一种生物3D打印机的压电喷头的制作方法

本实用新型涉及3D打印设备技术领域，更具体地，涉及一种生物3D打印机的压电喷头。

背景技术：

压电喷射是利用压电材料的逆压电原理，将电能转化为机械能并改变喷头腔内压力从而在喷嘴处形成液滴的一种技术，压电喷射按工作方式可分为连续式喷射和按需式喷射两种类型，连续式喷射是指喷头前端源源不断产生微液滴并利用后端的偏转电场和回收装置等实现对特定液滴的提取和放弃的一种喷射技术。按需式喷射技术则是根据特定控制控制信号的通断实现喷头的按需式喷射。常见的压电喷射以爱普生为代表在二维打印机上比较常见，无论在二维打印和3D打印的应用上喷嘴堵塞一直是一个难以克服的弊端。并且由于生物材料的粘度值较大，普通工业用压电喷头无法喷射粘度值超过20cps的生物材料。

技术实现要素：

本实用新型为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种生物3D打印机的压电喷头。本实用新型的压电喷头可以降低液体打印材料的流阻，降低能量损失，提高喷头的喷射能力。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种生物3D打印机的压电喷头，其中，包括喷头主体，所述喷头主体内部设有喷头内腔，所述喷头主体的顶部设有喷头压盖，所述喷头主体和喷头压盖之间设有压电驱动装置，所述喷头主体的底部可拆卸连接有与所述喷头内腔连通的喷嘴组件，所述喷头主体的侧壁上设有与所述喷头内腔连通的进料孔，所述喷头内腔呈倒锥形，所述喷头内腔的纵向截面的收敛角α介于60°~90°之间，所述喷嘴组件内部的流道为流线型，所述进料孔靠近所述喷头内腔的一端设有节流孔。进料孔可以实时为喷头内腔补充液体打印材料，以保证喷头内腔中无气泡，进而保证压电喷头的压电喷射行为连续产生微液滴；进料孔上的节流孔的孔径比较小，液体打印材料在经过节流孔时遇到的流阻会较大，从而降低进料孔对喷射压力的卸载作用。喷头内腔设置为倒锥形是为了提高压电喷头对大粘度液体打印材料的喷射能力，更好的控制喷头内腔内压力的流向，最大程度的减小压力损失并将所有压力聚焦到喷嘴组件处。由于压电驱动装置位于喷头主体的顶部，喷嘴位于喷头主体的底部，喷头内腔的顶部与底部之间的距离和所使用的圆形压电片的直径有关，为了缩短压力波的传导距离，将这个长度设置为压电片外径的1/2~1；喷嘴组件内部的流道为流线型能够最大程度的减小液体打印材料的流阻，喷嘴组件的长度与喷头内腔的顶部和底部之间的距离之和不超过压电驱动装置的外径，且在这个范围内越短越好。

进一步的，所述喷头压盖和喷头主体通过螺钉紧固连接，并通过密封圈将压电驱动装置压紧密封，以保证不会漏压。

进一步的，所述压电驱动装置为采用单层或双层压电陶瓷与单层金属膜片复合而成的压电驱动膜片。压电陶瓷是一种可以在电能和机械能之间相互转化的功能性材料，将机械能输入转化为电能输出称之为正压电效应，反之则称为逆压电效应，压电喷射就是利用了其逆压电效应。应用到压电喷射的压电陶瓷材料多为膜片状，当压电驱动膜片被特定波形的驱动信号驱动时就会产生特定方向的形变，把压电陶瓷复合到一层金属膜片上封装成压电驱动膜片，利用金属膜片把压电驱动膜片的形变量放大，可以提高压电驱动膜片的形变量。通过将压电驱动膜片安装到喷头主体上使得喷头内腔形成相对封闭的腔体，利用压电驱动膜片的瞬间形变在喷头内腔内形成周期性压力变化，从而推动喷头内腔内的液体打印材料产生周期性液滴微球。

进一步的，所述喷嘴组件包括喷嘴、喷嘴固定环和喷嘴螺母，所述喷头主体的底部设有喷嘴固定位，所述喷嘴固定位的内侧壁上设有螺纹，所述喷嘴固定环与所述喷嘴上部固定连接，所述喷嘴固定环置于所述喷嘴固定位中，所述喷嘴螺母从所述喷嘴下端套设在所述喷嘴上，所述喷嘴螺母与所述喷嘴固定位内侧壁上的螺纹配合将所述喷嘴固定环及喷嘴压紧密封。这样，就可以实现喷嘴的快速更换。

进一步的，所述喷嘴由玻璃材质制成，且所述喷嘴的内表面经过疏水处理，以便最大程度的减小液体打印材料的流阻。

进一步的，所述节流孔的深度为L，节流孔的孔径为d，所述节流孔的径深比d/L介于1/6~1/3之间。进料、补料时液体材料在背压力的推动下首先流经进料孔，然后通过节流孔进入到喷头腔内，在压电驱动膜片变形使得喷头内腔内产生正向喷射压力时，由于节流孔处的流阻较大，可以有效降低压力在此处的损失，从而使得压力更完整的传递至喷嘴处。

