一種多噴頭三維打印機的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種多噴頭三維打印機，包括基板、工作臺、氣路系統、至少一個氣動注射器式噴頭和至少一個電動擠出式噴頭，其中，氣動注射器式噴頭，用于向基板噴射流態成形材料；電動擠出式噴頭，用于向基板擠出流態成形材料；氣路系統與氣動注射器式噴頭連接，用于向氣動注射器式噴頭提供壓力；工作臺位于氣動注射器式噴頭和電動擠出式噴頭的下方，用于承載基板。本實用新型由于通過形成具有多種不同類型噴頭的組合式多噴頭三維打印機，可同時用多種成形材料打印出三維支架，能夠實現材料的空間可控打印，實現多組分復雜三維模型的打印，尤其適用于打印復雜的生物支架。
【專利說明】
一種多噴頭三維打印機
技術領域
[0001]本實用新型屬于3D打印領域，更具體地，涉及一種多噴頭三維打印機。
【背景技術】
[0002]生物組織工程中越來越多地用三維打印機來打印三維支架，而當前三維打印機都是采用單噴頭或者單一類型噴頭的多噴頭，而生物組織工程中復雜的三維結構是由多組分組成的，因此現在的三維打印機只適合打印單一組分的支架或者不同組分但是材料特性相接近的多組分支架，并不能完成真正意義上的多組分支架的打印。
[0003]另外，當前生物組織工程都是將生物材料(例如細胞、生長因子等)混合在支架材料中打印并進行培養，不能實現生物材料的按需定點打印。
【實用新型內容】
[0004]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本實用新型的目的在于提供一種多噴頭三維打印機，其中通過對其關鍵噴頭組件的設置方式及其觸動機構等進行改進，與現有技術相比能夠有效解決多種材質的空間定點打印的問題，可實現組織工程中復雜模型使用不同流態材質的三維打印，并且該多噴頭打印機可靠性高、精度高、控制簡單，打印機結構緊湊，柔性好，便于拆裝。
[0005]為實現上述目的，按照本實用新型的一個方面，提供了一種多噴頭三維打印機，其特征在于，包括基板、工作臺、氣路系統、至少一個氣動注射器式噴頭和至少一個電動擠出式噴頭，其中，
[0006]所述氣動注射器式噴頭，用于向所述基板噴射流態成形材料；
[0007]所述電動擠出式噴頭，用于向所述基板擠出流態成形材料；
[0008]所述氣路系統與所述氣動注射器式噴頭連接，用于向所述氣動注射器式噴頭提供壓力；
[0009]所述工作臺位于所述氣動注射器式噴頭和所述電動擠出式噴頭的下方，用于承載所述基板。
[0010]作為本實用新型的進一步優選，所述氣動注射器式噴頭包括針頭(32，33，34)、料筒(26，27，28)和料筒上蓋(20，21，22)，其中，所述料筒(26，27，28)用于放置噴射用流態成形材料;所述料筒上蓋(20，21，22)位于所述料筒(26，27，28)的上方，該料筒上蓋(20，21，22)通過密封圈(23，24，25)與所述料筒(26，27，28)相連，所述氣路系統用于向該料筒上蓋(20，21，22)提供壓力;所述針頭(32，33，34)與所述料筒(26，27，28)相連，用于在所述料筒上蓋(20，21，22)的驅動下噴射所述噴射用流態成形材料。
[0011]作為本實用新型的進一步優選，所述電動擠出式噴頭包括電機(36)、活塞(40)、料筒(45)和針頭(47)，其中，所述電機(36)與所述活塞(40)相連，用于驅動該活塞(40)運動；該活塞(40)通過密封圈(41，43)與所述料筒(45)相連，該料筒(45)用于放置擠出用流態成形材料;所述針頭(47)與所述料筒(45)相連，用于在所述活塞(40)的帶動下擠出所述擠出用流態成形材料。
[0012]作為本實用新型的進一步優選，所述電動擠出式噴頭還包括加熱模塊(42)，用于加熱所述電動擠出式噴頭的料筒(45)。
[0013]作為本實用新型的進一步優選，所述氣路系統包括壓縮空氣源(1)、空氣過濾裝置
(3)、真空發生器(8，9，10)和兩位三通電磁閥(14，15，16)，其中，
