一种高温电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，特别是涉及一种高温电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：一种是以丝杠或气缸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。相较于气压直接驱动的打印方式，以丝杠驱动的打印方式即压力大，可对黏度极高的黏流体进行挤出打印。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.但现有的高温直写式打印装置有以下缺陷：
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.现有的以推杆挤出作为驱动的3d打印喷头，常常由于加工能力等问题导致推杆和料仓轴线不平行的现象，这导致在打印过程中易出现卡死的现象。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本实用新型旨在提出一种以推杆挤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，以解决对挤出打印过程中各个区域材料温度进行精准控制；如何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，以及避免了由于推杆和料仓轴线不同而产生的卡死的问题。
9.为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：一种高温电动直写式生物打印喷头，包括加热装置、挤压驱动块、下端短接头、喷嘴加热套、喷嘴、保温壳、加热套、推杆下
端导向段、料桶本体、中推杆和上推杆，
10.所述料桶本体下方安装有下端短接头，两者组成高温料仓，所述料桶本体的外周安装有加热套，所述端短接头的外周安装有喷嘴加热套，所述加热套与喷嘴加热套内均设置有加热装置，所述下端短接头下方按照有喷嘴，所述喷嘴外包裹有保温壳，所述上推杆和中推杆通过挤压驱动块连接，所述中推杆与推杆下端导向段相连，推杆下端导向段外侧与料桶本体采用间隙配合。
11.更进一步的，所述料桶本体上端与旋转卡扣由螺纹连接，所述旋转卡扣用于完成料桶本体的拆装。
12.更进一步的，所述加热套通过隔热板与金属连接板连接。
13.更进一步的，金属连接板下端安装下保温壳，下保温壳将加热套包裹。
14.更进一步的，所述下保温壳内部安装另一组磁钢，磁吸保温套内部安装磁钢，磁吸快装壳由磁钢与安装在下保温壳内的另一组磁钢吸附完成安装，所述磁吸保温套既可对其内部的喷嘴加热套进行保温，又可防止使用者触碰内部的高温金属造成烫伤。
15.更进一步的，在推动过程中，所述挤压驱动块的下方平面对中推杆的顶部球面有推动作用。
16.更进一步的，在挤压驱动块内存在间隙，该间隙容许上推杆和中推杆在与挤压驱动块的配合过程中存在径向晃动。
17.更进一步的，所述保温壳通过螺纹旋转安装在喷嘴短接头上。
18.更进一步的，其所述料桶本体为孔径一致的管路，下部的下端短接头为短小的敞口件，易于清理。
19.更进一步的，下保温壳、磁吸保温套、隔热板、保温壳和旋转卡扣均采用不导热材质。
20.与现有技术相比，本实用新型所述的高温电动直写式生物打印喷头的有益效果是：
21.(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。
22.(2)、本实用新型独特的旋转卡扣使得使用者在换料时只需简单单手操作即可，无需在生物打印机内进行多余动作。
23.(3)、本实用新型的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。
24.(4)、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。
25.(5)、本实用新型采用二级温度控制，通过两组加热装置对料仓和喷嘴处进行分别温度控制，温度控制更加精确。
26.(6)、本实用新型的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，且整个喷头结构紧凑，精致小巧。
