一种用于生物3D打印机的打印头及其生物3D打印机的制作方法

一种用于生物3d打印机的打印头及其生物3d打印机
技术领域
1.本发明涉及3d打印领域，特别是涉及一种用于生物3d打印机的打印头及其生物3d打印机。


背景技术：

2.3d生物打印能用来打印人体组织和器官，利用计算机精确控制逐层沉积“生物墨水”，就可制备出具有仿生结构的植入体。3d生物打印技术是现代医学的一场技术革命。
3.生物墨水通常放在注射器中，通过注射器出液端挤出进行打印。挤出方式一般分为两种，电动挤出和气动挤出，电动挤出利用电机驱动，推动注射器推杆挤出生物墨水进行生物3d打印，气动挤出利用气泵通过空气压力挤出生物墨水。
4.对于上述生物墨水挤出方式，在生物3d打印机停止打印后，注射器内部还会有残余压力，使生物墨水还会被多挤出一部分，影响已打印产品的质量。


技术实现要素：

5.本发明目的是针对背景技术中存在的问题，提出一种能在打印机停止打印后防止生物墨水被挤出的用于生物3d打印机的打印头及其生物3d打印机。
6.一方面，本发明提出一种用于生物3d打印机的打印头，包括：
7.中间管，竖直设置，顶端为进液端，中段具有连通口，下部为调节仓，调节仓低于连通口高度，调节仓底端具有通气孔；
8.出料管，为倒“j”形结构，包括一体连接的斜管部、过渡管部和竖管部，斜管部通过连通口与中间管连通，斜管部沿连通口至过渡管部方向倾斜向上设置，竖管部底端为出液端；
9.调节塞，滑动密封设置在调节仓内壁上，并将调节仓由上至下分隔为液体仓和气体仓；
10.能在驱动调节塞下移时使出料管出液端处的生物墨水在压力差作用下回流的调节机构。
11.优选的，调节机构包括：
12.固定环，设置在液体仓内壁上，中部设置有供生物墨水流通的通道；
13.电磁铁，嵌入设置在固定环内部；
14.通断电模块，用于控制电磁铁通断电；
15.铁磁性嵌块，嵌入设置在调节塞内部；
16.弹性件，竖直设置在气体仓内侧，且两端分别与调节塞底端和中间管底部连接。
17.优选的，调节机构包括：
18.移动杆a，竖直贯穿通气孔，顶端与调节塞连接；
19.连接板a，与移动杆a底端连接；
20.伸缩机构，竖直设置在中间管上，与连接板a驱动连接。
21.优选的，调节机构包括：
22.移动杆b，竖直贯穿通气孔，顶端与调节塞连接；
23.连接板b，与移动杆b底端连接；
24.螺杆，竖直设置，与连接板b螺纹连接；
25.马达，设置在中间管上，与螺杆驱动连接；
26.导向杆，竖直设置在中间管底部，与连接板b滑动连接；
27.固定板，与螺杆转动连接，并与导向杆连接。
28.优选的，螺杆外周侧设置有折叠套。
29.优选的，调节塞外周面上设置有卡槽，卡槽呈圆环形；卡槽处卡嵌设置有弹性圈，弹性圈与中间管密封连接，弹性圈为圆环形，弹性圈顶部设置有环形槽，环形槽宽度由上至下逐渐减小。
30.优选的，通气孔处设置有过滤筛，过滤筛具有多个连通气体仓和中间管外部空气的筛孔.
