CN211968418U - 一种打印喷头的光固化装置和3d生物打印喷头 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种打印喷头的光固化装置和3D生物打印喷头。所述打印喷头的光固化装置包括内环侧壁、外环侧壁、光源背板和光源，所述内环侧壁围合形成通孔，所述外环侧壁套设在所述内环侧壁的外侧；所述光源背板呈环状，具有通孔，所述光源背板固定在由所述内环侧壁和所述外环侧壁的限定的空间的顶部；所述光源设置在由由所述内环侧壁、外环侧壁和光源背板限定的空间中。本实用新型实施例提出的打印喷头的光固化装置和3D生物打印喷头能够将打印喷头与光源整合，以在进行光敏材料打印的过程中同步进行光照，使得光敏材料在挤出的短时间内交联，形成凝胶态，能够保证结构的力学性能和尺寸精度，实现高精度的光敏材料打印效果。

Description

一种打印喷头的光固化装置和3D生物打印喷头

技术领域

本实用新型属于3D生物打印技术领域，具体涉及一种打印喷头的光固化装置和3D生物打印喷头。

背景技术

3D生物打印机能够在数字三维模型驱动下，按照增材制造原理定位装配生物材料或细胞单元，制造医疗器械、组织工程支架和组织器官等制品。3D生物打印机可以包括多个打印喷头，在打印喷头内部放置有注射器，注射器中容置有生物墨水，注射器通过针头将生物墨水挤出在打印平台上，使得打印喷头可以打印出人体细胞和/或生物材料，3D生物打印机通过控制打印喷头的运动进行打印。

其中，用于打印的生物材料主要为水凝胶类材料，为人体细胞提供力学支撑。在将生物材料打印形成3D结构的过程中，伴随着生物材料的凝胶或交联来进行固化，对于不同的生物材料，固化的方式有所不同。光敏材料是一种常用的3D打印生物材料，光敏材料在挤出时呈现类似液态的溶胶态，随后经过光照，由溶胶态变为凝胶态，力学性能随之提高，形成三维结构。

通常，3D生物打印机打印光敏材料需要协同控制，首先，打印喷头将生物墨水在打印平台上挤出一层或多层后，中断打印，从所打印的结构体上方移开；随后，外部光源移动到所打印的结构体上方进行光照，使得材料发生交联固化，并在光照后从所打印的结构体上方移开；接着，打印喷头返回到之前的打印中断点，继续进行打印。如此反复，直至三维结构打印完成。

上述3D生物打印机对于光敏材料的打印存在如下缺陷。首先，无法实时进行材料的交联，导致打印平台上的结构体在光照之前呈现溶胶态，结构极易松散，无法实现设计的模型尺寸；其次，打印过程需要反复中断，导致打印喷头无法精确复位，降低了结构体的打印精度；再有，注射器针头往往是上半部分透明，上半部分里的材料会因为外部光源的照射而在针头内部发生固化，从而堵塞材料的挤出通路，造成打印失败。

实用新型内容

为了解决上述打印光敏材料的过程中打印与光照不同步的技术问题，本实用新型提出了一种打印喷头的光固化装置和3D生物打印喷头。

根据本实用新型的第一方面，提供一种打印喷头的光固化装置，所述光固化装置包括内环侧壁、外环侧壁、光源背板和光源，

所述内环侧壁围合形成通孔，所述外环侧壁套设在所述内环侧壁的外侧；

所述光源背板呈环状，具有通孔，所述光源背板固定在由所述内环侧壁和所述外环侧壁的限定的空间的顶部；

所述光源设置在由所述内环侧壁、外环侧壁和光源背板限定的空间中。

在某些实施例中，所述内环侧壁的顶端与光源背板的通孔的形状及尺寸相匹配，所述外环侧壁的顶端与光源背板的外缘的形状及尺寸相匹配，所述光源背板连接在所述内环侧壁的顶端与外环侧壁的顶端之间。

