一种具有循环风道结构的3D打印机成型室的制作方法

本发明涉及3d打印技术领域，更具体地，涉及一种具有循环风道结构的3d打印机成型室。

背景技术

生物3d打印所涉及到的一些生物材料特别是水凝胶类材料，在打印固化成型时容易出现问题，表现为坍塌和断层现象。一方面，出现上述问题多由于温敏类水凝胶材料本身温敏固化不可突变的特性造成的，另一方面，所使用的3d打印设备在对温敏类材料的温度控制上存在缺陷，导致此类材料在打印过程中由于经过了某些温度不可控或不稳定的区域引起材料固化不连续或反向跳变。为了解决以上问题，最有效的方法就是严格精确的控制生物材料在打印成型过程中所经过的区域温度严格稳定可控。

对于温敏类材料通过控制温度是一种比较理想的解决方法，生物3d打印时，除了使用温敏类生物材料，还会选择使用一些带有粘度的生物材料混合细胞的方式进行三维打印，因此，为了保证细胞在打印过程中的成活率，必须严格控制打印室的环境保持在无菌状态，即要控制成型室封闭空间的空气洁净度以防止对细胞的污染。在常用的洁净控制方法中一般使用紫外灭菌灯达到微生物灭菌的目的，而对于一些微粒的过滤常采用滤芯的方式进行物理隔离。一般生物3d打印机不能兼容控制成型室的温度和洁净度，一方面是控制温度和洁净度的系统均复杂且难以小型化，另一方面是两个系统在共同工作时存在一定的干扰。

目前，应用到3d打印中的生物材料几乎都具有正温敏特性，这就要求在打印此类材料时为熔融状态的生物材料提供一个温度梯度下降的阶变环境。在这个温度阶变中，生物材料处于最顶端温度区域并在该温度下维持可挤出的熔融状态或可喷射的流动状态，打印成型平台作为3d打印的末端支撑，处于阶变环境的最低端，为正温敏材料的固化成型提供一个较低的物理温度环境。打印时，由于打印成型平台温度较低会导致平台周围的饱和水蒸气释放能量而液化并贴附在低温成型平台表面，液化的冷凝水会严重降低首层材料与平台表面的粘附能力进而引发打印失败，严重时冷凝水霜化并结冰，降低平台与材料之间的热交换效率并改变喷头针尖与打印平台之间的距离识别进而导致针尖与平台碰撞或断层现象。

技术实现要素：

为克服上述现有技术中的至少一种缺陷，本发明提供一种具有循环风道结构的3d打印机成型室。本发明将温度控制系统和洁净度控制系统集成为一个统一的整体，克服二者共存时可能产生的相互干扰问题的同时，解决打印成型室容易出现冷凝水的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种具有循环风道结构的3d打印机成型室，其中，包括外壳和设在所述外壳内的内胆，所述外壳和内胆侧壁之间设有循环风道结构，所述循环风道结构包括风机和冷凝区，以及设在所述内胆顶部与外壳之间的洁净风室，洁净风室同时承担了内胆上壁的作用，所述风机的进风口与所述内胆内部连通，出风口与所述冷凝区导通，所述冷凝区顶部与所述洁净风室导通，所述洁净风室的底部设有与所述内胆内部相通的风室出风口，所述冷凝区的底部设有冷凝水出口。这样，3d打印机成型室在工作时，风机就可以将内胆内部的空气抽入到冷凝区，空气中的水蒸气在冷凝区被冷凝液化，经过冷凝后的空气从冷凝区顶部进入到洁净风室，过滤一定粒度直径的灰尘和细菌，最后洁净后的空气从风室出风口回到内胆内部，完成循环。在这过程中，在冷凝区液化的冷凝水在风机循环风力的作用下被集中在冷凝区的底部，然后通过冷凝水出口排出，从而避免冷凝水凝聚在成型室壁面后下落造成电气元件短路或腐蚀箱体的情况。如果直接通过冷凝水出口排到外界环境中会浪费冷凝区产生的冷量，因此，可以直接在冷凝水出口上连接管路，利用管路接入散热系统冷却液水箱中，用于降低冷却液的温度。