[0014]所述壓縮空氣源(I)用于提供壓縮空氣，該壓縮空氣源(I)通過減壓閥(2)與所述空氣過濾裝置(3)相連;該空氣過濾裝置(3)用于過濾所述壓縮空氣得到經過濾后的壓縮空氣；
[0015]所述兩位三通電磁閥(14，15，16)包括第一進氣口(51)、第二進氣口(50)以及第一出氣口(52)，所述經過濾后的壓縮空氣通過第一路調壓閥(11，12，13)與所述第一進氣口(51)相連;所述經過濾后的壓縮空氣還依次通過第二路調壓閥(5，6，7)與所述真空發生器(8,9,10)與所述第二進氣口(50)相連;所述第一出氣口(52)與所述氣動注射器式噴頭中的料筒上蓋(20，21，22)相連;該兩位三通電磁閥(14，15，16)用于在所述第一進氣口(51)與所述第一出氣口(52)導通，或所述第二進氣口(50)與所述第一出氣口(52)導通間切換，使所述氣動注射器式噴頭發生噴射或停止噴射。
[0016]作為本實用新型的進一步優選，該多噴頭三維打印機還包括固定臺，該固定臺位于所述工作臺的上方，并與所述氣動注射器式噴頭和所述電動擠出式噴頭相連，用于承載所述氣動注射器式噴頭和所述電動擠出式噴頭。
[0017]通過本實用新型所構思的以上技術方案，與現有技術相比，由于通過將至少一個氣動注射器式噴頭和至少一個電動擠出式噴頭相組合，形成具有多種不同類型噴頭的組合式多噴頭三維打印機，可同時用多種成形材料打印出三維支架，能夠實現材料的空間可控打印，實現多組分復雜三維模型的打印，尤其適用于打印復雜的生物支架。
[0018]尤其是在組織工程當中，采用氣動注射式打印噴頭能夠打印低粘度的成形材料，同時由于采用過濾后的壓縮空氣為動力源，所以能夠有效保證生物材料的活性;采用電動擠出式噴頭可以打印高粘度流態成形材料，打印出具有一定機械強度的支架作為支撐材料，本實用新型中的三維打印機結合這兩種噴頭，實現了兩種打印方式的組合式打印，能夠打印出“軟硬結合”(即，高粘度成形材料和低粘度成形材料)的三維支架。
【附圖說明】
[0019]圖1是本實用新型的多噴頭三維打印機的實施例的結構示意圖；
[0020]圖2是本實用新型的氣路系統的實施例的結構示意圖。
[0021]圖中各附圖標記的含義如下:I為壓縮空氣源，2為減壓閥，3為空氣過濾裝置，4、17、18、19均為導氣管，5、6、7、11、12、13均為調壓閥，8、9、10均為真空發生器，14、15、16均為兩位三通電磁閥，20、21、22均為料筒上蓋，23、24、25均為料筒用密封圈，26、27、28均為料筒，29、30、31均為液態成形材料，32、33、34均為針頭，35為絲桿，36為電機(如步進電機)，37為導軌，38為導軌滑塊，39為噴頭機身，40為活塞，41、43均為活塞用密封圈，42為加熱模塊，44為液態成形材料，45為料筒，46為料筒下端蓋，47為針頭，48為基板，49為工作臺，50為兩位三通電磁閥的第二進氣口，51為兩位三通電磁閥的第一進氣口，52為兩位三通電磁閥的第一出氣口。
【具體實施方式】
[0022]為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0023]實施例1
[0024]如圖1所示，多噴頭三維打印機主要包括:至少一個氣動注射器式噴頭、至少一個電動擠出式嗔頭、氣路系統、固定臺、工作臺、機身。
[0025]其中，氣動注射器式噴頭是微量注射器式噴頭，可噴射流態成形材料，包括針頭32、33、34，注射用料筒26、27、28，料筒上蓋20、21、22，以及料筒密封圈23、24、25。這些針頭32、33、34的上端分別與對應的料筒26、27、28相連，用作流態成型材料的出口。料筒26、27、28上端分別與料筒上蓋20、21、22相連，用于容納流態成形材料。料筒上蓋20、21、22的上端與氣路系統相連接，用于料筒26、27、28和氣路系統的連接。料筒密封圈23、24、25分別位于料筒上蓋20、21、22的下端，用于料筒26、27、28的密封，防止流態成形材料泄露。