本实用新型还提供一种生物3D打印机的压电喷头的工作方法，其中，包括如下步骤：

S1. 开启生物3D打印机的电源，使得压电喷头处于待工作状态；

S2. 通过进料孔向喷头主体内部的喷头内腔中注入液体打印材料；

S3. 待喷头内腔中注满液体打印材料后，向压电驱动装置施加驱动波形信号；

S4. 在驱动波形信号的驱动下，压电驱动装置正向变形产生正向喷射压力，喷射压力推挤喷头内腔中的液体打印材料向下流动并突出喷嘴末端；

S5. 在驱动波形信号的驱动下，压电驱动装置回缩，喷头内腔中的压力下降并拉动液体打印材料反向流动，在压降和液体打印材料表面张力的作用下迫使步骤S4中突出喷嘴末端的液体打印材料产生颈缩并断裂形成椭球形液滴；

S6. 步骤S5中得到的椭球形液滴向下飞行，随着椭球形液滴继续飞行，在表面张力的作用下最终形成球形微液滴，最终落在打印平台上；

S7. 重复步骤S2到S6，直至打印作业完成。

本实用新型中，一个微液滴的产生过程就是喷头内腔内部压力在极短时间内由小变大再变小的过程。压力在由小变大的过程中，喷头内腔内的液体打印材料被推挤并向喷嘴处流动，压力达到最大值时，液体打印材料前端在喷嘴末端突出一定体积的液体打印材料，这部分液体打印材料具备一定的初速度并且与压力方向保持一致，当喷头内腔内的压力由大减小的过程中，突出喷嘴末端的液体打印材料开始产生颈缩，颈缩使得该部分液体打印材料与喷头内腔内的液体打印材料产生分离，分离后的液体打印材料在表面张力的作用下聚集成微液滴小球并以前一个过程中获得的初速度继续向前喷射。

优选的，所述步骤S3中，向压电驱动装置施加的驱动波形信号为矩形波。更优选的，所述步骤S3中，向压电驱动装置施加的驱动波形信号为梯形波。驱动波形信号需要设置的参数为幅值、脉宽、频率甚至是波形上升时间和下降时间，通过合理选择以上参数的参数值即可以完成对不同粘度生物材料进行不同频率的点阵喷射或连续堆积喷射。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

本实用新型在喷头主体内设置了倒锥形的喷头内腔，喷头主体上还设置了带节流孔的进料孔，喷头内腔底部设置了具有流线型流道的喷嘴。进料孔可以实时补料，避免了喷头内腔中产生气泡；倒锥形的喷头内腔可以提高压电喷头对大粘度液体打印材料的喷射能力，更好的控制喷头内腔内压力的流向，最大程度的减小压力损失并将所有压力聚焦到喷嘴处；具有流线型流道的喷嘴大大降低了液体的流阻；节流孔能够降低进料孔对喷头内腔中的喷射压力的卸载作用。可以用于较高粘度的生物材料的打印，有效防止喷头容易堵塞及产生气泡的问题。

本实用新型中设置的驱动装置为采用单层或双层压电陶瓷与单层金属膜片复合而成的压电驱动膜片，利用金属膜片把压电驱动膜片的形变量放大，可以提高压电驱动膜片的形变量，从而提高压电喷头的喷射能力。

本实用新型的压电喷头的喷射频率下限可达1Hz，可实现按需式喷射；压电喷头的驱动能力不受喷头温度变化的影响。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图。

图2是本实用新型的爆炸示意图。

图3是本实用新型的纵向剖面示意图。

图4是本实用新型中进料孔的结构示意图。

图5是本实用新型中驱动波形信号的波形示意图。

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，一种生物3D打印机的压电喷头，其中，包括喷头主体1，所述喷头主体1内部设有喷头内腔11，所述喷头主体1的顶部设有喷头压盖2，所述喷头主体1和喷头压盖2之间设有压电驱动装置3，所述喷头主体1的底部可拆卸连接有与所述喷头内腔11连通的喷嘴组件，所述喷头主体1的侧壁上设有与所述喷头内腔11连通的进料孔4，所述喷头内腔11呈倒锥形，所述喷头内腔11的纵向截面的收敛角α介于60°~90°之间，所述喷嘴组件内部的流道为流线型，所述进料孔4靠近所述喷头内腔11的一端设有节流孔41。进料孔4可以实时为喷头内腔11补充液体打印材料，以保证喷头内腔11中无气泡，进而保证压电喷头的压电喷射行为连续产生微液滴；进料孔4上的节流孔41的孔径比较小，液体打印材料在经过节流孔41时遇到的流阻会较大，从而降低进料孔4对喷射压力的卸载作用。喷头内腔11设置为倒锥形是为了提高压电喷头对大粘度液体打印材料的喷射能力，更好的控制喷头内腔11内压力的流向，最大程度的减小压力损失并将所有压力聚焦到喷嘴组件处。由于压电驱动装置位于喷头主体的顶部，喷嘴位于喷头主体的底部，喷头内腔的顶部与底部之间的距离和所使用的圆形压电片的直径有关，为了缩短压力波的传导距离，将这个长度设置为压电片外径的1/2~1；喷嘴组件内部的流道为流线型能够最大程度的减小液体打印材料的流阻，喷嘴组件的长度与喷头内腔的顶部和底部间的距离之和不超过压电驱动装置的外径，在这个范围内越短越好。