31.优选的，还包括堵塞消除机构，堵塞消除机构包括：
32.用于穿入出料管出液端的刺针；
33.与刺针连接的安装板；
34.用于驱动安装板升降的竖移机构；
35.设置在中间管上并用于驱动竖移机构水平移动的横移机构。
36.优选的，上述打印头包括如下两种场景下的使用方法：
37.场景一、在打印机停止打印时的使用方法包括如下步骤：
38.s11、通过调节机构驱动调节塞下移，液体仓容积变大，中间管和出料管内的压力小于外部气压，在压力差作用下，出料管出液端处的生物墨水向出料管内侧回流；
39.场景二、在出料管出液端被封堵时的使用方法包括如下步骤：
40.s21、通过竖移机构驱动安装板下移，直至刺针移动至顶端低于出液端的高度；
41.s22、通过横移机构驱动竖移机构移动，直至刺针移动至出液端下方；
42.s23、通过竖移机构驱动安装板上移，直至刺针穿透被封堵的出液端；
43.s24、通过调节机构驱动调节塞下移，液体仓容积变大，此时，中间管和出料管内的压力小于外部气压；
44.s25、通过竖移机构驱动安装板下移，直至刺针脱离出液端；此时，在压力差作用下，出料管出液端处的生物墨水向出料管内侧回流；
45.s26、通过横移机构驱动竖移机构回移，并通过竖移机构驱动安装板上移，使刺针复位。
46.另一方面，本发明提出一种生物3d打印机，包括：
47.机架；
48.根据权利要求所述的打印头；
49.注射器，包括料筒、滑动设置在料筒内的活塞、与活塞连接的推杆，以及用于驱动推杆移动的推拉机构，料筒输出端与中间管顶端连通；
50.设置在机架上，且用于在水平面内调节打印头运动的平面调节装置；
51.打印台；
52.设置在机架上，且用于驱动打印台沿竖直方向移动的竖直调节装置；
53.中央控制器，与推拉机构、堵塞消除机构、调节机构、竖移机构和横移机构分别控制连接。
54.与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：
55.本发明能在打印机停止打印后防止生物墨水被挤出。在打印完毕后，本发明通过调节机构驱动调节塞下移，液体仓容积变大，中间管和出料管内的压力小于外部气压，在压力差作用下，一方面，对于被从中间管顶端施加残余压力的生物墨水，存在沿着竖直的中间管向下流通的趋势，而不会沿着倾斜的斜管部流入出料管内。另一方面，出料管出液端处的生物墨水会向出料管内侧回流。生物墨水不会滴落到已打印产品上，不会影响产品质量。
附图说明
56.图1为本发明一种用于生物3d打印机的打印头实施例一的结构示意图；
57.图2为本发明一种用于生物3d打印机的打印头实施例二的局部结构剖视图；
58.图3为图2中a处的结构放大图；
59.图4为图3中b处的结构放大图；
60.图5为本发明一种用于生物3d打印机的打印头实施例三的局部结构剖视图；
61.图6为图5中c处的结构放大图；
62.图7为本发明一种用于生物3d打印机的打印头实施例四的局部结构剖视图；
63.图8为图7中d处的结构放大图；
64.图9为调节塞的结构剖视图；
65.图10为图9中e处的结构放大图。
66.附图标记：1、料筒；2、中间管；3、出料管；4、刺针；5、安装板；6、竖移机构；7、横移机构；8、调节塞；801、卡槽；81、铁磁性嵌块；9、固定环；901、通道；91、电磁铁；10、弹性件；11、过滤筛；12、移动杆a；13、连接板a；14、伸缩机构；15、移动杆b；16、连接板b；17、马达；18、螺杆；19、导向杆；20、固定板；21、弹性圈；211、环形槽。
具体实施方式
67.实施例一
68.如图1-8所示，本发明提出的一种用于生物3d打印机的打印头，包括中间管2、出料管3、调节塞8和调节机构。
