系统，其特征在于，所述通风模块（4）包括第一风机（41）和第二风机（42），所述第一风机（41）的进风口与所述生物3D打印机的外部连通，所述第二风机（42）的进风口与打印腔体内部连通，所述第一风机（41）和第二风机（42）的出风口均与所述高效过滤模块（5）的进风口连接，所述第一风机（41）和第二风机（42）与所述控制模块（3）电连接。

4.根据权利要求3所述的生物3D打印机打印腔体环境控制系统，其特征在于，所述第一风机（41）和第二风机（42）的进风口上设有过滤网。

5.根据权利要求2所述的生物3D打印机打印腔体环境控制系统，其特征在于，所述高效过滤模块（5）包括至少一个高效过滤器，所述高效过滤器用于除去空气中0.5μm以上的颗粒物和杂质。

6.根据权利要求2所述的生物3D打印机打印腔体环境控制系统，其特征在于，所述冷凝除湿模块（6）包括至少一组冷凝器，所述冷凝除湿模块（6）的出风口设置有湿度检测装置，所述冷凝器和湿度检测装置与所述控制模块（3）电连接。

7.根据权利要求2所述的生物3D打印机打印腔体环境控制系统，其特征在于，所述加热加湿模块（7）包括至少一个加热器和至少一个加湿器，所述加热器和加湿器均与所述控制模块（3）电连接。

8.根据权利要求1所述的生物3D打印机打印腔体环境控制系统，其特征在于，所述空气分配模块（2）包括出风分配板（21），所述出风分配板（21）上设有若干出风孔（22），所述出风孔（22）内设有开关，所述开关与所述控制模块（3）电连接。

9.根据权利要求8所述的生物3D打印机打印腔体环境控制系统，其特征在于，所述出风分配板（21）包括使空气分别对应打印腔体入口区域和打印区域按照不同流速和流向进入打印腔体的第一分配区和第二分配区。

10.根据权利要求1所述的生物3D打印机打印腔体环境控制系统，其特征在于，还包括环境监测模块，所述环境监测模块包括至少一个设在打印腔体内部的探头组，每个探头组至少包括温度传感器和湿度传感器。