在某些实施例中，所述光固化装置还包括均光片，所述均光片呈环状，具有通孔，固定在由内环侧壁和外环侧壁的限定的空间的底部。

在某些实施例中，所述内环侧壁的顶端与光源背板的通孔的形状及尺寸相匹配，所述内环侧壁的底端与所述均光片的通孔的形状及尺寸相匹配，所述内环侧壁连接在光源背板的通孔与均光片的通孔之间；所述外环侧壁的顶端与光源背板的外缘的形状及尺寸相匹配，所述外环侧壁的底端与所述均光片的外缘的形状及尺寸相匹配，所述外环侧壁连接在光源背板的外缘与均光片的外缘之间。

在某些实施例中，所述内环侧壁和外环侧壁的横截面呈圆形，且所述内环侧壁与外环侧壁的中心轴线重合。

在某些实施例中，所述光源为多个，沿周向均匀的设置在光源背板上；和/或，所述内环侧壁为挡光环。

在某些实施例中，所述光源为LED光源，和/或,

所述光固化装置还包括光源散热器，所述光源散热器为环状翼片散热器，与所述光源背板邻接的设置在光源背板的上侧，所述光源散热器的中心孔与所述内环侧壁围合的通孔相连通且具有相同的中心轴线。

在某些实施例中，所述光固化装置还包括用于对光固化装置进行固定的台座，所述台座设置在外环侧壁的侧边部。

根据本实用新型的第二方面，提供一种3D生物打印喷头，所述3D生物打印喷头包括材料推挤装置和如上所述的光固化装置，所述光固化装置固定到材料推挤装置下侧，材料推挤装置的针头从所述光固化装置的内环侧壁围合的通孔中穿出。

在某些实施例中，所述材料推挤装置包括注射器、注射器底座和驱动电机，所述注射器包括前端带有小孔的针筒和与针筒匹配的活塞芯杆，所述注射器的针筒固定在注射器底座上，驱动电机能够驱动注射器的活塞芯杆在针筒中往复运动。

在某些实施例中，所述注射器的针筒设置在注射器底座的容纳腔中，注射器的针筒的第一端限位在注射器底座的底部构件中，注射器的针筒的第二端由针筒固定旋钮从外侧旋入并穿过容纳腔侧壁上的螺孔而抵压固定；和/或，

所述注射器的针筒的出口处连接有针头，针头的下部从注射器底座中伸出。

在某些实施例中，注射器的活塞芯杆的第一端插入到针筒中，活塞芯杆的第二端通过驱动连接件与驱动电机连接，所述驱动连接件的第一端与驱动电机的螺杆连接，所述驱动连接件的第二端与活塞芯杆的第二端连接，

所述驱动连接件的第二端具有压板，所述压板的下表面上开设有T型槽，注射器的活塞芯杆的第二端具有向活塞芯杆周向延伸的推柄，所述推柄卡入到所述压板的T型槽中；

所述T型槽背侧的压板上开设有贯穿的螺孔，由推柄固定旋钮从外侧旋入并穿过所述螺孔以对推柄抵压固定。

在某些实施例中，所述驱动连接件为纵截面呈

形的板状构件，所述驱动连接件为分体结构，包括所述压板和L型纵截面的连接板，压板与连接板通过插块与插孔的配合结构进行连接。

本实用新型的有益效果：本实用新型实施例提出的打印喷头的光固化装置和3D生物打印喷头，可以将打印喷头与光源整合，以在进行光敏材料打印的过程中同步进行光照，无需中断打印，光敏材料在挤出的短时间内交联，形成凝胶态，能够保证结构的力学性能和尺寸精度，实现高精度的光敏材料打印效果。

此外，在本实用新型的优选实施例中，通过设置由挡光材料制成的内环侧壁，可以避免光照对注射器针头上部透明部分中的光敏材料的干扰。

附图说明

图1是本实用新型实施例提出的3D生物打印喷头的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提出的3D生物打印喷头的光固化装置的零件装配图；