69.中间管2竖直设置，中间管2顶端为进液端，中段具有连通口，下部为调节仓，调节仓低于连通口高度，调节仓底端具有通气孔。出料管3为倒“j”形结构，出料管3包括一体连接的斜管部、过渡管部和竖管部，斜管部通过连通口与中间管2连通，斜管部沿连通口至过渡管部方向倾斜向上设置，竖管部底端为出液端，通过该出液端进行打印。调节塞8滑动密封设置在调节仓内壁上，调节塞8将调节仓由上至下分隔为液体仓和气体仓。调节机构能在驱动调节塞8下移时使出料管3出液端处的生物墨水在压力差作用下回流。
70.上述打印头在打印机停止打印时的使用方法如下：
71.通过调节机构驱动调节塞8下移，液体仓容积变大，中间管2和出料管3内的压力小于外部气压，在压力差作用下，一方面，对于被从中间管2顶端施加残余压力的生物墨水，存
在沿着竖直的中间管2向下流通的趋势，而不会沿着倾斜的斜管部流入出料管3内。另一方面，出料管3出液端处的生物墨水会向出料管3内侧回流。生物墨水不会滴落到已打印产品上，不会影响产品质量。
72.实施例二
73.如图2-4所示，本发明提出的一种用于生物3d打印机的打印头，相较于实施例一，本实施例中，调节机构包括固定环9、电磁铁91、通断电模块、铁磁性嵌块81和弹性件10，占用空间小，调节方便。固定环9设置在液体仓内壁上，固定环9中部设置有供生物墨水流通的通道901。电磁铁91嵌入设置在固定环9内部。铁磁性嵌块81嵌入设置在调节塞8内部，铁磁性嵌块81采用铁磁性材料制成，能被磁铁吸引。通断电模块用于控制电磁铁91通断电。弹性件10竖直设置在气体仓内侧，且弹性件10两端分别与调节塞8底端和中间管2底部连接。
74.在电磁铁91通电时，电磁铁91透过固定环9和调节塞8来吸引铁磁性嵌块81，使得调节塞8被压紧在固定环9底部，弹性件10被拉伸，弹性件10内储存有弹性势能。当打印机打印完毕后，对电磁铁91断电，弹性件10回缩，弹性件10带动调节塞8下移，扩大液体仓容积，从而使生物墨水不会从出料管3出液端滴落，不会影响已打印产品的质量，避免了生物墨水材料的浪费。
75.实施例三
76.如图5-6所示，本发明提出的一种用于生物3d打印机的打印头，本实施例与实施例二的区别在于：调节机构包括移动杆a12、连接板a13和伸缩机构14。移动杆a12竖直贯穿通气孔，移动杆a12顶端与调节塞8连接。连接板a13与移动杆a12底端连接。伸缩机构14竖直设置在中间管2上，伸缩机构14与连接板a13驱动连接，伸缩机构14可为电动推杆、气缸或直线电机等能够驱动连接板a13沿直线移动的结构。
77.伸缩机构14输出端能驱动连接板a13沿直线移动，连接板a13带动移动杆a12沿直线移动，移动杆a12带动调节塞8在中间管2内滑动，移动过程平稳，调节方便，结构简单。
78.实施例四
79.如图7-8所示，本发明提出的一种用于生物3d打印机的打印头，本实施例与实施例二和实施例三的区别在于：调节机构包括移动杆b15、连接板b16、马达17、螺杆18、导向杆19和固定板20。移动杆b15竖直贯穿通气孔，移动杆b15顶端与调节塞8连接。连接板b16与移动杆b15底端连接。螺杆18竖直设置，螺杆18与连接板b16螺纹连接。马达17设置在中间管2上，马达17与螺杆18驱动连接。导向杆19竖直设置在中间管2底部，导向杆19与连接板b16滑动连接。固定板20与螺杆18转动连接，并与导向杆19连接。螺杆18外周侧设置有折叠套，折叠套能对螺杆18起到遮挡作用，保证打印环境的整洁性。
80.马达17输出轴能正反转，马达17驱动螺杆18转动，螺杆18带动连接板b16升降，导向杆19用于对连接板b16的升降过程进行导向，连接板b16带动移动杆b15升降，从而使移动杆b15带动调节塞8升降。
81.实施例五
