一种快装式高温气动直写式生物打印喷头的制作方法

1.本实用新型属于生物打印装置领域，特别是涉及一种快装式高温气动直写式生物打印喷头。


背景技术：

2.3d生物打印作为一种新兴的针对生物材料的增材制造技术，特点是能以3d数字模型为蓝本，对生物支架或活的组织、细胞进行生物制造。所谓生物支架，其本身并不是由活体材料制造，可作为活细胞、组织的载体，服务于病理学研究；或是直接植入生物体内，对生物的疾病进行治疗，根据用途的不同，其材料需具有较强的生物相容性或机械力学性能。对于支架的打印而言，其所使用的材料多为常温下为固态，而高温下为黏流态的高分子聚合物。其独特的流变学特性使其需要先将材料加热为易于加工的黏流态，再以直写式打印，静电纺丝打印等方式进行挤出成型。材料从喷头中被挤出后，在温度较低的空气中凝固，重新形成具有特定形状的固体零件。作为最常用技术，挤出直写式打印技术有着易于使用，可用性高，成本低的优势。
3.以不同的驱动方式进行划分，针对高温直写式打印方式可分为两种：一种是以丝杠驱动推杆对喷头内的材料进行挤出的电挤出式直写式打印；另一种是以气压作为驱动进行挤出的直写式打印。相较于电挤出式打印方式，以气压作为驱动的打印方式省去了丝杠部分，节省空间，且体积较小。市面上的诸多高温打印喷头，其加热方式或采用加热棒或加热丝进行加热。受限于各种因素，其加热能力各不相同。
4.但现有技术的高温直写式打印方式还存在如下技术缺陷：
5.1. 现有的挤出喷头的加热功能仅仅局限于将料仓内的材料加热融化。未考虑对料仓、喷嘴处材料温度的精准控制。由于打印材料的流变学特性对于温度的变化十分敏感，在打印机的使用过程中，喷嘴，料仓处材料温度控制变得极其重要，是不可忽视的重点。
6.2. 现有的喷头加热少有考虑散热对于喷头加热功能的影响。由于所打印的高分子材料需要高温融化才可打印，而喷嘴和空气的热对流现象会导致喷嘴内的材料温度急剧下降，使其黏度增大，难以打印。
7.3. 现有的气动喷头多使用外购的料管导入压缩气体，这种结构在喷头安装的过程中需要将双手深入打印机小小空间内，拆装麻烦费力。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本实用新型旨在提出一种以气压作为驱动的带有二级温控的快装式直写式高温生物3d打印喷头，以解决如何对气动打印过程中各个区域材料温度进行精准控制，如何在在不提高加热装置能力的情况下，进一步拔高了喷头的可加热区间，以及简化操作，节约空间的问题。
9.为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：一种快装式高温气动直写式生物打印喷头，包括一级温控系统、喷嘴加热装置、二级温控系统、喷嘴、喷头保温壳、料桶加
热装置、打印料桶和快插接头，
10.所述打印料桶的外周上部包裹有料桶加热装置，下部包裹有喷嘴加热装置，所述料桶加热装置内部安装有一级温控系统，喷嘴加热装置内部安装二级温控系统，所述打印料桶的底部安装有喷嘴，所述料桶加热装置外包有喷头保温壳，所述快插接头插入打印料桶上端，所述快插接头与连接板能够配合密封，完成压缩气体的密封传输。
11.更进一步的，所述喷嘴外包裹可拆卸金属套，所述可拆卸金属套与打印料桶连接。
12.更进一步的，喷嘴加热装置和可拆卸金属套外包裹有快装保温套，快装保温套安装在喷头保温壳下方。
13.更进一步的，所述喷头保温壳内镶嵌有二号磁钢，快装保温套内镶嵌有一号磁钢，快装保温套的一号磁钢与喷头保温壳的二号磁钢相吸，完成第二级保温。
14.更进一步的，所述喷头保温壳和快装保温套均为不导热材质。
15.更进一步的，所述喷头保温壳被安装在连接板上。
16.更进一步的，所述料桶加热装置通过隔热板与连接板连接。
17.更进一步的，所述快插接头通过先插入后扭动的方式，与打印料桶上的异形槽相配合，完成快速安装。
18.更进一步的，所述快插接头和连接板上分别加工有圆心相同的球面，在快接插头安装在打印料桶后，旋转快速插头，在实现与打印料桶配合的同时两球面逐渐相互对准，挤压圆槽内的密封圈，完成气路密封。
19.与现有技术相比，本实用新型所述的快装式高温气动直写式生物打印喷头的有益效果是：
