一种3D打印喷头自动切换装置及其控制方法及3D打印机与流程

本发明涉及3d打印设备技术领域，更具体地，涉及一种3d打印喷头自动切换装置及其控制方法及3d打印机。

背景技术：

为了满足构建软组织和内脏器官时对多种细胞和材料的打印要求，需要开发一种适用于多材料成形的喷头系统。多材料成形喷头系统一般采用多个喷头并行安装在同一高度，每个喷头可以处理一种材料或细胞，打印过程中一般只允许一个喷头处于工作状态，因此，处在相同高度处的其他喷就可能对工作喷头的工作台面产生碰撞干涉，为了解决这一问题，韩国浦项大学开发的多喷头组织器官制造系统，集成了六组独立工作的喷头，每组喷头可以打印不同生物材料，在工作中为了区分喷头之间的工作状态和待命状态，其为每组喷头配置了一个驱动电机，通过电机驱动喷头向工作台面移动一定距离以完成喷头由待命状态向工作状态的转换，从而避免了处于同一平面上的各组喷头与工作台面之间的碰撞干涉。但由于该方法需要为每组喷头配置一个驱动电机，从而使得整个系统过分复杂沉重；杭州汉卓机电科技有限公司张斌等人利用气动开启阀的方式驱动嵌入式喷头下移行程工作状态，该方法降低了系统喷头部分的复杂程度，在控制方法上比较容易实现，但是气压驱动对喷头密封部件的要求较高，并且需要外加气源设备。

技术实现要素：

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种3d打印喷头自动切换装置。本发明以一种电磁驱动配合阻尼器的方式实现了3d打印喷头在打印过程中工作状态与待命状态之间的互换，从而避免了多喷头之间的干涉以及喷头与工作台面之间的干涉现象。

本发明的另一目的在于提供所述3d打印喷头自动切换装置的控制方法。

本发明的第三个目的在于提供一种具有上述3d打印喷头自动切换装置的3d打印机。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种3d打印喷头自动切换装置，其中，包括基座、至少两个3d打印喷头和至少两个用于支撑所述3d打印喷头的喷头保持架，所述基座设有与所述喷头保持架数量相对应的直线导轨，所述各喷头保持架对应设在所述各直线导轨上，所述各直线导轨上下两端与对应的喷头保持架相对应的位置分别设有第一电磁铁和第二电磁铁，所述喷头保持架能在所述对应的第一电磁铁和第二电磁铁的作用下沿所述直线导轨来回滑动实现3d打印喷头的切换。

在模型打印以及各种软组织、器官打印过程中会涉及多种材料甚至细胞的复合交替打印，因此，打印机一般配有相应数目的打印头，打印过程中同一时间段内只允许有一个喷头处于工作状态，其余喷头处于待命状态。由于喷头安装位置较固定且喷头在整个打印过程中需要在工作状态和待命状态下相互切换。而我们最终关注的只是工作状态和待命状态，对于工作状态和待命状态之间的状态，我们只需要控制保持该状态的时间即可。电机虽然能满足上述要求，但电机对工作状态和待命状态之间的任意位置控制功能相对于我们的需求是冗余性功能，冗余功能的引入会造成系统的不稳定性和复杂程度。本发明利用第一电磁铁和第二电磁铁的配合来完成3d打印喷头工作状态和待命状态的切换控制，第一电磁铁和第二电磁铁分别位于3d打印喷头切换状态所需行程的两端极限位置处，3d打印喷头固定在喷头保持架上，喷头保持架由可被磁铁吸合的材质制成，当第一电磁铁上电时3d打印喷头被吸合至待命状态，当第二电磁铁上电时，喷头被吸合至工作状态。第一电磁铁和第二电磁铁不会同时上电以保证喷头在同一时间内只能保持在一种状态。

进一步的，所述基座上还设有与所述喷头保持架数量相对应的阻尼器，所述直线导轨上设有滑块，所述喷头保持架设在所述滑块上，所述阻尼器通过连杆与所述滑块连接。3d打印喷头和直线导轨多为垂直布置，由于3d打印喷头自重的原因，理论上3d打印喷头由待命状态切换至工作状态时会存在自由下落，从而导致3d打印喷头与第二电磁铁的碰撞冲击，不必要的冲击会降低第二电磁铁的使用寿命并且造成整套设备产生异响。本发明中，设置在基座上的阻尼器则可以克服上述现象，使3d打印喷头以均匀速度在直线导轨上滑动。

进一步的，所述各第一电磁铁和所述各第二电磁铁均相互独立控制。由于各第一电磁铁和各第二电磁铁可分别独立控制，当一个3d打印喷头在由工作状态切换至待命状态时可以允许另一个3d打印喷头同时进行由待命状态切换至工作状态的动作，从而大大缩短了喷头切换时间，提高打印体中细胞的成活率。