[0026]氣路系統包括壓縮空氣源1，減壓閥2，空氣過濾裝置3，調壓閥5、6、7、11、12、13(能夠更精細的調節壓縮空氣的壓力)，真空發生器8、9、10，兩位三通電磁閥14、15、16，導氣管
4、17、18、19。減壓閥2的進口和壓縮空氣源I相連，其出口通過導氣管與空氣過濾裝置3相連，用于調節進氣氣壓。空氣過濾裝置3用于過濾壓縮空氣中的塵埃顆粒以及細菌，其出口通過導氣管4與調壓閥5、6、7、11、12、13相連，在氣路系統正壓氣路上，調壓閥11、12、13出氣口直接和兩位三通電磁閥14、15、16的第一進氣口(例如圖2的口 51)相連，負壓氣路上調壓閥5、6、7和真空發生器8、9、10相連，用于產生可控的負壓，真空發生器8、9、10的負壓端和兩位三通電磁閥14、15、16的第二進氣口(例如圖2的50)相連，兩位三通電磁閥14、15、16的第一出氣口(例如圖2的口 52)與氣動注射式打印噴頭的上蓋20、21、22相連，通過控制系統控制兩位三通電磁閥的通斷以及通斷時間來給氣動注射式打印噴頭提供可控頻率、可控大小的正負壓。
[0027]電動擠出式打印噴頭包括針頭47，料筒下端蓋46，料筒45，加熱模塊42，活塞40，活塞密封圈41、43，絲桿35，步進電機36，噴頭機身，39，導軌，37，導軌滑塊38。其中，針頭47和料筒下端蓋46相連接，作為液態成形材料的出口，料筒下端蓋46與料筒45通過螺紋相連接，便于拆卸并清洗料筒，用來連接料筒45和針頭47，料筒45和活塞40形成一個閉合腔，通過活塞的直線運動給液態成形材料施加擠出力，活塞的下端有兩個密封圈41、43，用來密封料筒，防止成形材料的泄露，料筒的側壁有加熱模塊42，用來對料筒內的成形材料進行加熱保溫，使材料始終處于合適的溫度范圍，料筒45上端和噴頭機身39進行固定連接，活塞40和絲桿35通過導軌滑塊38和螺絲進行連接，使絲桿上的力能夠傳遞到活塞上，絲桿35將步進電機36的轉矩轉化為推動力，從而擠出液態成形材料，導軌37和導軌滑塊38使絲桿和活塞直線運動，防止活塞在料筒內卡死。
[0028]以圖1為例，圖1中包括3套氣動注射式打印噴頭和I個電動擠出式打印噴頭，氣動注射式打印噴頭料筒26、27、28和電動擠出式打印噴頭料筒45水平并排安裝，還包括多個打印噴頭32、33、34、47，多個(例如圖1所示三個)二位三通電磁閥14、15、16，多個(例如圖1所示六個)調壓閥5、6、7、11、12、13，多個(例如圖1所示三個)真空發生器8、9、10，壓縮空氣源I，減壓閥2，空氣過濾裝置3，壓縮空氣源I，減壓閥2，空氣過濾裝置3，調壓閥5、6、7、11、12、13，真空發生器8、9、10，兩位三通電磁閥14、15、16，導氣管4、17、18、19，工作臺49和基板48。電動擠出式打印噴頭的步進電機36工作，此時通過絲桿36將電機轉矩轉化為推動力作用在活塞40上，通過活塞40把力加載在液態成形材料44上，迫使該流態成形材料通過針頭47噴射至基板48上。上述噴射與工作臺49以及固定臺(未圖示)的三維運動，可在基板48上打印出三維支架的某一層。當電動擠出式打印噴頭的步進電機36工作時，此時通過絲桿36將電機轉矩轉化為推動力作用在活塞40上，通過活塞40把力加載在液態成形材料44上，迫使該流態成形材料通過針頭47噴射至基板48上。通過上述噴射與工作臺49以及固定臺(未圖示)的三維運動，可在基板48上打印出三維支架的某一層。
[0029]當打印完某一層支架后，可通過控制電磁閥14、15、16中某個電磁閥(例如14)，使來自壓縮空氣源I的壓縮空氣通過減壓閥2和空氣過濾裝置3，進入某一組氣路的調壓閥(例如11)，然后通過相應的某個電磁閥(例如14)、某個導氣管(例如17)、料筒上端蓋(例如20)進入某個料筒(例如26)，從而對其中的流態材料(例如29)施加壓力，迫使該流態成形材料以液滴方式噴射至基板48上的三維支架上。通過工作臺49和固定臺(未圖示)的三維運動可以精確控制該液滴噴射在三維支架的特定位置，從而實現多組分三維支架的打印。
