一种生物3D打印机气动喷头的控制系统的制作方法

本实用新型涉及3D打印技术领域，更具体地，涉及一种生物3D打印机气动喷头的控制系统。

背景技术：

3D打印技术是一种增材制造技术，3D打印机是一种依据特定格式的数字模型并利用各种原材料进行三维堆积成型的设备，所使用的材料有高分子线材和粒材、金属粉末、胶状生物材料和粉状无机材料等。根据成型原理不同，打印机的成型方式可分为熔融挤出成型、喷墨成型以及电纺丝成型等。

对于挤出式3D打印，其基本原理为依靠挤出式喷头为温敏材料提供特定的温度环境并依靠压力推动材料流动形成一定直径的细丝，通过层层累计获得需要的打印模型。高精度挤出式打印是3D打印发展的趋势之一，为了提高打印精度，方法之一是选用孔径更小的喷嘴以获得更小直径的细丝，另外，还要精确控制细丝在关键位置的启停，即要控制气压突变式的变化。常见的挤出式喷头一般无法实现气压的突变式控制，喷头腔内的残余压力无法及时释放，导致在不需要材料挤出时仍然在残余压力的带动下不断从喷嘴挤出。或者喷头腔内压力过低，导致需要材料及时挤出时，压力未达到所需要的挤出压力值。

技术实现要素：

为克服上述现有技术中的至少一种缺陷，本实用新型提供一种生物3D打印机气动喷头的控制系统。该控制系统可以保证3D打印机的气动喷头由挤出状态切换为不挤出状态时，喷头的喷嘴无流涎现象；由不挤出状态恢复为挤出状态时，喷头内的气压可迅速响应并挤出材料。

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打印机气动喷头的控制系统，其中，包括气源和喷头，所述气源通过输气管路与所述喷头连接，具体地，所述喷头包括喷头腔和喷头腔前端的喷嘴，所述气源与所述喷头的喷头腔连接。优选的，所述气源为带气容的气泵或气瓶，这样可以保证气源向喷头内输送的气压更加稳定。所述输气管路上靠近所述喷头的一端设有电磁阀，所述电磁阀包括常开通道和常闭通道，所述常闭通道上连接有与外界相通的泄压支路，所述泄压支路上设有带开启压力的单向阀，所述输气管路上还设有调压阀。

本实用新型中，气体利用调压阀调节输出压力大小，调压阀调节后的压力输出刚好满足不同材料在所需温度下的挤出压力。调节后的气压通过电磁阀的常开通道进入喷头的喷头腔内并推挤喷头腔内的材料从喷嘴挤出，此时喷头处于挤丝打印状态，生物材料可以稳定连续不断的从喷嘴挤出。当需要打印暂停或程序设定材料不挤出时，喷头需要切换为不挤丝状态并严格保证喷嘴无多余材料流涎。当关闭电磁阀的常开通道时，由于喷头腔内保留的材料挤出压力无法及时释放且整个喷头腔只有喷嘴与外界保持相通，从而会造成材料继续挤出形成流涎。为了克服流涎现象，本实用新型可以在关闭电磁阀常开通道的同时打开电磁阀的常闭通道，使喷头腔通过泄压支路与外界相通，从而可以避免喷头腔内残余压力通过喷嘴继续挤出材料。

进一步地，当喷头由不挤出状态恢复至挤出状态时，需要喷头腔内压力迅速恢复至挤出状态时的压力值。但如果在不挤出状态下直接保持喷头腔与外界相通的话，喷头腔内的压力就和大气压力一致，状态瞬间切换后喷头腔内压力需要经过一个渐变的过程完成压力增加，在这个过程中，材料不能稳定挤出，喷头就会表现为断丝甚至造成模型断层现象。本实用新型中，在电磁阀常闭通道的泄压支路上串接了一个带开启压力的单向阀，单向阀可以保证气压由喷头腔向外界单一释放，单向阀的开启压力可以保证只允许超过开启压力的气压释放到外界且喷头腔内仍维持与单向阀开启压力一致的气压值，由于单向阀的开启压力仅略低于喷头中材料挤出时所需的压力，因此可以迅速恢复至材料挤出所需压力，使得材料可以稳定挤出。由此，既可保证喷头由挤出状态切换为不挤出状态时无流涎现象又可以保证喷头由不挤出状态恢复为挤出状态时可以迅速恢复喷头腔内压力。其中，由于不同流动特性的材料所对应的挤出压力是不同的，单向阀的开启压力可根据不同流动特性的材料进行调节，以提高本实用新型生物3D打印机气动喷头的控制系统的适用范围。

