一种适用于生物3D打印机的多喷头无干涉切换装置及方法与流程

本发明属于生物3d打印相关技术领域，更具体地，涉及一种适用于生物3d打印机的多喷头无干涉切换装置及方法。

背景技术：

组织工程的迅速发展，对生物3d打印设备的性能日益提出了更高的技术要求。目前市场上的生物3d打印设备，其基本构造基本类似于其他领域的常规喷印设备，已经无法很好地满足现阶段组织工程对仿生结构的要求。

更具体而言，现有技术的生物3d打印设备主要具备以下的技术缺陷：其一，由于机械机构本身的限制，主流设备中通常只配备了单喷头或双喷头，相应严重限制了生物打印材料的数量；其二，即便实验室自主研发了一些更多喷头的生物3d打印机，这类设备中容易产生喷头之间相互干涉的问题，并直接影响到打印精度甚至造成打印故障；最后，现有设备中对于如何实现多层次、多材质及多样化的生物仿生结构3d打印，仍缺乏足够的深入研究及针对性设计。相应地，本领域亟需对此作出进一步的改进，以便更好地符合生物3d打印这一特定应用场合的更高性能需求。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于生物3d打印机的多喷头无干涉切换装置及方法，其中通过对此装置的内部构造及空间布局等重新进行设计，并对切换控制工艺也作出针对性优化，相应与现有技术相比，能够更好地满足仿生结构之类生物3d打印的特定工艺需求，尤其是可在整个打印过程中能够确保多个喷头彼此之间无干涉，能执行z轴方向更高精度的精细调节，进而实现多层次、多材质和多梯度的生物模型打印效果。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种适用于生物3d打印机的多喷头无干涉切换装置，其特征在于，该多喷头无干涉切换装置包括背板(7)以及整体设置于该背板(7)上的喷头支座(11)、模块化喷头、双向滚珠丝杆(4)、丝杆螺母(3)和步进电机(1)，其中：

所述背板(7)竖直安装在生物3d打印机上，并通过生物3d打印机自身配置的xyz轴运动机构，带动该背板以及设置其上的其他组件一同执行xyz三轴方向上的直线运动；

所述喷头支座(11)连同直线导轨(10)设置在所述背板(7)上，该喷头支座(11)上同时可拆卸地安装有4个以上的所述模块化喷头；

所述双向滚珠丝杆(4)的数量为2个，它们保持对置地竖直安装在所述背板(7)上，所述丝杆螺母(3)对应安装在各个双向滚珠丝杆(4)上，然后各自通过喷头连接件(9)与所述喷头支座(11)固定联接，所述双向滚珠丝杆(4)的上端则分别通过联轴器(2)与对应的所述步进电机(1)保持相连；

当所述步进电机(1)启动时，带动所述双向滚珠丝杆(4)同时发生转动，使得所述丝杆螺母(3)分别往相同或相反的方向运动，由此通过所述喷头连接件(9)带动所述喷头支座(11)连同安装其上的所有所述模块化喷头一同沿着所述直线导轨(10)在z轴方向上做进一步的独立运动。

通过以上构思，本发明所提供的以上装置不仅可执行xyz三轴的运动以定位达到所需的空间位置，而且还使得多个喷头均可以执行z轴方向的进一步精细化调整，让喷头控制更为精确且打印效果更高；与此同时，本发明的切换装置能够确保4个以上的模块化喷头都可以自由独立地在z轴方向上进行运动调整，有效避免了喷头与打印模型以及喷头与喷头之间发生干涉，相应从更大的调节量程及更高的调节精度方面实现了生物材料的3维打印工作，因而能够更好地满足仿生结构之类生物3d打印的特定工艺需求，并实现多层次、多材质和多梯度的生物模型打印效果。