[0030]當控制電磁閥14、15、16處于關閉狀態時，來自壓縮空氣源I的壓縮空氣通過減壓閥2、空氣過濾裝置3、導氣管4和調壓閥5、6、7，進入真空發生器8、9、10，從而在真空發生器真空端產生負壓，該負壓通過電磁閥14、15、16，導氣管17、18、19，料筒上端蓋20、21、22，為料筒26、27、28中相應的液態材料29、30、31提供負壓，從而消除材料流涎問題。另外，通過精細調節正負壓加載在材料上的時間，可以產生更穩定的液滴。
[0031]支架的某一層打印完成后，固定臺沿豎直方向上升一個層高，從而打印支架的下一層輪廓，如此循環直到三維支架打印完成。
[0032]圖2所示本實用新型采用的氣路系統的結構示意圖，該氣路由壓縮空氣源1、減壓閥2、過濾器3、導氣管4，調壓閥5、11，真空發生器8，以及兩位三通電磁閥14組成。壓縮空氣通過減壓閥2、過濾器3和導氣管加載在調壓閥5、11上，通過調壓閥11的壓縮空氣通過電磁閥14上的進氣口 51和電磁閥相連，而加載在電磁閥5上的壓縮空氣通過真空發生器8后和電磁閥14的第二進氣口 50相連，該二位三通電磁閥的第二進氣口 50和出氣口 52處于常通狀態，第一進氣口 51和出氣口52處于常斷狀態，此時導氣管17產生的就是負壓；當控制電磁閥14通電后，進氣口 51和出氣口 52處于接通狀態，而第二進氣口 50和出氣口 52處于斷開狀態，此時導氣管17產生的是正壓;通過控制電磁閥14的通斷時間，控制從導氣管17中出來的正負壓的時間，則氣動注射器式打印噴頭可實現打印液滴的連續或間隔噴射。
[0033]氣動注射式噴頭可用于噴射低粘度流態成形材料，粘度一般為O?200mpa/s，如水、0.25?1.5的％海藻酸鈉溶液(生物3(1打印中較為常用)，打印精度可達到200?30(^111;電動擠出式噴頭可用于擠出高粘度流態成形材料，粘度一般為幾百pa/s (如大于等于200pa/s)，屬于半固態狀態，如羥基磷灰石材料體系(如甘油、水、羥基磷灰石三者按質量比為10:20:51配比得到)、羥基磷灰石-海藻酸鈉體系(如水、海藻酸鈉、羥基磷灰石三者按質量比為30:1:28配比得到)。由于氣動注射式噴頭和電動擠出式噴頭均可為多個，每個氣動注射式噴頭料筒內的液態成形材料類型可以不同，相似的，每個電動擠出式噴頭料筒內的液態成形材料類型也可以不同。例如，電動擠出式噴頭可以用于打印具有一定強度的支架，而氣動注射式噴頭則用于將低粘度成形材料定點打印到該支架上，實現多組分復雜三維模型的打印。
[0034]本實用新型中的氣動注射式噴頭和電動擠出式噴頭均平行安裝于固定臺上，通過控制多個(至少2個)噴頭之間的相互切換，并通過改變所述固定臺在水平方向的位置，可以在成形工件打印過程中打印出不同的形狀及結構效果，實現多組分復雜三維模型的打印。
[0035]本實用新型的減壓閥直接與壓縮空氣源相連，將壓縮空氣壓力減小到合適范圍從而加載在調壓閥上；調壓閥可以更加精細的調節氣體氣壓。真空發生器能利用壓縮空氣產生負壓，其一端通過氣管連接到減壓閥出氣口，其負壓產生端口與兩位三通電磁閥的第二進氣口相連。
[0036]本實用新型中的氣動注射式噴頭用低粘度流態成形材料可以實現連續打印或按需打印，并且通過三維打印機的運動可以實現二位點陣和三維支架的打印。本實用新型中的氣路系統可以實現正負壓快速切換，正負壓切換時間可以小于lms，通過控制正壓和負壓的加載時間，產生特定的加載曲線，使之滿足氣動注射式噴頭的打印需要，從而便于控制低粘度成形材料的成形。
[0037]本實用新型中兩位三通電磁閥中的第一進氣口、第二進氣口以及第一出氣口是通過第一進氣口或第二進氣口中的壓縮空氣氣體向第一出氣口(以及與第一出氣口相連通的氣動注射器式噴頭中的料筒上蓋)提供正壓或負壓；當第一進氣口與第一出氣口導通時，第一出氣口處的氣壓值將受到第一進氣口中壓縮空氣的氣壓值影響；當第二進氣口與第一出氣口導通時，第一出氣口處的氣壓值將受到第二進氣口中壓縮空氣的氣壓值影響。
[0038]兩位三通電磁閥通過控制系統有規律的控制壓縮空氣加載在氣動注射式噴頭上，其通斷切換時間為0.7ms，滿足氣路控制系統要求，其正壓進氣口和出氣口是常閉狀態而負壓進氣口和出氣口處于常開狀態，在打印過程中正壓和負壓是相互獨立的，其出氣口通過氣管與氣動注射式噴頭相連。