20.（1）本实用新型采用固定的螺纹方式将打印喷头与喷嘴连接，可基于该螺纹的大小定制不同形状，不同材料，不同内部流道的喷嘴，只要是带有相同螺纹型号的喷嘴，都可以成功安装，可支持定制化喷嘴进行出丝打印。
21.（2）本实用新型独特的快插接头结构使得使用者在换料时只需简单两个动作单手操作即可，无需在生物打印机内进行多于动作。
22.（3）本实用新型采用快装保温套在保证喷嘴处高温的同时也可保护用户不被高温喷嘴烫伤，快装保温套有益于用户方便地随时更换喷嘴。
23.（4）本实用新型采用二级温控可分别控制料仓和喷嘴处的温度，精确把握打印过程。
24.（5）本实用新型双层保温设计可使喷嘴处的保温效果达到最好，且整个喷头结构紧凑，精致小巧。
25.（6）本实用新型的仓体保温套和下端的喷嘴保温套起到隔绝外界空气的作用，这种近似于绝热的条件会使喷嘴内部温度较高。在不增加加热系统负担的情况下，使得喷头整体的可控温度上限得到较大提升。
26.（7）本实用新型以压缩气体挤压材料进行挤出，含有对气体流道（快速接头）的设计。本实用新型的快速接头采用球面-密封圈-球面的连接方式，在竖直方向上提供了对连接板和快速接头的位置限制，可避免打印头在空间移动过程中的振动对打印头结构的影响。快插接头上的两侧凸起部分与打印料桶上的异形槽相配合，限制了通气后气压对接头向上的顶起作用，并且保证两球面准确定位
附图说明
27.构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
28.图1为本实用新型所述的快装式高温气动直写式生物打印喷头的外观图；
29.图2为本实用新型所述的快装式高温气动直写式生物打印喷头的剖视图；
30.图3为本实用新型所述的快插接头安装方式的示意图，其中箭头表示插入方向；
31.图4为本实用新型所述的快插接头安装方式的示意图，其中箭头表示扭动方向；
32.图中，1-连接板，2-密封圈，3-隔热板，4-一级温控系统，5-喷嘴加热装置，6-二级温控系统，7-喷嘴，8-可拆卸金属套，9-快装保温套，10-一号磁钢，11-二号磁钢，12-喷头保温壳，13-料桶加热装置，14-打印料桶，15-弹性垫圈，16-快插接头。
具体实施方式
33.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
34.一、具体实施方式一，参见图1-4说明本实施方式，一种快装式高温气动直写式生物打印喷头，包括一级温控系统4、喷嘴加热装置5、二级温控系统6、喷嘴7、喷头保温壳12、料桶加热装置13、打印料桶14和快插接头16，
35.所述打印料桶14的外周上部包裹有料桶加热装置13，下部包裹有喷嘴加热装置5，所述料桶加热装置13内部安装有一级温控系统4，喷嘴加热装置5内部安装二级温控系统6，所述打印料桶14的底部安装有喷嘴7，所述料桶加热装置13外包有喷头保温壳12，快插接头16下方穿过弹性垫圈15，插入打印料桶14腔内，所述快插接头16与连接板1能够配合密封，完成压缩气体的密封传输。
36.所述喷嘴7外包裹可拆卸金属套8，所述可拆卸金属套8与打印料桶14连接。
37.喷嘴加热装置5和可拆卸金属套8外包裹有快装保温套9，快装保温套9安装在喷头保温壳12下方。
38.所述喷头保温壳12内镶嵌有二号磁钢11，快装保温套9内镶嵌有一号磁钢10，快装保温套9的一号磁钢10与喷头保温壳12的二号磁钢11相吸，完成第二级保温。
39.所述喷头保温壳12被安装在连接板1上。所述料桶加热装置13通过隔热板3与连接板1连接。
40.本实用新型所述的快装式高温气动直写式生物打印喷头的整体结构及基本原理：
41.快装式高温气动直写式生物打印喷头整体外观如图1所示，结构剖视图如图2所示。在进行打印时使用时首先将快插接头16取下，将固体状态的打印材料装入打印料桶14内。随后安装好快插接头16，通过加热机构13，喷嘴加热装置5对料桶进行加热。待材料完全融化后通入气体，压缩气体沿着流道经由快插接头16进入打印料桶14，通过料桶前端连接的喷嘴7实现材料的挤出。隔热板3、喷头保温壳12以及底部快装保温套9均为不导热材质，既可保温又可在一定程度上保护用户的使用安全。