进一步的，所述冷凝区内设有制冷器，所述制冷器靠近内胆侧壁的一侧横向设有用于保证冷凝水顺利滑落的第一流道，所述第一流道与水平线成一定夹角α设置，ɑ角的选择以保证冷凝水在自然状态下获得最大的滑落速度的数值，同时ɑ角不至于引起内循环风力过大风阻为准，优选的，所述夹角α的范围为5~60°。这样，就可以避免冷凝水长期积聚在制冷器表面发生霜化并结冰，结冰后的制冷器表面热交换系数受到严重影响而引起成型室温度上升或跳变。所述制冷器底部设有用于盛接从所述第一流道滑落的冷凝水的第二流道。所述第二流道为托板型流道，第二流道与水平线成一定夹角α设置，所述冷凝水出口设在所述外壳上与所述第二流道最低端对应的位置。这样，第一流道的倾斜角可以使得冷凝水在自然状态下沿着第一流道顺利滑落，同时冷凝水可以借助风机循环风力加速落下。由于第一流道下方设置了托板型第二流道，第二流道同样保持与水平线成ɑ夹角，从而使得从第一流道滑落的冷凝水可以沿着第二流道被收集到底端一角。

进一步的，所述循环风道结构还包括风力缓冲区，所述风机的出风口连通所述风力缓冲区，所述风力缓冲区与风机的出风口相邻的一侧与冷凝区相通，其中，冷凝区中第一流道较高的一端靠近所述风力缓冲区。

进一步的，所述风力缓冲区与所述冷凝区相通的一侧设有与所述第一流道垂直的隔板，所述隔板上设有若干均布的通风孔。风机吹出的风为柱状，无法完全覆盖制冷器的表面，因此风机出风口和冷凝区之间设置了风力缓冲区，风力缓冲区与冷凝区之间的隔板与第一流道垂直，使得整个风力缓冲区呈倒梯形构造，隔板上设置了均布的通风孔，通风孔阵列布满整个隔板，风机把从内胆抽入的空气竖直向上吹入风力缓冲区并在风力缓冲区积聚产生风压，之后在风压的作用下沿水平方向隔板流动并均匀的通过隔板上的若干个通风孔，由此，柱状风被转化为均匀的面状风并覆盖所有制冷器表面。

进一步的，所述制冷器包括多组并列设置的制冷器本体单元，以增加接触面积，提高成型室内胆空气与制冷器的热交换效率，所述制冷器上设有半导体制冷片，所述半导体制冷片的冷端涂抹导热硅脂并贴附于制冷器一侧表面上。半导体制冷片给制冷器提供冷源，制冷器表面积较大，有助于成型室内胆中的空气在此发生热交换。

进一步的，所述洁净风室的底壁上与所述冷凝区顶部对应的位置设有与冷凝区导通的风室进风口，所述洁净风室的风室出风口上设有滤芯。滤芯可以过滤一定粒度直径的灰尘和细菌，以保证成型室内胆内部环境的洁净度。

进一步的，所述外壳和内胆的前侧壁上设有开放区域，以保证打印前进行微调和打印后取出打印的模型，所述风室出风口的横向尺寸不小于所述开放区域的横向尺寸。由于外壳和内胆的前侧壁设有开放区域，外界细菌灰尘容易进入成型室内胆，因此将风室出风口横向尺寸设计成不小于内胆前端开放区域的横向尺寸，并使洁净风室中的风可沿着风室出风口竖直向下推送，这样，当循环风道结构工作时，可在开放区域内形成风幕，屏蔽外界细菌和灰尘进入成型室内胆，同时风幕还可降低成型室与外界发生的热交换效率。优选的，所述滤芯设在内胆顶部靠近所述开放区域的位置，可以通过滤芯保证洁净风室中的风沿着风室出风口竖直向下，保证风幕的有效性，即该风幕的横截面尺寸与风室出风口上滤芯底面的尺寸一致，也就是说滤芯底面所覆盖的区域下方均产生有风幕。

进一步的，所述外壳和内胆之间填充有保温棉，所述内胆的顶壁上设有紫外杀菌灯。保温棉可以减少成型室与外界环境的热交换；紫外杀菌灯可以进行内胆内部灭菌处理，进一步的保证成型室内胆内部环境的洁净度。

进一步的，该成型室的侧壁上设有贯通所述内胆内部和外界的线缆接口，线缆接口用于保证内胆内的运动平台与上位机之间的正常通讯。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明将设有制冷器的冷凝区设置在成型室内胆外相对独立的空间，冷凝区作为冷凝水主要形成区被隔离且设计了便于排液的第一流道和第二流道，将成型室内胆中的湿气汇集在此进行冷凝并利用风力内循环及时吹离制冷器，避免冷凝水冻结，制冷器表面无结冰现象从而使得制冷器热交换效率不会下降，成型室内胆的内壁壁面无冷凝水积聚和滴落现象。