图3是本实用新型实施例提出的3D生物打印喷头的光固化装置(不包括外环侧壁)的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本实用新型并不局限于附图和以下实施例。

如图1、图2和图3所示，本实用新型实施例提出了一种3D生物打印喷头，包括材料推挤装置和光固化装置。

其中，所述材料推挤装置包括注射器1、注射器底座2和驱动电机(未示出)。所述注射器1包括前端带有小孔的针筒11和与针筒11匹配的活塞芯杆12。所述注射器1的针筒 11固定在注射器底座2上，驱动电机能够驱动注射器1的活塞芯杆12在针筒11中往复运动。

具体的，所述注射器1的针筒11设置在注射器底座2的容纳腔中，注射器1的针筒11的第一端限位在注射器底座2的底部构件21中，注射器1的针筒11的第二端由针筒固定旋钮3从外侧旋入并穿过容纳腔侧壁上的螺孔而抵压固定。

注射器1的针筒11的第一端的出口处连接有针头4，针头4的下部从注射器底座2中伸出。

注射器1的活塞芯杆12的第一端从针筒11的第二端插入到针筒11中，活塞芯杆12的第二端与驱动电机连接，驱动电机能够驱动注射器1的活塞芯杆12在针筒11中往复运动。在本实施例中，活塞芯杆12的第二端通过驱动连接件5与驱动电机连接，所述驱动连接件 5的第一端与驱动电机的螺杆连接，所述驱动连接件5的第二端与活塞芯杆12的第二端连接。优选的，所述驱动连接件5的第二端的压板51的下表面上开设有T型槽511，注射器1 的活塞芯杆12的第二端具有向活塞芯杆12周向延伸的推柄13，所述推柄13卡入到所述压板51的T型槽511中。为了进一步将推柄13固定到T型槽511中，在T型槽511背侧的压板51上开设有贯穿的螺孔，由推柄固定旋钮6从外侧旋入并穿过所述螺孔以对推柄13抵压固定。从而通过驱动电机控制压板51升降，带动注射器1的活塞芯杆12向上或向下运动，实现针筒11中的生物墨水的挤出或者回抽。

所述驱动连接件5为纵截面呈

形的板状构件。优选的，

形驱动连接件5为分体结构，包括压板51和L型纵截面的连接板52，压板51与连接板52通过插块与插孔的配合结构进行连接。在一个实施例中，所述压板51的前端设置有一对凸出的插块，对应的在连接板52的顶部侧壁上设置一对插孔，所述压板51的插块插入到连接板52的插孔中，使得压板51与连接板52固定。

此外，所述材料推挤装置还包括用于容置驱动电机等部件的壳体7。

其中，所述光固化装置包括内环侧壁8、外环侧壁9、光源背板10、光源14、均光片15、光源散热器16和台座17。

所述外环侧壁9套设在内环侧壁8的外侧。在本实用新型实施例中，所述内环侧壁8和外环侧壁9的横截面呈圆形，且所述内环侧壁8与外环侧壁9的中心轴线重合。当然，本领域技术人员可以理解，所述内环侧壁8和外环侧壁9的横截面还可以呈其他形状。

所述光源背板10呈环状，具有通孔，光源背板10能够对光进行反射，固定在由内环侧壁8和外环侧壁9的限定的空间的顶部。

所述光源14设置在由内环侧壁8、外环侧壁9和光源背板10限定的空间中。在本实施例中，多个光源14沿周向均匀的设置在环形的光源背板10上。

所述均光片15呈环状，具有通孔，固定在由内环侧壁8和外环侧壁9的限定的空间的底部。

所述内环侧壁8围合形成有通孔，以使得针头4能够从中穿过。优选的，所述内环侧壁 8的顶端与光源背板10的通孔的形状及尺寸相匹配，所述内环侧壁8的底端与所述均光片 15的通孔的形状及尺寸相匹配，所述内环侧壁8连接在光源背板10的通孔与均光片15的通孔之间；所述外环侧壁9的顶端与光源背板10的外缘的形状及尺寸相匹配，所述外环侧壁9的底端与所述均光片15的外缘的形状及尺寸相匹配，所述外环侧壁9连接在光源背板 10的外缘与均光片15的外缘之间。

