一种多料筒单喷嘴挤出的3D打印喷头的制作方法

本实用新型涉及3D打印技术领域，更具体地，涉及一种多料筒单喷嘴挤出的3D打印喷头。

背景技术：

3D打印技术是一种增材制造技术，应用到生物医学领域的3D打印是一种提供人体组织及器官仿生建模和体外再生制造的技术，生物3D打印所使用的材料以及组份各不相同且更新迭代频率较高，这就要求生物打印机尤其是喷头对生物材料具有更好的通用性和兼容性。

市场比较流通的喷头一般只具备单一料筒，只允许同时打印一种材料或者把不同的可预先共混合的材料均匀混合形成的均质材料加载到料筒中打印。对于不可共混又必不可缺的多材料打印时只能通过增加喷头数量的方式，利用多喷头之间的互相切换实现多材料的协作打印成型。过多数量的喷头一方面会降低打印效率，另一方面，多喷头在不断切换过程中会损失针尖的重复定位精度，影响最终的打印精度。对于需要不同材料各组份所占的浓度产生梯度变化打印时，普通单料筒喷头无法实现。

技术实现要素：

为克服上述现有技术的缺陷，本实用新型提供一种多料筒单喷嘴挤出的3D打印喷头。该3D打印喷头配置有一个针头和至少两个相互独立的料筒，可实现多种材料的切换打印、同时打印和/或梯度打印，同时结构简单紧凑，且不会损失打印精度。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种多料筒单喷嘴挤出的3D打印喷头，其中，包括中央通道法兰、设于所述中央通道法兰上方的电机、设于所述中央通道法兰和电机之间的螺杆组件、至少两个沿所述电机周向设置且相互独立的料筒以及设于所述中央通道法兰下方的针头。所述中央通道法兰内部设有垂直主流道和与所述料筒数量对应的水平分流道，所述水平分流道的一端与所述垂直主流道顶端连接，优选地，水平分流道等间距均匀分布，每条水平分流道均对应一个料筒，水平分流道最终汇聚到垂直主流道，垂直主流道即为喷头材料混合区。所述各料筒的底端分别与对应的水平分流道的另一端通过电磁阀组件连接，所述针头与所述垂直主流道的底端连接。

这样，每个料筒可以装载不同成分的生物材料。当需要多材料切换打印时，可通过电磁阀组件控制对应料筒中的材料进入对应的水平分流道，然后水平分流道中的材料进入到垂直主流道，通过针头挤出打印成型，在不使用其余喷头的基础上实现多材料切换打印，避免了不同喷头切换打印时造成的针尖高度差；当需要多材料同时打印和/或梯度打印时，可通过电磁阀组件控制对应料筒中的材料同时进入和/或按比例进入对应的水平分流道，然后各水平分流道中的材料进入垂直主流道，垂直主流道为喷头材料混合区，电机和螺杆组件能够保证混合均匀，混合均匀后通过由针头挤出打印成型，实现多材料的同时打印和/或浓度梯度变化的打印要求。

另外，当不需要多材料打印时，可以保持各料筒中装载相同材料，从而使得喷头的材料容量扩大数倍，保证不停机更换材料的情况下打印更多或更大规格的模型。

进一步地，所述螺杆组件的下部伸入到所述垂直主流道内部，所述电机的输出轴与所述螺杆组件的顶端连接。

进一步地，所述螺杆组件包括螺杆以及设在所述螺杆与所述中央通道法兰之间的第一密封圈和第二密封圈，所述螺杆包括位于中间的台阶段和分别位于所述台阶段上下两侧的连接段和螺纹段，所述螺纹段置于所述垂直主流道内部。所述第一密封圈环设在所述台阶段的外壁上，所述第二密封圈设在所述台阶段与所述螺纹段的连接处。在多材料同时打印和/或梯度打印时，喷头材料混合区的材料的均匀性直接决定打印模型的力学及生物学特性，通过电机带动下部具有螺纹段的螺杆对喷头材料混合区的多种待混材料进行强制搅拌，能够保证材料混合均匀，有效降低了混合不均匀导致的材料隔离现象的发生。搅拌用的螺杆与喷头材料混合区属于动态密封，螺杆中部台阶段外壁上以及台阶段与螺纹段连接处所设的第一密封圈和第二密封圈能够保证喷头材料混合区严格密封。

进一步地，所述中央通道法兰的周向侧壁上设有与所述各水平分流道另一端的端头连通的清理孔，所述清理孔上设有密封螺钉。在喷头清洗阶段，所有料筒可通过螺纹设计拧松取下，并对料筒单独进行清理。对于喷头材料混合区的流道，可通过清理孔对复杂的流道进行快速清理，在非清理阶段，清理孔利用密封螺钉密封。

进一步地，所述电磁阀组件包括电磁通断阀或比例阀、设在所述料筒与电磁通断阀或比例阀之间的料筒转接头以及设在所述中央通道法兰与电磁通断阀或比例阀之间的法兰转接头。料筒通过螺纹设计的方式与料筒转接头连接。