42.所述的快装式高温气动直写式生物打印喷头的实用新型点解析：
43.实用新型点1：快插接头及管路设计
44.如图3和4所示的是快插接头16的安装方式。快插接头通过先插入（图3）后扭动（图4）的方式，与打印料桶14上的异形槽相配合，完成快速安装。气路密封及连接如图2所示，快插接头16插入料桶后由密封圈2实现密封。可以看出，两个密封圈2被固定在连接板1上的圆槽内。注：2处可更换为弹性垫等可保证密封的零件，包括但不限于密封圈，密封垫，3d打印的异形密封件等。快插接头16和连接板1上分别加工有圆心相同的球面，在快接插头16安装在打印料桶14后，旋转快速插头16，在实现与打印料桶14配合的同时两球面逐渐相互对准，挤压圆槽内的密封圈2，完成气路密封。
45.创新点：（1）现有的高温气动打印喷头，往往都采用一根气管塞将气压引入系统。对于高温直写式打印，每次打印前需要进行上料工作。以气管作为流道的结构，需要在每次上料时将气管塞从料桶中拔出。需要在狭小的打印机内部进行双手操作，有烫伤危险且操作不便。而采用此快插接头进行连接气路，安装与拆卸过程只需要插入和旋转两个步骤，较为简洁。（2）采用球面-密封圈-球面的连接方式，在竖直方向上提供了对连接板1和快速接头16的位置限制，可避免打印头在空间移动过程中的振动对打印头结构的影响。（3）快插接头16上的两侧凸起部分与打印料桶14上的异形槽相配合，限制了通气后气压对接头向上的顶起作用，并且保证两球面准确定位
46.实用新型点2：二级温控
47.如图2所展示的结构剖视图可知，料桶14桶身的外部和底部分别被料桶加热装置13和喷嘴加热装置5包裹。在料桶加热装置13和喷嘴加热装置5上分别安装有两级温控系统。注：进行温度控制的加热原件包括但不限于加热棒4、6，电热丝，热电阻丝，弹簧加热圈，加热带，加热线等加热系统。可对打印料桶14桶仓和打印料桶14下端分别进行加热。
48.创新点：（1）对于气压驱动的高温直写式打印而言，必须保证料仓内的液体全部融化。而由于打印材料多为热塑性聚合物，流体性质对于温度极其敏感。通常的加热系统不存在二级温控，料仓下端接近出口处由于管径较小且靠近空气，在使用过程中会出现由于环境温度较低，导致下端喷嘴内的材料降温过快，产生凝固，最终无法顺利挤出的现象。而在下端加装第二级温控，可以保证料桶底端的温度，减轻由于底端散热过快导致的无法挤出的现象。（2）对于实验和打印过程中的种种材料和种种需求，有的时候并不是温度越高越好，需要喷嘴处和料仓处温度不同。二级温控可以控制两处温度具有差别，进行更精准的温度场控制。
49.实用新型点3：双层喷嘴保温结构
50.如图2所示，下端为双层喷嘴保温结构。该保温结构由内部的可拆卸金属套8和外部的快装保温套9组成。内部的可拆卸金属套8与喷嘴加热装置5相连，可将高温以面接触的方式传递喷嘴7上，完成第一级保温，导热。而外部快装保温套9上有一号磁钢10，可与喷头保温壳12以一号磁钢10和二号磁钢11之间的磁力相吸，完成第二级保温，隔热。
51.创新点：（1）导热和隔热是两种较为常见的保温方式，其各有优劣：导热结构多为金属，其高导热率在带来良好导热效果的同时，也使其极易受外界影响。外界若存在排风等情况，在强制对流换热的影响下，金属导热套内部的温度会产生较大波动；而保温套多以导热率低的材料制成，这表明其导热能力不强，但抗外界干扰能力较强。所以本实用新型中将
两种方式结合，内部采用金属导热对喷嘴进行局部加热，外部采用保温套隔绝外界影响，并且可以防止金属烫手，一举两得。（2）快装保温套。在喷头的实际使用过程中，有时会出现由于使用不当或操作失误而导致的喷嘴7变形损坏等情况。研究员们常有需要在不拆卸整体喷头的情况下单独更换喷嘴的情况。为了应对这种情况，以磁吸作为连接的外保温套9和螺纹连接的内导热套8可以在需要更换喷嘴7时层层取下，更换后重新安装，安装过程快捷简便。
52.以上公开的本实用新型实施例只是用于帮助阐述本实用新型。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。