所述光源散热器16为环状翼片散热器，与所述光源背板10邻接的设置在光源背板10 的上侧。所述光源散热器16的中心孔与所述内环侧壁8围合的通孔相通且具有相同的中心轴线。在光源14为LED光源时，所述光源散热器16的设置尤为重要。

所述台座17设置在外环侧壁9的侧边部，优选的与外环侧壁9构成一体结构，用于将光固化装置固定到材料推挤装置下侧(注射器底座2的底部构件21)，材料推挤装置的针头4从所述内环侧壁8围合的通孔中穿出。由于现有技术中的针头4的上半部分往往是透明的，因此，所述内环侧壁8为由遮光材料制成的挡光环，防止针头4的上半部分中的光敏材料在针头4内部发生固化而堵塞材料挤出通路。

本实用新型的3D生物打印喷头在打印光敏材料时，驱动电机启动，电机螺杆通过驱动连接件5带动注射器1的活塞芯杆12以推挤注射器1，使得注射器1从针筒11中将光敏材料挤出到打印平台。在光敏材料挤出的同时，光源14朝向打印平台照射已打印出的结构以进行实时的交联。

本实用新型的上述实施例中，虽然所述光固化装置包括了均光片15，但是本领域技术人员可以理解，也可不设置均光片15，此时，所述内环侧壁8的顶端与光源背板10的通孔的形状及尺寸相匹配，所述外环侧壁9的顶端与光源背板10的外缘的形状及尺寸相匹配，所述光源背板10连接在所述内环侧壁8的顶端与外环侧壁9的顶端之间。

如本文中所述，术语“包括”及其各种变体可以被理解为开放式术语，其意味着“包括但不限于”。术语“一个实施例”及其类似表述可以被理解为“至少一个实施例”。术语“另一实施例”及其类似表述可以被理解为“至少一个其它实施例”。术语“上”、“下”、“内”、“外”及其类似表述仅用于表示相对物体之间的位置关系。

以上，对本实用新型的实施方式进行了说明。但是，本实用新型不限定于上述实施方式。凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种打印喷头的光固化装置，其特征在于：所述光固化装置包括内环侧壁(8)、外环侧壁(9)、光源背板(10)和光源(14)，

所述内环侧壁(8)围合形成通孔，所述外环侧壁(9)套设在所述内环侧壁(8)的外侧；

所述光源背板(10)呈环状，具有通孔，所述光源背板(10)固定在由所述内环侧壁(8)和所述外环侧壁(9)的限定的空间的顶部；

所述光源(14)设置在由所述内环侧壁(8)、外环侧壁(9)和光源背板(10)限定的空间中。

2.如权利要求1所述的光固化装置，其特征在于：所述内环侧壁(8)的顶端与光源背板(10)的通孔的形状及尺寸相匹配，所述外环侧壁(9)的顶端与光源背板(10)的外缘的形状及尺寸相匹配，所述光源背板(10)连接在所述内环侧壁(8)的顶端与外环侧壁(9)的顶端之间。

3.如权利要求1所述的光固化装置，其特征在于：所述光固化装置还包括均光片(15)，所述均光片(15)呈环状，具有通孔，固定在由内环侧壁(8)和外环侧壁(9)的限定的空间的底部。