进一步地，所述输气管路上靠近所述气源的一端设有气体净化干燥装置，这样可以使得从气源接入的气体能够保证无细菌、无尘且保持干燥，以达到生物3D打印对打印环境的无菌无尘的要求。所述气体净化干燥装置包括沿所述输气管路内气流流动方向依次设置的初级过滤器和高效过滤器，以及设在所述初级过滤器和高效过滤器之间的空气干燥器。初级过滤器作为第一道过滤环节用于除去气流中的大颗粒灰尘和杂质，初级过滤器的风阻较小，对于空气压力损失几乎没有影响，但是初级过滤器受污染较严重，更换频率较高。高效过滤器作为第二道过滤环节，其滤芯级别较高，滤芯空隙较小，可以有效过滤细菌等微生物和细小灰尘。在初级过滤和高效过滤之间加入空气干燥器，可以起到去除多余水分的作用，空气干燥器较精密，因此需要在前置气体使用初级过滤器处理，干燥后的气体可以直接送入高效过滤器进行最终处理，否则湿度过大的气体会加大高效过滤器的风阻，缩短其使用寿命。

进一步地，所述单向阀的出气端设有消音器。消音器能够降低泄压支路的泄载噪音。

进一步地，所述喷头为气动直驱的挤出成型式喷头。

进一步地，所述电磁阀和喷头之间的输气管路上设有储料瓶。储料瓶中盛装待打印材料，正常挤出打印时，气体经过电磁阀到达储料瓶区域，并保持恒定压力推动储料瓶中的打印材料充满喷头。

进一步地，还包括电磁阀切换控制器，所述电磁阀通过通讯接口与所述电磁阀切换控制器连接。电磁阀切换控制器接受程序控制并使得电磁阀阀体内部完成气路通道的切换。

进一步地，所述气体净化干燥装置和调压阀之间的输气管路上设有稳压阀。这样，气体进入调压阀调压之前首先经过稳压阀，以保证输入调压阀的气流稳定无波动。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型在输气管路靠近喷头的一端设置了电磁阀，且在电磁阀的常闭通道上连接了泄压支路，并在泄压支路上设置了带开启压力的单向阀，使得喷头由挤出状态切换为不挤出状态时，喷头腔内残留的气压可以通过泄压支路排出部分到外界，使得喷头腔内的压力略小于材料挤出所需的压力，以保证喷嘴无流涎现象。而喷头由不挤出状态恢复为挤出状态时，由于喷头腔内的压力与单向阀开启压力一致，略小于材料挤出所需的压力，喷头腔内的气压可迅速响应并挤出材料，不会出现断丝甚至模型断层的现象。

本实用新型在输气管路靠近气源的一端设有气体净化干燥装置，使得气体经过处理后，不会对喷头内材料产生二次污染，洁净度高，适合直接驱动喷头进行细胞打印。

附图说明

图1是本实用新型生物3D打印机气动喷头的整体结构示意图。

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所示，一种生物3D打印机气动喷头的控制系统，其中，包括气源1和喷头2，优选地，所述喷头2包括喷头腔和喷头腔前端的喷嘴，所述气源1通过输气管路3与所述喷头2的喷头腔连接，优选地，所述气源1为带气容7的气泵或气瓶8，这样可以保证气源1向喷头腔内输送的气压更加稳定。所述输气管路3上靠近所述喷头2的一端设有电磁阀4，所述电磁阀4包括常开通道和常闭通道，所述常闭通道上连接有与外界相通的泄压支路，所述泄压支路上设有带开启压力的单向阀5，所述输气管路3上还设有调压阀6。

本实施例中，气体利用调压阀6调节输出压力大小，调压阀6调节后的压力输出刚好满足不同材料在所需温度下的挤出压力。调节后的气压通过电磁阀4的常开通道进入喷头腔内并推挤喷头腔内的材料挤出喷嘴，此时喷头处于挤丝打印状态，生物材料可以稳定连续不断的从喷嘴挤出。当需要打印暂停或程序设定材料不挤出时，喷头需要切换为不挤丝状态并严格保证喷嘴无多余材料流涎。当关闭电磁阀4的常开通道时，由于喷头腔内保留的材料挤出压力无法及时释放且整个喷头腔只有喷嘴与外界保持相通，从而会造成材料继续挤出形成流涎。本实施例中，为了克服流涎现象，可在关闭电磁阀4常开通道的同时打开电磁阀4的常闭通道，使喷头腔通过泄压支路与外界相通，从而可以避免喷头腔内残余压力通过喷嘴继续挤出材料。