作为进一步优选地，所述背板(7)优选采用螺钉可拆卸地安装在生物3d打印机上。

作为进一步优选地，所述模块化喷头分别承载有相同或不同生物打印材料，并且优选配置设计为5ml和10ml的不同规格。

作为进一步优选地，各个所述模块化喷头优选设计为可沿着z轴方向独立运动，并分别用于对料筒执行生物材料的挤出打印。

作为进一步优选地，所述双向滚珠丝杆(4)的长度优选设计为：可保证所有的所述模块化喷头在执行3d打印时于z轴方向上存在高度差。

作为进一步优选地，所述打印材料优选为生物仿生结构。

按照本发明的另一方面，还提供了相应的多喷头无干涉打印方法，其特征在于，该方法包括：

(a)根据待打印的生物模型，配置所需的打印材料并分别装入各个所述模块化喷头中；然后再将各个模块化喷头安装到对应的所述喷头支座上，并通过螺钉进行固定；

(b)将生物模型在z轴方向上进行切片处理，将每一片模型依次编号为一层，并生成对应的打印路径；

(c)将所述背板及设置其上的其他组件一起移动到所需的空间位置，此时所有的所述模块化喷头均距离承印基板具备合适的第一高度；

(d)依照所述打印路径首先调用装有第一层打印材料的所述模块化喷头，通过所述步进电机带动所述双向滚珠丝杆发生转动，所述丝杆螺母再通过所述喷头连接件带动所述喷头支座、连同装有第一层打印材料的所述模块化喷头一同执行z轴独立切换运动，从而进一步使得此模块化喷头下降到第二高度，在此过程中其他的模块化喷头保持不动,然后执行对第一层的生物模型打印；第一层的生物模型打印完毕后，装有第一层打印材料的所述模块化喷头被上升，并恢复到初始位置；

(e)按照步骤(d)的上述方式，继续依次调用装有其他层打印材料的所述模块化喷头来完成其他各层的打印，直到完成所有的生物模型3d打印过程；相应地，不仅确保了被调用的模块化喷头与未被调用的模块化喷头在z轴方向上始终存在高度差，而且有助于提高最终的打印精度。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、本发明通过对多喷头无干涉切换装置的整体构造组成及空间布局等方面重新进行了研究设计，并对其多个关键组件的设置方式和工作机理进行专门改进，相应能够使得即便在4个以上的喷头工况下，仍然能够确保每个喷头都可以自由独立地执行z轴方向上的精细位置调节，不仅有效避免了喷头与打印模型以及喷头与喷头之间的干涉，而且还有助于进一步提高生物模型的3d打印精度；

2、本发明的上述装置可使得每个喷头均能实现xyz三轴方向上的运动，而且在z轴方向上可获得更大量程和更高精度的位置调节，相应让多喷头的整体控制更为方便，打印效率和精度更高；

3、尤其是，本发明专门选择了双向滚珠丝杆装置进行喷头的z轴方向独立切换操作，相比其他运动副和切换构造而言，较多的实际测试表明，其能够实现更高的重复定位精度、机械误差更小，进而保证多喷头切换定位精度高，位移误差小，更适合高精度多喷头生物3d打印的特定应用场合，能够更好地满足生物、医学、组织工程等领域的3d打印需求；

4、本发明还对切换控制过程及相应的打印工艺作出了针对性的研究设计，相应可根据具体需求来自由决定和更换打印喷头的规格和数量，极大的方便了使用者的操作；此外，该切换装置能够将每一个喷头都使其成为一个独立的打印系统，由此不再受到目前常规打印结构本身的影响，同时便于单独更换和维修，这对于生物3d打印而言可显著提高打印效率，并极大地降低成本；

5、与现有的一些生物3d打印设备相比，本发明还能够更为方便、便于操控地实现多种不同材料的生物打印，进而实现组织工程中涉及多材质、多层次及多梯度等多方面的工艺特性，因而尤其适用于仿生结构之类的之类生物3d打印的特定工艺需求。

附图说明

图1是按照本发明所构建的一种适用于生物3d打印机的多喷头无干涉切换装置的整体结构立体图；

图2是图1中所示多喷头无干涉切换装置的结构正视图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1：步进电机；2：联轴器；3：丝杆螺母；4：双向滚珠丝杆；5：5ml的第一模块化喷头；6：10ml的第二模块化喷头；7：背板；8：轴承座；9：喷头连接件；10：直线导轨；11-喷头支座

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明所构建的一种适用于生物3d打印机的多喷头无干涉切换装置的整体结构立体图，图2是图1中所示多喷头无干涉切换装置的结构正视图。如图1和图2中所示，该多喷头无干涉切换装置包括背板7以及整体设置于该背板7上的喷头支座11、模块化喷头、双向滚珠丝杆4、丝杆螺母3和步进电机1等，下面将逐一对其进行具体说明。

如图1所示，所述背板7譬如可直接通过螺钉而竖直安装在生物3d打印机上，并通过生物3d打印机自身配置的xyz轴运动机构，带动该背板以及设置其上的其他组件一同执行xyz三轴方向上的直线运动。