4.如权利要求3所述的光固化装置，其特征在于：所述内环侧壁(8)的顶端与光源背板(10)的通孔的形状及尺寸相匹配，所述内环侧壁(8)的底端与所述均光片(15)的通孔的形状及尺寸相匹配，所述内环侧壁(8)连接在光源背板(10)的通孔与均光片(15)的通孔之间；所述外环侧壁(9)的顶端与光源背板(10)的外缘的形状及尺寸相匹配，所述外环侧壁(9)的底端与所述均光片(15)的外缘的形状及尺寸相匹配，所述外环侧壁(9)连接在光源背板(10)的外缘与均光片(15)的外缘之间。

5.如权利要求1所述的光固化装置，其特征在于：所述内环侧壁(8)和外环侧壁(9)的横截面呈圆形，且所述内环侧壁(8)与外环侧壁(9)的中心轴线重合。

6.如权利要求5所述的光固化装置，其特征在于：所述光源(14)为多个，沿周向均匀的设置在光源背板(10)上；和/或，所述内环侧壁(8)为挡光环。

7.如权利要求5所述的光固化装置，其特征在于：所述光源(14)为LED光源，和/或,

所述光固化装置还包括光源散热器(16)，所述光源散热器(16)为环状翼片散热器，与所述光源背板(10)邻接的设置在光源背板(10)的上侧，所述光源散热器(16)的中心孔与所述内环侧壁(8)围合的通孔相连通且具有相同的中心轴线。

8.如权利要求1所述的光固化装置，其特征在于：所述光固化装置还包括用于对光固化装置进行固定的台座(17)，所述台座(17)设置在外环侧壁(9)的侧边部。

9.一种3D生物打印喷头，其特征在于：所述3D生物打印喷头包括材料推挤装置和如权利要求1-8之一所述的光固化装置，所述光固化装置固定到材料推挤装置下侧，材料推挤装置的针头(4)从所述光固化装置的内环侧壁(8)围合的通孔中穿出。

10.如权利要求9所述的3D生物打印喷头，其特征在于：所述材料推挤装置包括注射器(1)、注射器底座(2)和驱动电机，所述注射器(1)包括前端带有小孔的针筒(11)和与针筒(11)匹配的活塞芯杆(12)，所述注射器(1)的针筒(11)固定在注射器底座(2)上，驱动电机能够驱动注射器(1)的活塞芯杆(12)在针筒(11)中往复运动。

11.如权利要求10所述的3D生物打印喷头，其特征在于：所述注射器(1)的针筒(11)设置在注射器底座(2)的容纳腔中，注射器(1)的针筒(11)的第一端限位在注射器底座(2)的底部构件(21)中，注射器(1)的针筒(11)的第二端由针筒固定旋钮(3)从外侧旋入并穿过容纳腔侧壁上的螺孔而抵压固定；和/或，

所述注射器(1)的针筒(11)的出口处连接有针头(4)，针头(4)的下部从注射器底座(2)中伸出。

12.如权利要求10所述的3D生物打印喷头，其特征在于：注射器(1)的活塞芯杆(12)的第一端插入到针筒(11)中，活塞芯杆(12)的第二端通过驱动连接件(5)与驱动电机连接，所述驱动连接件(5)的第一端与驱动电机的螺杆连接，所述驱动连接件(5)的第二端与活塞芯杆(12)的第二端连接，

所述驱动连接件(5)的第二端具有压板(51)，所述压板(51)的下表面上开设有T型槽(511)，注射器(1)的活塞芯杆(12)的第二端具有向活塞芯杆(12)周向延伸的推柄(13)，所述推柄(13)卡入到所述压板(51)的T型槽(511)中；

所述T型槽(511)背侧的压板(51)上开设有贯穿的螺孔，由推柄固定旋钮(6)从外侧旋入并穿过所述螺孔以对推柄(13)抵压固定。

13.如权利要求12所述的3D生物打印喷头，其特征在于：所述驱动连接件(5)为纵截面呈

形的板状构件，所述驱动连接件(5)为分体结构，包括所述压板(51)和L型纵截面的连接板(52)，压板(51)与连接板(52)通过插块与插孔的配合结构进行连接。

Images