进一步地，所述电机通过电机保持架固定在所述中央通道法兰上，所述电机的输出轴通过联轴器与所述螺杆的连接段柔性连接，所述联轴器设在所述电机保持架内部。

进一步地，所述各料筒的外围还设有温控组件，料筒外围的温控组件可以方便的独立控制每个料筒中生物材料的温度，相邻料筒之间保持物理隔离防止彼此之间的温度干扰，这样可以配合不同温敏性生物材料对温度场的需求差异。所述温控组件包括套设在所述料筒外围的料筒温控管，以及插设在所述料筒温控管上的料筒加热棒和料筒温度传感器，所述电机上设有料筒温控管保持架，所述料筒温控管与所述料筒温控管保持架固定连接。所述料筒温控管保持架由低导热系数的材料制成，以防止相邻料筒温控管之间的温度干扰以及料筒温控管对电机产生的温升干扰。所述料筒温控管的一侧设有两个直角部，所述直角部上设有槽孔，所述料筒加热棒和料筒温度传感器分别设在所述两个直角部的槽孔中。所述料筒温控管的侧壁上设有液位观察窗，以方便观察料筒中材料的余量情况。所述料筒加热棒和料筒温度传感器的外壁上均设有导热硅脂，以保证良好的热导率。

进一步地，所述针头外围设有与所述中央通道法兰底部可拆卸且密封连接的针头保持架，在需要更换针头时，只需要拧松针头保持架即可取下并更换合适规格的针头；所述中央通道法兰内部设有法兰加热棒和法兰温度传感器，利用法兰加热棒和法兰温度传感器的控温方式对喷头材料混合区和喷头针头进行温度控制，可以防止喷头材料混合区的材料混合时由于温度不可控导致喷嘴堵塞的现象。在进行温度控制时，采用导热系数较小的零件在喷头材料混合区和料筒区之间形成物理隔离，严格控制两者之间的热传递。所述中央通道法兰和针头保持架由高导热系数的材料制成。这样，法兰加热棒产生的温度就可以通过中央通道法兰和针头保持架传导至针尖末端，使得中央通道法兰以及喷嘴针头的温度可控。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型的3D打印喷头设置了一个针头和至少两个相互独立的料筒，可实现多种材料切换打印、同时打印和/或梯度打印，同时结构简单紧凑，且不会损失喷头的打印精度。当只需打印一种材料时，各料筒装载同种材料时可成倍提升喷头的材料容量。

本实用新型的3D打印喷头在各料筒下方设置了电磁阀组件，各料筒装载不同材料时，可通过电磁阀组件控制每种材料单独从喷嘴挤出，在不使用其余喷头的基础上实现了多材料切换打印，并且避免了不同喷头切换打印时造成的针尖高度误差；也可通过电磁阀组件控制各料筒中的材料同时挤出或按比例挤出，实现多材料的同时打印和/或梯度打印。

本实用新型的3D打印喷头上设置了电机和螺杆组件，生物材料在混合挤出时依靠电机带动螺杆搅拌，保证了多材料混合的一致均匀性。

本实用新型的3D打印喷头的每个料筒的温度可独立控制，喷头流道及针头的温度也可独立控制。

本实用新型的3D打印喷头在中央通道法兰上设置了清理孔，在喷头清理时可以通过预留的清理孔快速清理流道中残留的材料。

附图说明

图1是本实用新型的3D打印喷头的整体结构示意图。

图2是本实用新型的3D打印喷头的纵向剖面图。

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和图2所示，一种多料筒2单喷嘴挤出的D打印喷头，其中，包括中央通道法兰1、设于所述中央通道法兰1上方的电机4、设于所述中央通道法兰1和电机4之间的螺杆组件5、至少两个沿所述电机4周向设置且相互独立的料筒2以及设于所述中央通道法兰1下方的针头3。所述中央通道法兰1内部设有垂直主流道11和与所述料筒2数量对应的水平分流道12，所述水平分流道12的一端与所述垂直主流道11顶端连接，优选的，水平分流道12等间距均匀分布，每条水平分流道12均对应一个料筒2，水平分流道12最终汇聚到垂直主流道11，垂直主流道11即为喷头材料混合区。所述各料筒2的底端分别与对应的水平分流道12的另一端通过电磁阀组件6连接，所述针头3与所述垂直主流道11的底端连接。

这样，每个料筒2可以装载不同成分的生物材料。当需要多材料切换打印时，可通过电磁阀组件6控制对应料筒2中的材料进入对应的水平分流道12，然后水平分流道12中的材料进入到垂直主流道11，通过针头3挤出打印成型，在不使用其余喷头的基础上实现多材料切换打印，避免了不同喷头切换打印时造成的针尖高度差；当需要多材料同时打印和/或梯度打印时，可通过电磁阀组件6控制对应料筒2中的材料同时进入和/或按比例进入对应的水平分流道12，然后各水平分流道12中的材料进入垂直主流道11，垂直主流道11为喷头材料混合区，电机4和螺杆组件5能够保证混合均匀，混合均匀后通过由针头3挤出打印成型，实现多材料的同时打印和/或浓度梯度变化的打印要求。