2.本发明在冷凝区的底部设置了冷凝水出口，冷凝水可以被收集利用，不存在制冷器的制冷量由于外排冷凝水而浪费的现象，重新利用的冷凝水又可以降低冷却水箱中冷却液的温度。

3.本发明设置了风力缓冲区，风力缓冲区将风机出风口吹出的柱状风被转化为均匀的面状风并覆盖所有制冷器表面，制冷器表面风量均匀，强制对流覆盖区域广泛，无强制对流盲区以及自然对流区，制冷器热交换效率高。

4.本发明的洁净风室的风室出风口的横向尺寸不小于成型室开放区域的横向尺寸，且风可沿着风室出风口竖直向下推送形成风幕，阻挡外界灰尘微生物进入并防止内外产生热交换，维持成型室内部空间温度不变。

5.本发明在洁净风室的的风室出风口设置了滤芯，在成型室内胆内部设置了紫外杀菌灯，可以保证内胆内部处于无菌无尘环境，避免细胞受到成型室内部封闭环境的污染。

6.本发明采用半导体制冷片作为制冷器的冷源，制冷高效，温度恒定，并在外壳和内胆之间填充保温棉，使得成型室内胆内部独立空间温度可控且一致性好。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明循环风道结构的内部结构示意图。

图3是本发明风力缓冲区和冷凝区的结构示意图。

图4是本发明洁净风室的结构示意图。

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。

如图1到图3所示，一种具有循环风道结构的3d打印机成型室，其中，包括外壳1和设在所述外壳1内的内胆2，所述外壳1和内胆2侧壁之间设有循环风道结构，所述循环风道结构包括风机3和冷凝区5，以及设在所述内胆2顶部与外壳1之间的洁净风室6，洁净风室6同时承担了内胆2上壁的作用，所述风机3的进风口设在内胆2后壁的左下角，与所述内胆2内部连通，出风口与所述冷凝区5导通，所述冷凝区5顶部与所述洁净风室6导通，所述洁净风室6的底部设有与所述内胆2内部相通的风室出风口7，所述冷凝区5的底部设有冷凝水出口8。这样，3d打印机成型室在工作时，风机3就可以将内胆2内部的空气抽入到冷凝区5，空气中的水蒸气在冷凝区5被冷凝液化，经过冷凝后的空气从冷凝区5顶部进入到洁净风室6，过滤一定粒度直径的灰尘和细菌，最后洁净后的空气从风室出风口7回到内胆2内部，完成循环。在这过程中，在冷凝区5液化的冷凝水可在风机3循环风力的作用下被集中在冷凝区5的底部，然后通过冷凝水出口8排出，从而避免冷凝水凝聚在成型室壁面后下落造成电气元件短路或腐蚀箱体的情况。

考虑到在冷凝区5产生的冷凝水的温度接近制冷器9表面的温度，如果直接通过冷凝水出口8排到外界环境中会浪费冷凝区5产生的冷量，因此，本发明的一个实施例中，可以直接在冷凝水出口8上连接管路，利用管路接入散热系统冷却液水箱中，用于降低冷却液的温度，实现冷凝水的二次利用。

如图2和图3所示，所述冷凝区5内设有制冷器9，所述制冷器9靠近内胆2侧壁的一侧横向设有用于保证冷凝水顺利滑落的第一流道10，所述第一流道10与水平线成一定夹角α设置，ɑ角的选择以保证冷凝水在自然状态下获得最大的滑落速度的数值，同时ɑ角不至于引起内循环风力过大风阻为准，优选的，所述夹角α的范围为5~60°。这样，就可以避免冷凝水长期积聚在制冷器9表面发生霜化并结冰，结冰后的制冷器9表面热交换系数受到严重影响而引起成型室温度上升或跳变。所述制冷器9底部设有用于盛接从所述第一流道10滑落的冷凝水的第二流道11。所述第二流道11为托板型流道，第二流道11与水平线成一定夹角α设置，所述冷凝水出口8设在所述外壳1上与所述第二流道11最低端对应的位置，可以及时导流从第一流道10滑落的冷凝水，防止冷凝水再次蒸发。这样，第一流道10的倾斜角可以使得冷凝水在自然状态下沿着第一流道10顺利滑落，同时冷凝水可以借助风机3循环风力加速落下。由于第一流道10下方设置了托板型第二流道11，第二流道11同样保持与水平线成ɑ夹角，从而使得从第一流道10滑落的冷凝水可以沿着第二流道11被收集到底端一角，然后通过冷凝水出口8排出。

