CN209534170U - 面向多种光敏材料的预光固化式挤出3d打印喷头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种面向多种光敏材料的预光固化式挤出3D打印喷头，包括主壳体，以及设置在主壳体内部的挤出头模块及紫外光模块，挤出模块包括变直径避光贮料室、针筒、针头、挤出系统，变直径避光贮料室包括夹头及固定环套；紫外光模块包括紫外光纤及光纤支架。本实用新型提出多光束聚焦固化光源设计，可针对不同材料需求，调控固化条件，光强及波长可调，光纤支架及环套相对位置可控，实现精确定位固化位置，能有效避免针头内部固化导致的堵头现象，保证液态细丝固化程度均匀，细丝成型尺寸可精确控制。本实用新型通过采用外置预固化方法，实现打印结构整体固化时间一致且可控，显著提高成型精度，结构稳定性及带细胞材料的均匀性。

Description

面向多种光敏材料的预光固化式挤出3D打印喷头

技术领域

本实用新型涉及一种适用于多种材料的用于三维模型制造及生物组织制造的预光固化式挤出3D打印喷头，支持多种光敏材料制造及细胞和生物材料打印，属于增材制造领域和生物3D打印领域。

背景技术

对于终末期器官及组织修复领域，人体组织器官移植是先有最为常见的治疗方法。但由于组织器官供体短缺，受体免疫排斥反应，宗教、文化、政策等多重限制，亟需研发组织器官供体替代物。组织工程是通过组合细胞等多种材料，以及适当的生物物理化学方法来改善或替代生物组织，是修复或替换部分或全部组织(即骨，软骨，血管，膀胱，皮肤，肌肉等)的重要研究手段。在组织工程领域，生物材料增材制造是可高度模拟自然组织特征的生物医学结构的制造手段。

传统光固化材料增材制造方法包括DLP打印及SLA打印，液态光敏材料被装载于贮料池，通过将紫外(UV)光点或面投射到液态光敏材料中，使之固化并形成所需三维物体的单层结构。通过抬升打印基底实现多层累积，直到3D结构打印完成。打印后3D结构必须用特殊溶剂清洗，清除表面的未固化材料。被打印三维物体尺寸受到贮料池尺寸限制，且贮料池中预装载液态光敏材料用量较大，造成液态光敏材料浪费，极大增加制造成本。不同层的材料光照时长不同，易造成结构内部应力分布不均匀、结构挠曲变形等问题，进而造成含细胞材料打印中，不同位置细胞光照时长不同，对结构中细胞存活率及分布造成影响。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决上述问题，针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种面向多种光敏材料的预光固化式挤出3D打印喷头。能实现多种材料挤出光固化增材制造，结构设计合理，组装方便，可针对不同材料需求，光强波长可调，外置预固化，固化点可精确定位及控制，有效避免针头内部固化导致的堵头现象，整体结构固化时一致，显著提高打印速度、成型精度及细胞活性，有效减少材料浪费，极大降低制造成本。

为了满足上述要求，本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

面向多种光敏材料的预光固化式挤出3D打印喷头结构包括主壳体，以及设置在主壳体内部的挤出头模块及紫外光模块，挤出模块包括变直径避光贮料室、针筒、针头、挤出系统，变直径避光贮料室包括固定环套及若干夹头；紫外光模块包括紫外光纤及光纤支架；其中，

固定环套固定于主壳体内，针头连通装载有液体光敏材料的针筒，针筒通过若干夹头装夹于固定环套内部，针筒用于装载液态光敏材料，针筒与挤出系统相连实现材料的挤出；光纤支架嵌套于固定环套外围，紫外光纤嵌入光纤支架中，紫外光纤外接紫外光发生器；工作时，紫外光通过紫外光发生器发出，经过光纤支架内部的紫外光纤，从光纤支架底部射出，并聚焦于光纤支架底部下方形成紫外焦点，液态光敏材料通过针头挤出，经过紫外焦点固化成固态细丝。

优选的，所述的挤出系统采用气动或螺杆挤出方式。

优选的，变直径避光贮料室的夹头采用不锈钢制成，变直径避光贮料室的固定环套采用铝合金制成，外表面标有固定刻度；支持多规格针筒，针筒规格范围：1ml～50ml。

优选的，所述的若干夹头在固定环套的周向上均匀分布，若干夹头共同夹持针筒；提供调节夹头进入固定环套的长度，可夹持不同规格的针筒。

优选的，所述光纤支架采用深紫外石英光纤，通过波段为200～800nm；光纤支架采用铝合金制成；16条光纤通道以环形方式均匀分布在光纤支架内部，紫外光线以相同斜角从光纤支架底部射出，聚焦于光纤支架底部下方，紫外焦点可通过调节光纤支架相对贮料室固定环套的位置及刻度进行精确定位及控制；光纤光强相同，光强及波长可通过外接紫外光发生器调控，单一光强小于材料固化要求，聚合光强大于材料固化要求。