所述喷头支座11连同直线导轨10设置在所述背板7上，该喷头支座11上同时可拆卸地安装有4个以上的所述模块化喷头。

所述双向滚珠丝杆4的数量为2个，它们保持对置地竖直安装在所述背板7上，所述丝杆螺母3对应安装在各个双向滚珠丝杆4上，然后各自通过喷头连接件9与所述喷头支座11固定联接，所述双向滚珠丝杆4的上端则分别通过联轴器2与对应的所述步进电机1保持相连。

当所述步进电机1启动时，带动所述双向滚珠丝杆4同时发生转动，使得所述丝杆螺母3分别往相同或相反的方向运动，由此通过所述喷头连接件9带动所述喷头支座11连同安装其上的所有所述模块化喷头一同沿着所述直线导轨10在z轴方向上做进一步的独立运动。

下面将进一步具体解释按照本发明的上述装置的工作原理及工艺过程。

首先，在实际使用时，根据待打印的生物模型，配置所需的打印材料并分别装入各个所述模块化喷头中；然后再将各个模块化喷头安装到对应的所述喷头支座上，并通过螺钉进行固定；

接着，将生物模型在z轴方向上进行切片处理，将每一片模型依次编号为一层，并生成对应的打印路径；

接着，将所述背板及设置其上的其他组件一起移动到所需的空间位置，此时所有的所述模块化喷头均距离承印基板具备合适的第一高度；

接着，依照所述打印路径首先调用装有第一层打印材料的所述模块化喷头，通过所述步进电机带动所述双向滚珠丝杆发生转动，所述丝杆螺母再通过所述喷头连接件带动所述喷头支座、连同装有第一层打印材料的所述模块化喷头一同执行z轴独立切换运动，从而进一步使得此模块化喷头下降到第二高度，在此过程中其他的模块化喷头保持不动,然后执行对第一层的生物模型打印；第一层的生物模型打印完毕后，装有第一层打印材料的所述模块化喷头被上升，并恢复到初始位置；

接着，按照以上步骤的方式，继续依次调用装有其他层打印材料的所述模块化喷头来完成其他各层的打印，直到完成所有的生物模型3d打印过程；相应地，不仅确保了被调用的模块化喷头与未被调用的模块化喷头在z轴方向上始终存在高度差，而且有助于提高最终的打印精度。

下面结合具体应用场景，对本发明的实施做举例说明。

实施例1：每一层模型只由单一打印材料构成

步骤一：配置打印材料

根据模型组成成分，配置所需要的对应打印材料，在该实施例中，配置4份所需要的打印材料，按照用量需求和打印要求，分别装进2个5ml自制注射器针筒和2个10ml自制注射器针筒，再将2个5ml自制注射器针筒分别装进2个5ml模块化喷头，2个10ml自制注射器针筒分别装进2个10ml模块化喷头，再将4个模块化喷头装进4个模块化喷头支座中，两边用螺钉进行固定；

步骤二：生成打印路径

步骤a：将模型在z轴方向按照一定的厚度进行切片处理，每一片模型为一层，再将切片处理好的模型通过控制软件生成生物3d打印机打印系统可以识别的路径文件，该路径文件可以分别控制每一个模块化喷头的打印路径；

步骤b：整个背板通过控制软件一起下移，将4个模块化喷头下移到距离下沉积板合适高度，此时所有喷头距离下沉积板有一定合适高度，然后由得到的路径文件，装有第一层打印材料的模块化喷头首先被调用，通过控制软件的控制，被调用的模块化喷头通过相应的步进电机转动通过联轴器带动双向滚珠丝杆转动，进而带动丝杆螺母进行相向或者相反方向运动，丝杆螺母再通过喷头连接件带动模块化喷头支座与模块化喷头进行z轴独立切换运动，从而使得该被调用的模块化喷头和模块化喷头支座一起下降到合适的高度，此时其它3个模块化喷头没有被移动，然后按照路径文件进行3d打印。此时其它3个没有被路径文件调用的喷头没有在z轴方向移动，因此可以保证被调用的模块化喷头和没有被调用的模块化喷头在z轴上有高度差，从而保证没有干涉问题出现；

步骤c：当第一层模型被打印完成后，路径文件控制第一个被调用的喷头上升，直到上升到和其它3个模块化喷头一样的高度，也就是最开始的位置，此时路径文件再通过控制软件控制装有第二层打印材料的模块化喷头被调用，该被调用的模块化喷头和模块化喷头支座一起下降到合适的高度，按照路径文件进行打印，此时其它3个没有被路径文件调用的喷头没有在z轴方向移动，因此可以保证被调用的模块化喷头和没有被调用的模块化喷头在z轴上有高度差，从而保证没有干涉问题出现；