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高温电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高温电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旋转卡扣的装配示意图；
31.图4为中推杆、上推杆和挤压驱动块的连接示意图；
32.图5为挤压驱动块的结构示意图；
33.图中：1-挤压驱动块，2-金属连接板，3-隔热板，4-一号加热棒，5-下端短接头，6-喷嘴加热套，7-二号加热棒，8-喷嘴，9-保温壳，10-磁吸保温套，11-磁钢，12-另一组磁钢，13-下保温壳，14-加热套，15-推杆下端导向段，16-料桶本体，17-旋转卡扣，18-中推杆，19-上推杆，20-平面，21-球面。
具体实施方式
34.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。
35.一、具体实施方式一，参见图1-5说明本实施方式，一种高温电动直写式生物打印喷头，其特征在于：包括加热装置、挤压驱动块1、下端短接头5、喷嘴加热套6、喷嘴8、保温壳9、加热套14、推杆下端导向段15、料桶本体16、中推杆18和上推杆19，
36.所述料桶本体16下方安装有下端短接头5，两者组成高温料仓，所述料桶本体16的外周安装有加热套14，所述端短接头5的外周安装有喷嘴加热套6，所述加热套14与喷嘴加热套6内均设置有加热装置，所述下端短接头5下方按照有喷嘴8，所述喷嘴8外包裹有保温壳9，所述上推杆19和中推杆18通过挤压驱动块1连接，所述中推杆18与推杆下端导向段15相连，推杆下端导向段15外侧与料桶本体16采用间隙配合。
37.所述加热套14通过隔热板3与金属连接板2连接。金属连接板2下端安装下保温壳13，将加热套14包裹。
38.所述下保温壳13内部安装另一组磁钢12，磁吸保温套10内部安装磁钢11，磁吸快装壳10由磁钢11与安装在下保温壳13内的另一组磁钢12吸附完成安装，所述磁吸保温套10既可对其内部的喷嘴加热套6进行保温，又可防止使用者触碰内部的高温金属造成烫伤。
39.在推动过程中，所述挤压驱动块1的下方平面20对中推杆18的顶部球面21产生推动。
40.本实用新型所述的高温电动直写式生物打印喷头的整体结构及基本原理：
41.高温电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。在打印过程中，首先将上中下推杆(15、18、19)取出，再常温下为固体的材料颗粒装入料桶16中，随后将上中推杆(18、19)用挤压驱动块1与直线驱动输出轴上的滑块装配在一起。随后通过温度控制系统对料桶本体16外的加热套14和下方的喷嘴加热套6进行加热，直到料桶本体
16内靠近下方喷嘴处的材料部分熔化后，利用电机驱动直线驱动输出轴带动挤压驱动块1，进而带动中推杆18和推杆下端导向段15向下挤压，将材料挤出喷嘴8，完成的打印过程。
42.其中隔热板3、下保温壳13、磁吸保温套10以及下端可拆卸保温壳9、旋转卡扣1均为不导热材质，在对加热装置进行保温的同时也避免了由于用户误触造成的烫伤情况发生。
43.本实用新型所述的高温电动直写式生物打印喷头的实用新型点解析：
44.实用新型点1：分体料桶
45.如图2所示，料仓由料桶本体16和下端短接头5两部分组成。
46.创新点：由于高温直写式打印所对应的打印材料为热塑性高分子聚合物，其在熔融状态下为黏度极高的黏流态液体，冷却后又为较为坚硬的固体。这使得打印后对料桶的清理工作十分困难。若采用传统的一体式料桶，使用者总需要使用冲洗法对料桶进行清理，而这种方式清理后的料桶总含有物料残余。而若采用分体料桶的设计，可将料桶分为两个部分，其料桶本体16为孔径一致的管路，清理较为简单；下部的下端短接头5为短小的敞口件，也较易于清理。
47.实用新型点2：旋转式料桶卡扣
48.图2所示的料桶本体16上端加装了一个旋转卡扣17，其与料桶本体16以螺纹连接。如图3所示的是旋转卡扣的装配示意图。首先将旋转卡扣17以螺纹旋紧的方式与料桶本体16连接，随后再将整体其与外侧加热套14连接。如需拆卸，则按相反步骤操作即可。