进一步的，所述第一电磁铁上电后的吸力大于所述第二电磁铁上电后的吸力。这样就可以克服3d打印喷头的自重。

进一步的，本发明中，所述3d打印喷头能够两组或两组以上同时进行切换，提高了切换和打印的效率。

本发明还提供一种3d打印喷头自动切换装置的控制方法，其中，包括如下步骤：

s1.3d打印开始前，选择与所用的打印材料或细胞相适配的3d打印喷头，利用螺钉固定的方式将3d打印喷头安装到喷头保持架上；

s2.给3d打印设备上电，第一电磁铁上电，第一电磁铁吸合所有喷头至直线导轨最上端，各3d打印喷头的喷头针尖处于相同高度，所有3d打印喷头为待命状态，至此，3d打印设备打印预准备完成；

s3.打印开始时，3d打印设备控制系统根据模型分析后不同切片中各点材料的不同为每个3d打印喷头分配对应的打印任务指令；

s4.各3d打印喷头按照步骤s3中得到的指令进行从待命状态到工作状态的切换，进而完成复杂模型、组织或器官的打印；

s5.每个3d打印喷头完成其对应的打印任务指令后，均由工作状态切换到待命状态，等待新的打印指令。

进一步的，所述步骤s4中，3d打印喷头从待命状态切换到工作状态的过程如下：当打印任务指令传递到对应的3d打印喷头执行时，3d打印设备的控制系统会产生特定动作信号，该特定动作信号使对应的第一电磁铁断电，同时使对应的第二电磁铁上电，第一电磁铁断电后释放喷头保持架，第二电磁铁上电后产生吸力，吸合喷头保持架沿对应的直线导轨向下移动，当喷头保持架沿直线导轨移动到极限位置时，喷头保持架下端与第二电磁铁贴合，3d打印喷头完成由待命状态至工作状态的切换，之后3d打印喷头的针尖部分靠近工作台面4并开始打印。当某一3d打印喷头所承载的材料或细胞在工作状态时，其对应的第一电磁铁一直处于掉电状态，其对应的第二电磁铁一直处于上电状态，通过这样的控制方式可以保证该3d打印喷头稳定在理想的位置高度。

进一步的，所述步骤s4中，第二电磁铁上电后产生吸力，吸合喷头保持架沿对应的直线导轨向下移动的过程中，在阻尼器的作用下，喷头保持架连同3d打印喷头以一定速度均匀下移，保证了喷头保持架下端与第二电磁铁贴合时不会产生大的碰撞冲击。

进一步的，所述步骤s5中，3d打印喷头从工作状态切换到待命状态的过程如下：3d打印喷头执行完控制系统分配的指令后，需要由工作状态切换至待命状态，此时，第二电磁铁掉电失去吸合力，第一电磁铁上电恢复吸合力，喷头保持架连同3d打印喷头向上移动至喷头保持架上端与第一电磁铁下端贴合，完成状态切换。

本发明还提供一种3d打印机，其中，包括上述3d打印喷头自动切换装置。所述3d打印机可以是生物3d打印机。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明通过第一电磁铁、第二电磁铁、直线导轨、喷头保持架以及阻尼器的相互配合可以完成整套3d打印喷头在工作状态和待命状态之间的稳定、快速切换，从而避免了待命状态下的3d打印喷头对工作台面的干涉，降低了多材料或细胞的3d打印喷头系统的复杂程度。

附图说明

图1是本发明未安装3d打印喷头时的结构示意图。

图2是本发明安装了3d打印喷头后的结构示意图。

图3是3d打印喷头在工作状态下与待命状态下的相对位置示意图。

图4是本发明直线导轨的结构示意图。

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。

实施例1

如图1到图3所示，一种3d打印喷头7自动切换装置，其中，包括基座1、三个3d打印喷头7和三个用于支撑3d打印喷头7的喷头保持架2，所述基座1设有与所述喷头保持架2数量相对应的直线导轨3，所述各喷头保持架2对应设在所述各直线导轨3上，所述各直线导轨3上下两端与对应的喷头保持架2相对应的位置分别设有第一电磁铁4和第二电磁铁5，所述喷头保持架2能在所述对应的第一电磁铁4和第二电磁铁5的作用下沿所述直线导轨3来回滑动实现3d打印喷头7的切换。

在模型打印以及各种软组织、器官打印过程中会涉及多种材料甚至细胞的复合交替打印，因此，打印机一般配有相应数目的打印头，打印过程中同一时间段内只允许有一个喷头处于工作状态，其余喷头处于待命状态。由于喷头安装位置较固定且喷头在整个打印过程中需要在工作状态和待命状态下相互切换。而我们最终关注的只是工作状态和待命状态，对于工作状态和待命状态之间的状态，我们只需要控制保持该状态的时间即可。电机虽然能满足上述要求，但电机对工作状态和待命状态之间的任意位置控制功能相对于我们的需求是冗余性功能，冗余功能的引入会造成系统的不稳定性和复杂程度。本发明利用第一电磁铁4和第二电磁铁5的配合来完成3d打印喷头7工作状态和待命状态的切换控制，第一电磁铁4和第二电磁铁5分别位于3d打印喷头7切换状态所需行程的两端极限位置处，3d打印喷头7固定在喷头保持架2上，喷头保持架2由可被磁铁吸合的材质制成，当第一电磁铁4上电时3d打印喷头7被吸合至待命状态，当第二电磁铁5上电时，喷头被吸合至工作状态。第一电磁铁4和第二电磁铁5不会同时上电以保证喷头在同一时间内只能保持在一种状态。