[0039]本實用新型中的組合式多噴頭三維打印機還可以采用計算機程序進行自動化控制。本實用新型中的組合式多噴頭三維打印機可實現多材質空間分布可控的三維支架的打印，能夠滿足目前生物3D打印對多材質復雜三維模型打印的需要。
[0040]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種多噴頭三維打印機，其特征在于，包括基板、工作臺、氣路系統、至少一個氣動注射器式噴頭和至少一個電動擠出式噴頭，其中， 所述氣動注射器式噴頭，用于向所述基板噴射流態成形材料； 所述電動擠出式噴頭，用于向所述基板擠出流態成形材料； 所述氣路系統與所述氣動注射器式噴頭連接，用于向所述氣動注射器式噴頭提供壓力； 所述工作臺位于所述氣動注射器式噴頭和所述電動擠出式噴頭的下方，用于承載所述基板。2.如權利要求1所述多噴頭三維打印機，其特征在于，所述氣動注射器式噴頭包括針頭(32，33，34)、料筒(26，27，28)和料筒上蓋(20，21，22)，其中，所述料筒(26，27，28)用于放置噴射用流態成形材料;所述料筒上蓋(20，21，22)位于所述料筒(26，27，28)的上方，該料筒上蓋(20，21，22)通過密封圈(23，24，25)與所述料筒(26，27，28)相連，所述氣路系統用于向該料筒上蓋(20，21，22)提供壓力；所述針頭(32，33，34)與所述料筒(26，27，28)相連，用于在所述料筒上蓋(20，21，22)的驅動下噴射所述噴射用流態成形材料。3.如權利要求1所述多噴頭三維打印機，其特征在于，所述電動擠出式噴頭包括電機(36)、活塞(40)、料筒(45)和針頭(47)，其中，所述電機(36)與所述活塞(40)相連，用于驅動該活塞(40)運動;該活塞(40)通過密封圈(41，43)與所述料筒(45)相連，該料筒(45)用于放置擠出用流態成形材料;所述針頭(47)與所述料筒(45)相連，用于在所述活塞(40)的帶動下擠出所述擠出用流態成形材料。4.如權利要求3所述多噴頭三維打印機，其特征在于，所述電動擠出式噴頭還包括加熱模塊(42)，用于加熱所述電動擠出式噴頭的料筒(45)。5.如權利要求2所述多噴頭三維打印機，其特征在于，所述氣路系統包括壓縮空氣源(1)、空氣過濾裝置(3)、真空發生器(8，9，10)和兩位三通電磁閥(14，15，16)，其中， 所述壓縮空氣源(I)用于提供壓縮空氣，該壓縮空氣源(I)通過減壓閥(2)與所述空氣過濾裝置(3)相連;該空氣過濾裝置(3)用于過濾所述壓縮空氣得到經過濾后的壓縮空氣； 所述兩位三通電磁閥(14，15，16)包括第一進氣口(51)、第二進氣口(50)以及第一出氣口(52)，所述經過濾后的壓縮空氣通過第一路調壓閥(11，12，13)與所述第一進氣口(51)相連;所述經過濾后的壓縮空氣還依次通過第二路調壓閥(5，6，7)與所述真空發生器(8，9，10)與所述第二進氣口(50)相連;所述第一出氣口(52)與所述氣動注射器式噴頭中的料筒上蓋(20，21，22)相連;該兩位三通電磁閥(14，15，16)用于在所述第一進氣口(51)與所述第一出氣口(52)導通，或所述第二進氣口(50)與所述第一出氣口(52)導通間切換，使所述氣動注射器式噴頭發生噴射或停止噴射。6.如權利要求1所述多噴頭三維打印機，其特征在于，該多噴頭三維打印機還包括固定臺，該固定臺位于所述工作臺的上方，并與所述氣動注射器式噴頭和所述電動擠出式噴頭相連，用于承載所述氣動注射器式噴頭和所述電動擠出式噴頭。
【文檔編號】A61L27/36GK205460048SQ201620155933
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月1日
【發明人】陳鵬華, 張祥林, 王運贛, 陳志超, 周奎, 石磊, 李文超, 王宣
【申請人】華中科技大學, 上海富奇凡機電科技有限公司