82.本发明提出的一种用于生物3d打印机的打印头，相较于实施例二、实施例三和实施例四，本实施例中，如图9-10所示，调节塞8外周面上设置有卡槽801，卡槽801呈圆环形；卡槽801处卡嵌设置有弹性圈21，弹性圈21与中间管2密封连接，弹性圈21为圆环形，弹性圈21顶部设置有环形槽211，环形槽211宽度由上至下逐渐减小。
83.通过设置弹性圈21，能进一步提高密封效果，防止生物墨水从液体仓渗透到气体仓，防止造成材料的浪费。在弹性圈21下移时，环形槽211会发生变形，保证密封效果。在弹性圈21上移时，弹性圈21能通过环形槽211外边缘将中间管2内壁上的生物墨水刮落，防止附着。
84.实施例六
85.本发明提出的一种用于生物3d打印机的打印头，相较于实施例二、实施例三和实施例四，本实施例中，通气孔处设置有过滤筛11，过滤筛11具有多个连通气体仓和中间管2外部空气的筛孔。
86.过滤筛11能防止外部空气中的杂物进入气体仓内部，但仍能通过筛孔来保证气体仓压力与外部压力的平衡。
87.实施例七
88.本发明提出的一种用于生物3d打印机的打印头，相较于实施例一，本实施例还包括堵塞消除机构，堵塞消除机构包括刺针4、安装板5、竖移机构6和横移机构7。刺针4用于穿入出料管3出液端。安装板5与刺针4连接。竖移机构6用于驱动安装板5升降。横移机构7设置在中间管2上并用于驱动竖移机构6水平移动。
89.上述打印头在出料管3出液端被封堵时的使用方法包括如下步骤：
90.s21、通过竖移机构6驱动安装板5下移，直至刺针4移动至顶端低于出液端的高度；
91.s22、通过横移机构7驱动竖移机构6移动，直至刺针4移动至出液端下方；
92.s23、通过竖移机构6驱动安装板5上移，直至刺针4穿透被封堵的出液端，刺针4周围与被封堵处充分接触，生物墨水不会从刺针4和被封堵处之间泄漏；
93.s24、通过调节机构驱动调节塞8下移，液体仓容积变大，此时，中间管2和出料管3内的压力小于外部气压；
94.s25、通过竖移机构6驱动安装板5下移，直至刺针4脱离出液端；此时，在压力差作用下，出料管3出液端处的生物墨水向出料管3内侧回流，不会造成打印机的脏污，不会造成生物墨水的浪费；
95.s26、通过横移机构7驱动竖移机构6回移，并通过竖移机构6驱动安装板5上移，使刺针4复位。
96.实施例八
97.一种生物3d打印机，包括上述实施例中的打印头，还包括机架、注射器、打印台、平面调节装置、竖直调节装置和中央控制器；注射器包括料筒1、滑动设置在料筒1内的活塞、与活塞连接的推杆，以及用于驱动推杆移动的推拉机构，料筒1输出端与中间管2顶端连通。平面调节装置设置在机架上，用于在水平面内调节打印头运动。竖直调节装置设置在机架上，用于驱动打印台沿竖直方向移动。中央控制器与推拉机构、堵塞消除机构、调节机构、竖移机构6和横移机构7分别控制连接，可具体的控制调节机构中的通断电模块或伸缩机构14或马达17。
98.打印机通过中央控制器控制推拉机构停止运行来停止推动推杆，从而停止打印。但是活塞仍对料筒1内的生物墨水具有残留的压力。此时，通过中央控制器控制调节机构驱动调节塞8下移，使得液体仓容积变大，打印头内部压力会小于外部气压，能用于消除残留的压力，使得生物墨水流向液体仓，出料管3出液端处的生物墨水不会滴落，不会影响打印
台上已打印产品的质量。
99.当出料管3出液端发生堵塞时，通过控制竖移机构6和横移机构7来将刺针4穿透堵塞处。然后通过中央控制器控制调节机构驱动调节塞8下移，使得液体仓容积变大，打印头内部压力会小于外部气压。接着将刺针4从出液端移开，此时，在气压差作用下，空气会将出液端处的生物墨水向内推动，实现生物墨水的回流，生物墨水不会滴落，不会导致生物墨水的浪费和打印机的脏污。
100.上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下还可以作出各种变化。