一种原位光固化挤出喷头的制作方法

本发明属于光固化3d打印及3d生物打印领域，具体涉及一种原位光固化挤出喷头。

背景技术：

传统的挤出式3d打印原材料是固态细丝，经喷头加热融化后挤出，难以以溶液为材料进行挤出成形。在生物打印领域，水凝胶材料应用广泛。为了解决光固化水凝胶因粘度低难以完成挤出成形的问题，现有的光固化打印主要采用的解决方法包括：第一，通过预交联提高打印前的材料粘度，以适应挤出打印。但该方法的预交联过程难以控制、交联程度不均匀。第二，将光固化材料与大粘度材料混合后挤出打印。但该方法挤出的细丝尺寸大，成形精度差，而且大粘度材料会改变原有光固化材料的生物相容性。第三，利用喷墨打印的方式打印单个液滴融合形成结构。但该方法需要在打印后迅速光照，固化不及时会影响成形精度。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服以上不足，提供了一种原位固化挤出喷头。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：

一种原位光固化挤出喷头，包括外壳以及设置在外壳内的液室、透明/半透明细管、光源和遮光板；其中，

透明/半透明细管与液室连通，光源设置在透明/半透明细管的周向上，用于垂直照射在透明/半透明细管上，遮光板设置在光源与液室之间；工作时，液室内设置有液态光固化材料，液态光固化材料通过透明/半透明细管，经光源发出的紫外光照射后固化形成固态细丝被挤出。

本发明进一步的改进在于，液室的顶部设置有进料口，液态光固化材料由进料口通过注射泵或气压的形式送入液室。

本发明进一步的改进在于，透明/半透明细管采用聚四氟乙烯或玻璃制成。

本发明进一步的改进在于，固态细丝的尺寸由透明/半透明细管的内径尺寸保证，尺寸范围在60μm–2000μm。

本发明进一步的改进在于，光源采用单个点光源，多个点光源或环形光源。

本发明进一步的改进在于，还包括外部控制电路，用于调节光源的光照强度。

本发明进一步的改进在于，还包括打印基板，固态细丝最终落在打印基板上。

本发明具有如下的优点：

本发明提供的一种原位光固化挤出喷头，包括液室、透明/半透明细管、光源、遮光板及外壳；其中，透明/半透明细管与液室连通，光源垂直照射在透明/半透明细管上，液室中的液态光固化材料经过透明/半透明细管，在透明/半透明细管被紫外光照射的设定部位上，液态光固化材料会逐渐变为半固化材料并最终形成固态细丝。被挤出时，材料呈固态细丝状。其中，透明/半透明特性保证了紫外光可以透过管壁使管内的材料固化。这种固化方式保证了固化后的细丝尺寸可以完全人为控制，因为固态细丝的尺寸完全由透明/半透明细管的内径尺寸决定，这样就可以挤出尺寸范围很大的细丝，大大提高了打印的应用范围，并克服了光固化材料成形精度差的难题。相对于现有成形技术，原位光固化可实现液态光固化材料在挤出过程中固化成形，从而打印出固态细丝，是一种新的3d打印成形方式。

进一步，液态光固化材料由进料口通过注射泵或气压的形式送入液室。通过调节注射泵的流速或气压的大小，可以使材料以设定的速率从透明/半透明细管挤出。

进一步，透明/半透明细管由聚四氟乙烯或其他疏水材料制造而成，也可通过玻璃等非疏水材料，内壁经过疏水处理后制作而成。透明/半透明特性保证了紫外光可以透过管壁使管内的材料固化。

进一步，固态细丝的尺寸由透明/半透明细管的内径尺寸保证，尺寸范围在60μm–2000μm。

进一步，光源可采用单个点光源，多个点光源或环形光源。其只照射在透明/半透明细管的设定部位，其光照强度可通过外部控制电路设置改变。可变的光照强度保证材料在透明/半透明细管内达到需要的固化程度。