另外，当不需要多材料打印时，可以保持各料筒2中装载相同材料，从而使得喷头的材料容量扩大数倍，保证不停机更换材料的情况下打印更多或更大规格的模型。

如图2所示，所述螺杆组件5的下部伸入到所述垂直主流道11内部，所述电机4的输出轴与所述螺杆组件5的顶端连接。具体地，所述螺杆组件5包括螺杆51以及设在所述螺杆51与所述中央通道法兰1之间的第一密封圈52和第二密封圈53，所述螺杆51包括位于中间的台阶段和分别位于所述台阶段上下两侧的连接段和螺纹段，所述螺纹段置于所述垂直主流道11内部。所述第一密封圈52环设在所述台阶段的外壁上，所述第二密封圈53设在所述台阶结构段与所述螺纹段的连接处。在多材料同时打印和/或梯度打印时，喷头材料混合区的材料的均匀性直接决定打印模型的力学及生物学特性，通过电机4带动螺杆51的螺纹段对喷头材料混合区的多种待混材料进行强制搅拌，能够保证混合均匀，有效降低了混合不均匀导致的材料隔离现象的发生。搅拌用的螺杆51与喷头材料混合区属于动态密封，螺杆51中部台阶段外壁上以及台阶段与螺纹段连接处所设的第一密封圈52和第二密封圈53能够保证喷头材料混合区严格密封。

如图1和图2所示，所述中央通道法兰1的周向侧壁上设有与所述各水平分流道12另一端的端头连通的清理孔，所述清理孔上设有密封螺钉13。在喷头清洗阶段，所有料筒2可通过螺纹设计拧松取下，并对料筒2单独进行清理。对于喷头材料混合区的流道，可通过清理孔对复杂的流道进行快速清理，在非清理阶段，清理孔利用密封螺钉13密封。

如图1和图2所示，所述电磁阀组件6包括电磁通断阀或比例阀61、设在所述料筒2与电磁通断阀或比例阀61之间的料筒转接头62以及设在所述中央通道法兰1与电磁通断阀或比例阀61之间的法兰转接头63。料筒2通过螺纹设计的方式与料筒转接头62连接。本实施例中，各料筒2装载不同材料时，可通过电磁阀组件6控制每种材料单独从喷嘴挤出，在不使用其余喷头的基础上实现了多材料切换打印，并且避免了不同喷头切换打印时造成的针尖高度误差；也可通过电磁阀组件6控制各料筒2中的材料同时挤出或按比例挤出，实现多材料的同时打印和/或梯度打印。

如图1和图2所示，所述电机4通过电机保持架9固定在所述中央通道法兰1上，所述电机4的输出轴通过联轴器10与所述螺杆51的连接段柔性连接，所述联轴器10设在所述电机保持架9内部。

如图1和图2所示，所述各料筒2的外围还设有温控组件8，料筒2外围的温控组件8可以方便的独立控制每个料筒2中生物材料的温度，相邻料筒2之间保持物理隔离防止彼此之间的温度干扰，这样可以配合不同温敏性生物材料对温度场的需求差异。所述温控组件8包括套设在所述料筒2外围的料筒温控管81，以及插设在所述料筒温控管81上的料筒加热棒82和料筒温度传感器83，所述电机4上设有料筒温控管保持架84，所述料筒温控管81与所述料筒温控管保持架84固定连接。所述料筒温控管保持架84由低导热系数的材料制成，以防止相邻料筒温控管81之间的温度干扰以及料筒温控管81对电机4产生的温升干扰。所述料筒温控管81的一侧设有两个直角部85，所述直角部85上设有槽孔，所述料筒加热棒82和料筒温度传感器83分别设在所述两个直角部85的槽孔中。所述料筒温控管81的侧壁上设有液位观察窗86，以方便观察料筒2中材料的余量情况。所述料筒加热棒82和料筒温度传感器83的外壁上均设有导热硅脂，以保证良好的热导率。

本实施例中，所述针头3外围设有与所述中央通道法兰1底部可拆卸且密封连接的针头保持架7，在需要更换针头时，只需要拧松针头保持架7即可取下并更换合适规格的针头；所述中央通道法兰1内部设有法兰加热棒和法兰温度传感器，利用法兰加热棒和法兰温度传感器的控温方式对喷头材料混合区和喷头针头3进行温度控制，可以防止喷头材料混合区的材料混合时由于温度不可控导致喷嘴堵塞的现象。在进行温度控制时，采用导热系数较小的零件在喷头材料混合区和料筒2区之间形成物理隔离，严格控制两者之间的热传递。所述中央通道法兰1和针头保持架7由高导热系数的材料制成。这样，法兰加热棒产生的温度就可以通过中央通道法兰1和针头保持架7传导至针尖末端，使得中央通道法兰1以及喷嘴针头3的温度可控。

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。