本实施例中，当喷头2由不挤出状态恢复至挤出状态时，需要喷头腔内压力迅速恢复喷头挤出状态时的压力值。但如果在喷头不挤出状态下直接保持喷头腔与外界相通的话，喷头腔内的压力就和大气压力一致，状态瞬间切换后喷头腔内压力需要经过一个渐变的过程完成压力增加，在这个过程中，材料不能稳定挤出，喷头2就会出现断丝甚至模型断层现象。本实用新型中，在电磁阀4常闭通道的泄压支路上串接了一个带开启压力的单向阀5，单向阀5可以保证气压由喷头腔向外界单一释放，单向阀5的开启压力可以保证只允许超过开启压力的气压释放到外界且喷头腔内仍维持与单向阀5开启压力一致的气压值，由于单向阀5的开启压力仅略低于喷头2中材料挤出时所需的压力，因此可迅速恢复至材料挤出所需压力，使得材料可以稳定挤出。由此既可保证喷头2由挤出状态切换为不挤出状态时无流涎现象又可以保证喷头2由不挤出状态恢复为挤出状态时可以迅速恢复喷头腔内压力。其中，由于不同流动特性的材料所对应的挤出力是不同的，单向阀5的开启压力可根据不同流动特性的材料进行调节，以提高本实用新型生物3D打印机气动喷头的控制系统的适用范围。本实施例中，当单向阀5的开启压力范围不满足所需的挤出力时，可更换满足要求的单向阀。

综上，本实用新型的工作过程如下：

喷头2由挤出状态切换为不挤出状态时，关闭电磁阀4的常开通道，同时打开电磁阀4的常闭通道，由于电磁阀4常闭通道的泄压支路上的单向阀5的开启压力略低于所述喷头2中材料挤出时所需的压力，使得单向阀5将喷头内的部分压力向外界单一释放，且喷头内仍维持与单向阀5开启压力一致的气压值，保证喷头内的材料不会继续挤出形成流涎；喷头2由不挤出状态恢复为挤出状态时，关闭电磁阀4的常闭通道，同时打开电磁阀4的常开通道，此时喷头腔内维持与单向阀5开启压力一致的压力值，且该压力值仅略低于材料挤出时所需压力，因此，喷头腔可以迅速恢复至材料挤出所需压力，使材料可以稳定挤出，不会出现断丝甚至模型断层的现象。

如图1所示，所述输气管路3上靠近所述气源1的一端设有气体净化干燥装置，这样可以使得从气源1接入的气体能够保证无细菌、无尘且保持干燥，以达到生物3D打印对打印环境的无菌无尘的要求。所述气体净化干燥装置包括沿所述输气管路3内气流流动方向依次设置的初级过滤器9和高效过滤器10，以及设在所述初级过滤器9和高效过滤器10之间的空气干燥器11。初级过滤器9作为第一道过滤环节用于除去气流中的大颗粒灰尘和杂质，初级过滤器9的风阻较小，对于空气压力损失几乎没有影响，但是初级过滤器9受污染较严重，更换频率较高。高效过滤器10作为第二道过滤环节，其滤芯级别较高，滤芯空隙较小，可以有效过滤细菌等微生物和细小灰尘。在初级过滤和高效过滤之间加入空气干燥器11，可以起到去除多余水分的作用，空气干燥器11较精密，因此需要在前置气体使用初级过滤器9处理，干燥后的气体可以直接送入高效过滤器10进行最终处理，否则湿度过大的气体会加大高效过滤器10的风阻，缩短其使用寿命。

如图1所示，所述单向阀5的出气端设有消音器12。消音器12能够降低泄压支路的泄载噪音。

本实施例中，所述喷头2为气动直驱的挤出成型式喷头。

如图1所示，所述电磁阀4和喷头2之间的输气管路3上设有储料瓶13。储料瓶13中盛装待打印材料，正常挤出打印时，气体经过电磁阀4到达储料瓶13区域，并保持恒定压力推动储料瓶13中的打印材料充满喷头2。

如图1所示，还包括电磁阀切换控制器14，所述电磁阀4通过通讯接口与所述电磁阀切换控制器14连接。电磁阀切换控制器14接受程序控制并使得电磁阀4阀体内部完成气路通道的切换。

如图1所示，所述气体净化干燥装置和调压阀6之间的输气管路3上设有稳压阀15。这样，气体进入调压阀6调压之前首先经过稳压阀15，以保证输入调压阀6的气流稳定无波动。

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。