如图2和图3所示，所述循环风道结构还包括风力缓冲区4，所述风机3的出风口连通所述风力缓冲区4，所述风力缓冲区4与风机3的出风口相邻的一侧与冷凝区5相通，其中，冷凝区5中第一流道10较高的一端靠近所述风力缓冲区4。

如图2和图3所示，所述风力缓冲区4与所述冷凝区5相通的一侧设有与所述第一流道10垂直的隔板12，所述隔板12上设有若干均布的通风孔。风机3吹出的风为柱状，无法完全覆盖制冷器9的表面，因此风机3出风口和冷凝区5之间设置了风力缓冲区4，风力缓冲区4与冷凝区5之间的隔板12与第一流道10垂直，使得整个风力缓冲区4呈倒梯形构造，其中，风力缓冲区4和风机3的出风口连通的一侧与设有隔板12的一侧为倒梯形相邻的两个边，以此来保证循环风首选充满整个风力缓冲区。所述隔板12上设置了均布的通风孔，通风孔阵列布满整个隔板12，风机3把从内胆2中抽入的空气竖直向上吹入风力缓冲区4并在风力缓冲区4积聚产生风压，之后在风压的作用下沿水平方向隔板12流动并均匀的通过隔板12上的若干个通风孔，由此，柱状风被转化为均匀的面状风并覆盖所有制冷器9表面。

如图2和图3所示，所述制冷器9包括多组并列设置的制冷器9本体单元，以增加接触面积，提高成型室内胆2空气与制冷器9的热交换效率，所述制冷器9上设有半导体制冷片，所述半导体制冷片的冷端涂抹导热硅脂并贴附于制冷器9一侧表面上。半导体制冷片给制冷器9提供冷源，制冷器9表面积较大，有助于成型室内胆2中的空气在此发生热交换。本发明的一个实施例中，所述制冷器9表面贴有隔热棉，使得水蒸气不会凝聚在制冷器表面，而低温会被传导至第一流道，因此，水蒸气会在第一流道10的流道壁凝聚产生冷凝水，进而从第一流道10中滑落。

如图4所示，所述洁净风室6的底壁上与所述冷凝区5顶部对应的位置设有风室进风口13，所述洁净风室6的风室出风口7上设有滤芯14。滤芯14可以过滤一定粒度直径的灰尘和细菌，以保证成型室内胆2内部环境的洁净度。

如图1到图4所示，所述外壳1和内胆2的前侧壁上设有开放区域，以保证打印前进行微调和打印后取出打印的模型，所述风室出风口7的横向尺寸不小于所述开放区域的横向尺寸。由于外壳1和内胆2的前端为开放区域，外界细菌灰尘容易进入成型室内胆2，因此将风室出风口7横向尺寸设计成不小于内胆2前端开放区域的横向尺寸，并使洁净风室6中的风可沿着风室出风口7竖直向下推送，这样，当循环风道结构工作时，便在开放区域内形成风幕，屏蔽外界细菌和灰尘进入成型室内胆2，同时风幕降低成型室与外界发生的热交换效率。

本发明的一个实施例中，所述滤芯14设在内胆顶部靠近所述开放区域的位置，通过滤芯保证洁净风室6中的风沿着风室出风口7竖直向下，保证风幕的有效性，即该风幕的横截面尺寸与风室出风口上滤芯14底面的尺寸一致，也就是说滤芯14底面所覆盖的区域下方均产生有风幕。

本实施例中，所述外壳1和内胆2之间填充有保温棉，所述内胆2的顶壁上设有紫外杀菌灯。保温棉可以减少成型室与外界环境的热交换；紫外杀菌灯可以进行内胆2内部灭菌处理，进一步的保证成型室内胆2内部环境的洁净度。

如图1所示，该成型室的侧壁上设有贯通所述内胆2内部和外界的线缆接口15，线缆接口15用于保证内胆内的运动平台与上位机之间的正常通讯。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。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。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。