步骤d：按照此方式，模型打印每一层时，路径文件只需要调用装有该层打印材料的模块化喷头即可，直到最终打印结束，便可以打印出多材料、多层次、多梯度的生物组织支架；

实例2：每一层模型由多种打印材料构成

步骤一：配置打印材料

根据模型组成成分，配置所需要的对应打印材料，在该实施例中，配置4份所需要的打印材料，按照用量需求和打印要求，分别装进2个5ml自制注射器针筒和2个10ml自制注射器针筒，再将2个5ml自制注射器针筒分别装进2个5ml模块化喷头，2个10ml自制注射器针筒分别装进2个10ml模块化喷头，再将4个模块化喷头装进4个模块化喷头支座中，两边用螺钉进行固定；

步骤二：生成打印路径

步骤a：将模型在z轴方向按照一定的厚度进行切片处理，每一片模型为一层，再将切片处理好的模型通过控制软件生成生物3d打印机打印系统可以识别的路径文件，该路径文件可以分别控制每一个模块化喷头的打印路径；

步骤b：整个背板通过控制软件一起下移，将4个模块化喷头下移到距离下沉积板合适高度，此时所有喷头距离下沉积板有一定合适高度，然后由得到的路径文件，装有第一层模型打印材料的模块化喷头首先被调用，通过控制软件的控制，被调用的模块化喷头通过相应的步进电机转动通过联轴器带动双向滚珠丝杆转动，进而带动丝杆螺母进行相向或者相反方向运动，丝杆螺母再通过喷头连接件带动模块化喷头支座与模块化喷头进行z轴独立切换运动，从而使得该被调用的模块化喷头和模块化喷头支座一起下降到合适的高度，此时其它3个模块化喷头没有移动，然后按照路径文件进行3d打印，此时其它3个没有被路径文件调用的喷头没有在z轴方向移动，因此可以保证被调用的模块化喷头和没有被调用的模块化喷头在z轴上有高度差，从而保证没有干涉问题出现；

步骤c：当装有第一层模型第一种打印材料的模块化喷头完成路径文件的控制打印之后，路径文件控制第一个被调用的喷头上升，直到上升到和其它3个模块化喷头一样的高度，也就是最开始的位置，此时路径文件再通过控制软件控制装有第一层模型第二种打印材料的模块化喷头被调用，该被调用的模块化喷头和模块化喷头支座一起下降到合适的高度，按照路径文件进行打印，此时其它3个没有被路径文件调用的喷头没有在z轴方向移动，因此可以保证被调用的模块化喷头和没有被调用的模块化喷头在z轴上有高度差，从而保证没有干涉问题出现；

步骤d：当装有第一层模型第二种打印材料的模块化喷头完成路径文件的控制打印之后，路径文件控制第二个被调用的喷头上升，直到上升到和其它3个模块化喷头一样的高度，也就是最开始的位置，此时路径文件再通过控制软件控制装有第一层模型第三种打印材料的模块化喷头被调用，该被调用的模块化喷头和模块化喷头支座一起下降到合适的高度，按照路径文件进行打印，此时其它3个没有被路径文件调用的喷头没有在z轴方向移动，因此可以保证被调用的模块化喷头和没有被调用的模块化喷头在z轴上有高度差，从而保证没有干涉问题出现；

步骤e：当装有第一层模型第三种打印材料的模块化喷头完成路径文件的控制打印之后，路径文件控制第三个被调用的喷头上升，直到上升到和其它3个模块化喷头一样的高度，也就是最开始的位置，此时路径文件再通过控制软件控制装有第一层模型第四种打印材料的模块化喷头被调用，该被调用的模块化喷头和模块化喷头支座一起下降到合适的高度，按照路径文件进行打印，此时其它3个没有被路径文件调用的喷头没有在z轴方向移动，因此可以保证被调用的模块化喷头和没有被调用的模块化喷头在z轴上有高度差，从而保证没有干涉问题出现；

步骤f：照此方式，模型打印每一层时，路径文件只需要调用装有该层打印材料的模块化喷头即可，直到最终打印结束，便可以打印出多材料、多层次、多梯度、复杂结构的生物组织支架；

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。