优选的，所述的针头采用不锈钢针头，固态细丝尺寸由针头内径尺寸保证，尺寸范围：0.31mm～2.77mm。

优选的，所述面向多种光敏材料的预光固化式挤出3D打印喷头还包括打印基底，固态细丝通过外接三维运动系统调控，按照设计要求落于打印基底。

变直径避光贮料室可根据标准针筒外径进行调节，可适应规格为3cc，5cc，10cc，30cc的标准针筒，适配针筒外径尺寸范围：11-26cm

本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供的一种面向多种光敏材料的预光固化式挤出3D打印喷头，包括主壳体，夹头，固定环套，针头，紫外光纤及光纤支架。其中，本实用新型通过采用合理的结构设计方案，实现了挤出光固化集成喷头，结构轻便紧凑，组装及装夹方便，适用于多种光敏材料及多规格针筒，提高可扩展性。

本实用新型提出多光束聚焦固化光源设计，可针对不同材料需求，调控固化条件，光强及波长可调，光纤支架及环套相对位置可控，实现精确定位固化位置，相对于现有成型技术，有效避免针头内部固化导致的堵头现象，保证液态细丝固化程度均匀，细丝成型尺寸可精确控制。

本实用新型通过采用外置预固化方法，通过调控气动挤出/螺杆挤出参数，实现打印结构整体固化时间一致且可控，显著提高成型精度，结构稳定性及带细胞材料的均匀性，减少现有光固化打印中的不同层材料光照时长不一致问题，改善打印后结构不同位置固化光强不均匀问题。

本实用新型通过主壳体封装整体结构，材料密封性好，紫外光模块与外界环境隔离，保证挤出固化过程不受外界干扰，同时避免紫外光污染。

本实用新型通过采用挤出方法实现光固化材料打印，有效减少材料浪费，极大降低制造成本。

综上所述，本实用新型提出的一种面向多种光敏材料的预光固化式挤出3D打印喷头，其实现多种液态光敏材料的挤出成型技术，显著改善了现有技术的不足，为前述问题提供了有效的解决方案。

附图说明

图1为面向多种光敏材料的预光固化式挤出3D打印喷头爆炸图。

图2为面向多种光敏材料的预光固化式挤出3D打印喷头剖视图。

图中：1为针筒，2为针头，3为主壳体，4为固定环套，5为夹头，6为紫外光纤，7为光纤支架，8为紫外光束，9为液态细丝，10为固态细丝，11为打印基底，12为挤出系统，13为光敏材料。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型具体结构及工作原理，应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落在申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，本实用新型提出的面向多种光敏材料的预光固化式挤出3D打印喷头，首先，多种光敏材料指本实用新型对光敏材料没有限制，可根据材料需求，通过调控气动挤出/螺杆挤出参数及紫外光波长及光强控制材料固化，实现打印结构整体固化时间可控。并且，光纤支架及环套相对位置可控，实现精确定位固化位置，相对于现有成型技术，有效避免针头内部固化导致的堵头现象。其次，预光固化指在材料堆叠成三维结构前固化，由液态细丝经过可精确定位的多光束焦点固化成型形成固态细丝，细丝尺寸可通过不同规格的针头保证，实现打印结构整体固化时间一致，保证液态细丝固化程度均匀，显著提高成型精度，结构稳定性及带细胞材料的均匀性。同时，主壳体封装整体结构，材料密封性好，紫外光模块与外界环境隔离，保证挤出固化过程不受外界干扰，同时避免紫外光污染。最后，挤出方法实现光固化材料打印，有效减少材料浪费，极大降低制造成本。

具体来说，本实用新型分为以下几个部分：主壳体3，以及设置在主壳体3内部的挤出头模块及紫外光模块，挤出模块包括变直径避光贮料室，针筒1，针头2，气动挤出/螺杆挤出系统12，变直径避光贮料室包括夹头5及固定环套4。紫外光模块包括紫外光纤6及光纤支架7。

如图2所示，紫外光通过紫外光发生器发出，经过光纤支架7内部的紫外光纤6，从光纤支架7底部射出，并聚焦于光纤支架7底部下方，可通过调节紫外光发生器的参数获取不同光强及波长的紫外光束8。

环套4固定于主壳体3，针头2连通装载有液体光敏材料13的针筒1，通过夹头5装夹于变直径避光贮料室内部，三点变直径加紧方式支持多规格针筒，结构简单紧凑，容易装夹，针筒可360度旋转。