如图1到图4所示，所述基座1上还设有与所述喷头保持架2数量相对应的阻尼器6，所述直线导轨3上设有滑块31，所述喷头保持架2设在所述滑块31上，所述阻尼器6通过连杆61与所述滑块31连接。3d打印喷头7和直线导轨3多为垂直布置，由于3d打印喷头7自重的原因，理论上3d打印喷头7由待命状态切换至工作状态时会存在自由下落，从而导致3d打印喷头7与第二电磁铁5的碰撞冲击，不必要的冲击会降低第二电磁铁5的使用寿命并且造成整套设备产生异响。本发明中，设置在基座1上的阻尼器6则可以克服上述现象，使3d打印喷头7以均匀速度在直线导轨3上滑动。

本实施例中，所述各第一电磁铁4和所述各第二电磁铁5均相互独立控制。由于各第一电磁铁4和各第二电磁铁5可分别独立控制，当一个3d打印喷头7在由工作状态切换至待命状态时可以允许另一个3d打印喷头7同时进行由待命状态切换至工作状态的动作，从而大大缩短了喷头切换时间，提高打印体中细胞的成活率。

本实施例中，所述第一电磁铁4上电后的吸力大于所述第二电磁铁5上电后的吸力。这样就可以克服3d打印喷头7的自重。

本实施例中，所述3d打印喷头7能够两组或两组以上同时进行切换。提高了喷头切换和打印的效率。

实施例2

本实施例为实施例1所述的一种3d打印喷头自动切换装置的控制方法，其中，包括如下步骤：

s1.3d打印开始前，选择与所用的打印材料或细胞相适配的3d打印喷头7，利用螺钉固定的方式将3d打印喷头7安装到喷头保持架2上；

s2.给3d打印设备上电，第一电磁铁4上电，第一电磁铁4吸合所有喷头至直线导轨3最上端，各3d打印喷头7的喷头针尖处于相同高度，所有3d打印喷头7为待命状态，至此，3d打印设备打印预准备完成；

s3.打印开始时，3d打印设备控制系统根据模型分析后不同切片中各点材料的不同为每个3d打印喷头7分配对应的打印任务指令；

s4.各3d打印喷头7按照步骤s3中得到的指令进行从待命状态到工作状态的切换，进而完成复杂模型、组织或器官的打印；

s5.每个3d打印喷头7完成其对应的打印任务指令后，均由工作状态切换到待命状态，等待新的打印指令。

本实施例中，所述步骤s4中，3d打印喷头7从待命状态切换到工作状态的过程如下：当打印任务指令传递到对应的3d打印喷头7执行时，3d打印设备的控制系统会产生特定动作信号，该特定动作信号使对应的第一电磁铁4断电，同时使对应的第二电磁铁5上电，第一电磁铁4断电后释放喷头保持架2，第二电磁铁5上电后产生吸力，吸合喷头保持架2沿对应的直线导轨3向下移动，当喷头保持架2沿直线导轨3移动到极限位置时，喷头保持架2下端与第二电磁铁5贴合，3d打印喷头7完成由待命状态至工作状态的切换，之后3d打印喷头7的针尖部分靠近工作台面8并开始打印。当某一3d打印喷头7所承载的材料或细胞在工作状态时，其对应的第一电磁铁4一直处于掉电状态，其对应的第二电磁铁5一直处于上电状态，通过这样的控制方式可以保证该3d打印喷头7稳定在理想的位置高度。

本实施例中，所述步骤s4中，第二电磁铁5上电后产生吸力，吸合喷头保持架2沿对应的直线导轨3向下移动的过程中，在阻尼器6的作用下，喷头保持架2连同3d打印喷头7以一定速度均匀下移，保证了喷头保持架2下端与第二电磁铁5贴合时不会产生大的碰撞冲击。

本实施例中，所述步骤s5中，3d打印喷头7从工作状态切换到待命状态的过程如下：3d打印喷头7执行完控制系统分配的指令后，需要由工作状态切换至待命状态，此时，第二电磁铁5掉电失去吸合力，第一电磁铁4上电恢复吸合力，喷头保持架2连同3d打印喷头7向上移动至喷头保持架2上端与第一电磁铁4下端贴合，完成状态切换。

实施例3

一种3d打印机，其中，包括实施例1所述的3d打印喷头自动切换装置，该3d打印喷头自动切换装置在3d打印过程中采用实施例2所述的控制方法来实现3d打印喷头7的切换。

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。