进一步，遮光板布置在光源与液室之间，保证紫外光只照射在透明/半透明细管的设定部位。

进一步，外壳将整体结构封装，上端留有进料口，下端留有透明/半透明细管的末端，保证光固化反应不受外界干扰，也避免紫外光外泄污染环境。封装设计也使喷头可安装于任意3d打印运动平台。

综上所述，本发明提出的一种原位光固化挤出喷头。其实现了以液态光固化材料打印出固态细丝的技术，大大提高了打印细丝的尺寸范围和打印精度。

附图说明

图1为原位光固化挤出喷头爆炸图。

图2为原位光固化挤出喷头剖视图。

图3为图2的局部放大图。

图中：1为外壳，2为液室，3为透明/半透明细管，4为遮光板，5为光源，6为紫外光，7为固态细丝，8为打印基板，9为进料口，10为液态光固化材料，11为半固化材料。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明提出的原位光固化挤出喷头，首先，原位光固化是指在喷头内进行光固化反应，可以实现输入液态光固化材料，打印出固态细丝。其次，设定尺寸的透明/半透明细管保证了挤出细丝的尺寸精度。第三，外壳将喷头结构封装，使喷头内光固化反应不受外界影响，紫外光也不会外泄污染环境。

具体来说，本发明分为以下几个部分：液室2、透明/半透明细管3、光源5、遮光板4及外壳1；其中，透明/半透明细管3与液室2连通，光源5垂直照射在透明/半透明细管3上，液室2中的液态光固化材料10经过透明/半透明细管3，经光源5发出的紫外光6照射后固化形成固态细丝7，从透明/半透明细管3末端被挤出。

如图2和3所示，液态光固化材料10由进料口9通过注射泵或气压的形式送入液室2，同时，注射泵的流速或气压的大小决定了挤出细丝的速度，一般情况下，通过调节注射泵流速或气压大小，设置恒定的挤出速度。

透明/半透明细管3需要保证材料能够固化，并且固化后不会粘在管壁上堵塞软管。因此，透明/半透明特性保证了紫外光可以透过管壁使，管内的材料固化。透明/半透明细管3由聚四氟乙烯或其他疏水材料制造而成，也可使用玻璃等非疏水材料，内壁经过疏水处理后制作而成，疏水管壁使材料不易粘在管壁上。固态细丝7的尺寸由透明/半透明细管3的内径尺寸决定，其内径尺寸范围在60μm–2000μm。

光源5可采用单个点光源，多个点光源或环形光源。其只照射在透明/半透明细管3的设定部位。光照强度可通过外部电路设置改变，从而保证不同挤出速率下，透明/半透明细管3内的材料都能够达到需要的固化程度，具体来说是因为，光强不足时，材料固化不完全，挤出的是液体或固液混合物；光强过大时，会使材料过固化，影响机械性能。光照强度需要在考虑材料固化速度的同时，与挤出速度相匹配。

遮光板4布置在光源5与液室2之间，保证紫外光6只照射在透明/半透明细管3的设定部位，而不会泄漏到其他不需要有光照的地方。

在透明/半透明细管3被紫外光6照射的设定部位上，液态光固化材料10会逐渐变为半固化材料11并最终形成固态细丝7。被挤出时，材料呈固态细丝7状。

外壳1将整体结构封装，只留上端进料口9和下端透明/半透明细管3的末端，保证了光固化反应不受外界干扰，也避免紫外光外泄污染环境。封装设计也使喷头可安装于任意3d打印运动平台。

实施案例：

材料选用5％(w/v)gelma光固化材料，注射泵为供料设备，流量设置为7μl/min，透明/半透明细管选用内径0.3mm，外径0.6mm的半透明聚四氟乙烯管。采用波长365nm的双光源，光照强度为100mw/cm²。可持续打印出直径为0.3mm的gelma细丝。