可支持气动挤出/螺杆挤出等多种挤出方式实现挤出打印，气动挤出/螺杆挤出系统12决定了挤出细丝的速度及固化时间。

装载有液态光敏材料13的针筒1固定在变直径避光贮料室内部，液态光敏材料13通过针头2挤出形成液态细丝9，经过多紫外光束8的焦点固化成固态细丝10，落于打印基底11。

多紫外光束聚焦固化，可针对不同材料需求，调控固化条件，光强及波长可调，光纤支架7及环套4相对位置可控，单一光强小于材料固化要求，聚合光强大于材料固化要求，液态细丝9仅能在多紫外光束8焦点位置固化，实现精确定位固化焦点位置，在设定固化位置上，液态细丝9经过紫外光焦点可形成固态细丝10。

主壳体3封装整体结构，材料密封性好，紫外光模块与外界环境隔离，保证挤出固化过程不受外界干扰，同时避免紫外光污染，封装设计支持喷头在任意3D打印运动平台的可安装性。

实施案例：

选用1M甲基丙烯酸化透明质酸光固化材料，针筒为50ml，针头25G，气动挤出，挤出压力0.55bar，波长300nm紫外光发生器，光强16μw/cm2，焦点光强256μw/cm²。可稳定并持续打印直径为0.28mm的固态细丝。

Claims (7)

1.一种面向多种光敏材料的预光固化式挤出3D打印喷头，其特征在于，包括主壳体(3)，以及设置在主壳体(3)内部的挤出头模块及紫外光模块，挤出模块包括变直径避光贮料室、针筒(1)、针头(2)、挤出系统(12)，变直径避光贮料室包括固定环套(4)及若干夹头(5)；紫外光模块包括紫外光纤(6)及光纤支架(7)；其中，

固定环套(4)固定于主壳体(3)内，针头(2)连通装载有液体光敏材料的针筒(1)，针筒(1)通过若干夹头(5)装夹于固定环套(4)内部，针筒(1)用于装载液态光敏材料(13)，针筒(1)与挤出系统(12)相连实现材料的挤出；光纤支架(7)嵌套于固定环套(4)外围，紫外光纤(6)嵌入光纤支架(7)中，紫外光纤(6)外接紫外光发生器；工作时，紫外光通过紫外光发生器发出，经过光纤支架(7)内部的紫外光纤(6)，从光纤支架(7)底部射出，并聚焦于光纤支架(7)底部下方形成紫外焦点，液态光敏材料(13)通过针头(2)挤出，经过紫外焦点固化成固态细丝(10)。

2.根据权利要求1所述的一种面向多种光敏材料的预光固化式挤出3D打印喷头，其特征在于，所述的挤出系统(12)采用气动或螺杆挤出方式。

3.根据权利要求1所述的一种面向多种光敏材料的预光固化式挤出3D打印喷头，其特征在于，变直径避光贮料室的夹头(5)采用不锈钢制成，变直径避光贮料室的固定环套(4)采用铝合金制成，外表面标有固定刻度；支持多规格针筒(1)，针筒(1)规格范围：1ml～50ml。

4.根据权利要求1或3所述的一种面向多种光敏材料的预光固化式挤出3D打印喷头，其特征在于所述的若干夹头(5)在固定环套(4)的周向上均匀分布，若干夹头(5)共同夹持针筒(1)；提供调节夹头(5)进入固定环套(4)的长度，可夹持不同规格的针筒(1)。

5.根据权利要求1所述的一种面向多种光敏材料的预光固化式挤出3D打印喷头，其特征在于，所述光纤支架(7)采用深紫外石英光纤，通过波段为200～800nm；光纤支架(7)采用铝合金制成；16条光纤通道以环形方式均匀分布在光纤支架(7)内部，紫外光线以相同斜角从光纤支架(7)底部射出，聚焦于光纤支架(7)底部下方，紫外焦点可通过调节光纤支架(7)相对贮料室固定环套(4) 的位置及刻度进行精确定位及控制；光纤光强相同，光强及波长可通过外接紫外光发生器调控，单一光强小于材料固化要求，聚合光强大于材料固化要求。

6.根据权利要求1所述的一种面向多种光敏材料的预光固化式挤出3D打印喷头，其特征在于，所述的针头(2)采用不锈钢针头(2)，固态细丝(10)尺寸由针头(2)内径尺寸保证，尺寸范围：0.31mm～2.77mm。

7.根据权利要求1所述的一种面向多种光敏材料的预光固化式挤出3D打印喷头，其特征在于，还包括打印基底(11)，固态细丝(10)通过外接三维运动系统调控，按照设计要求落于打印基底(11)。