本实施例中，所述喷头压盖2和喷头主体1通过螺钉紧固连接，并通过密封圈将压电驱动装置3压紧密封，以保证不会漏压。

本实施例中，所述压电驱动装置3为采用单层或双层压电陶瓷与单层金属膜片复合而成的压电驱动膜片。压电陶瓷是一种可以在电能和机械能之间相互转化的功能性材料，将机械能输入转化为电能输出称之为正压电效应，反之则称为逆压电效应，压电喷射就是利用了其逆压电效应。应用到压电喷射的压电陶瓷材料多为膜片状，当压电驱动膜片被特定波形的驱动信号驱动时就会产生特定方向的形变，把压电陶瓷复合到一层金属膜片上封装成压电驱动膜片，利用金属膜片把压电驱动膜片的形变量放大，可以提高压电驱动膜片的形变量。通过将压电驱动膜片安装到喷头主体1上使得喷头内腔11形成相对封闭的腔体，利用压电驱动膜片的瞬间形变在喷头内腔11内形成周期性压力变化，从而推动喷头内腔11内的液体打印材料产生周期性液滴微球。

如图2和图3所示，所述喷嘴组件包括喷嘴5、喷嘴固定环6和喷嘴螺母7，所述喷头主体1的底部设有喷嘴5固定位，所述喷嘴5固定位的内侧壁上设有螺纹，所述喷嘴固定环6与所述喷嘴5上部固定连接，所述喷嘴固定环6置于所述喷嘴5固定位中，所述喷嘴螺母7从所述喷嘴5下端套设在所述喷嘴5上，所述喷嘴螺母7与所述喷嘴5固定位内侧壁上的螺纹配合将所述喷嘴固定环6及喷嘴5压紧密封。这样，就可以实现喷嘴5的快速更换。

本实施例中，所述喷嘴5由玻璃材质制成，且所述喷嘴5的内表面经过疏水处理，以便最大程度的减小液体打印材料的流阻。

如图4所示，所述节流孔41的深度为L，节流孔41的孔径为d，所述节流孔41的径深比d/L介于1/6~1/3之间。进料、补料时液体材料在背压力的推动下首先流经进料孔4，然后通过节流孔41进入到喷头腔内，在压电驱动膜片变形使得喷头内腔11内产生正向喷射压力时，由于节流孔41处的流阻较大，可以有效降低压力在此处的损失，从而使得压力更完整的传递至喷嘴5处。

实施例2

一种生物3D打印机的压电喷头的工作方法，其中，包括如下步骤：

S1. 开启生物3D打印机的电源，使得压电喷头处于待工作状态；

S2. 通过进料孔4向喷头主体1内部的喷头内腔11中注入液体打印材料；

S3. 待喷头内腔11中注满液体打印材料后，向压电驱动装置3施加驱动波形信号；

S4. 在驱动波形信号的驱动下，压电驱动装置3正向变形产生正向喷射压力，喷射压力推挤喷头内腔11中的液体打印材料向下流动并突出喷嘴5末端；

S5. 在驱动波形信号的驱动下，压电驱动装置3回缩，喷头内腔11中的压力下降并拉动液体打印材料反向流动，在压降和液体打印材料表面张力的作用下迫使步骤S4中突出喷嘴5末端的液体打印材料产生颈缩并断裂形成椭球形液滴；

S6. 步骤S5中得到的椭球形液滴向下飞行，随着椭球形液滴继续飞行，在表面张力的作用下最终形成球形微液滴，最终落在打印平台上；

S7. 重复步骤S2到S6，直至打印作业完成。

本实施例中，一个微液滴的产生过程就是喷头内腔11内部压力在极短时间内由小变大再变小的过程。压力在由小变大的过程中，喷头内腔11内的液体打印材料被推挤并向喷嘴5处流动，压力达到最大值时，液体打印材料前端在喷嘴5末端突出一定体积的液体打印材料，这部分液体打印材料具备一定的初速度并且与压力方向保持一致，当喷头内腔11内的压力由大减小的过程中，突出喷嘴5末端的液体打印材料开始产生颈缩，颈缩使得该部分液体打印材料与喷头内腔11内的液体打印材料产生分离，分离后的液体打印材料在表面张力的作用下聚集成微液滴小球并以前一个过程中获得的初速度继续向前喷射。

如图5所示，所述步骤S3中，向压电驱动装置3施加的驱动波形信号为梯形波。图示梯形波需要设置的参数为幅值、脉宽、频率甚至是波形上升时间ts和下降时间td，通过合理选择以上参数的参数值即可以完成对不同粘度生物材料进行不同频率的点阵喷射或连续堆积喷射。

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