49.创新点：在以高分子聚合物熔体作为材料的打印过程中，为了进行上料的操作，研究人员常采用两种方式，将推杆抽离料桶后不将料桶从喷头中取下，直接进行材料的添加；或需将料桶整体取下后进行材料的添加。而将料桶整体取下的过程对于高温喷头，常使用扳手进行拿取，需要在打印机狭小的空间内进行复杂操作，十分不便且极易由于高温发生烫伤。旋转卡扣17的加装解决了这个问题，以不导热作为材料的旋转卡扣17固定在料桶仓体后，只需要单手旋转，即可完成料桶整体的拆装，无论是安装还是拆卸都较为方便且安全。
50.实用新型点3：二级温控
51.如图2所展示的结构剖视图可知，料桶本体16的外部和底部分别被料桶加热装置14和喷嘴加热装置6包裹。在加热套14和喷嘴加热套6上分别安装有两组温控系统。注：进行温度控制的加热原件包括但不限于加热棒4、7，电热丝、热电阻丝、弹簧加热圈、加热带或加热线等加热系统均可。可对料桶桶仓和料桶下端分别进行加热。
52.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。本实用新型采用二级温度控制，通过两组加热装置对料仓和喷嘴处进行分别温度控制，二级温控可以控制两处温度具有差别，温度控制更加精确。
53.实用新型点5：推杆自矫正防别死机构
54.上推杆19下端与直线驱动输出轴的连接处设计了一种自矫正防别死机构。如图4所示的是该机构的安装原理图。安装时首先将挤压驱动块1与直线驱动输出轴上的滑块链接，随后将上推杆19通过螺纹旋转穿过挤压驱动块1，并将其与中推杆18上端以螺纹相连。由图5可以看出，推动由挤压驱动块1的平面20和中推杆18上的球面21之间的挤压提供。该机构在挤压驱动块1内存在间隙，该间隙的存在容许整根推杆在与挤压驱动块1的配合过程中存在径向晃动。该间隙的存在和特殊的平面-球面挤压方式使推杆向下挤压过程中的前进方向不会被挤压驱动块1严重制约，为推杆提供了自矫正功能。该机构的自矫正功能与推杆下端导向段15相互配合，达到了防止别死的目的。(如果不使用自矫正防别死机构，那么整个推杆(由19、18、15所组成)的几何轴线方向将优先取决于与挤压驱动块1的连接方式。而在整个推杆运动的过程中，其是在料桶本体16内部的腔内滑动的。如果料桶本体16内部腔的轴线和推杆的轴线(也就是由挤压驱动块1决定的轴线方向)不能重合，那么就会别死；如果使用自矫正机构，那么整个推杆的轴线方向就只取决于料桶本体16腔体的形状，自矫正机构使推杆不再收到上端挤压驱动块1的限制，只需要考虑下端导向段15和挤压驱动块16内部腔的配合即可，这样推杆下端导向段15会自己沿着料桶本体16的方向走。)
55.创新点：在以驱动推杆进行熔融材料打印的领域中，推杆和料桶之间的中心线是否对齐，是一个非常重要的因素。尤其是对于较小的料桶尺寸和推杆，一旦由于安装或加工等认为原因，导致推杆的前进过程路线偏离了料桶的中心线，就会发生别死现象，严重情况下甚至会导致推杆变形，影响打印机寿命。(1)传统的推杆和丝杠滑块的连接方法是将推杆与丝杠紧密连接，推杆的前进方向被丝杠和安装块牢牢限制，不存在余量。而采用图4所示的结构，使得推杆在被驱动下压的过程中被允许存在一定范围内的径向的晃动。(2)而图5中平面20与球面21的配合也保证了该晃动不会影响下压的动作。(3)如此一来就形成了一个自矫正系统，可与图5所示的推杆下方导向段15相互配合：由推杆下端导向段15限制推杆的前进方向，上端上推杆19、挤压驱动块20和中推杆18提供自校正功能，完成防别死功能的实现。
56.实用新型点6：快装保温套
57.如图2所示，快装保温套主要包括保温壳9和磁吸快装壳10。快装保温套由两部分组成：第一部分是磁吸快装壳10，由磁钢11与安装在喷头下保温壳13上的另一组磁钢12吸附完成安装，既可对其内部的喷嘴加热套6进行保温，又可以防止使用者触碰内部的高温金属造成烫伤；第二部分是下端的喷嘴保温壳9。该保温壳9通过螺纹旋转安装在喷嘴短接头5上，对内部的喷嘴进行保温。两壳均采用不导热的材料。
58.创新点：通常的高温喷嘴处并无安装保温结构。但事实上，喷嘴处的温度对高分子聚合物的熔融影响极大。保证喷嘴处的温度是保证顺利打印的前提。此实用新型肿的快装保温套由两部分组成，无论是磁吸还是旋转部分都可用单手进行拆装，可有效提高的喷嘴处的温度。
59.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8的可控温度上限得到较大提升。
60.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。