一种自动可持续注浆3D打印装置

一种自动可持续注浆3d打印装置
技术领域
1.本发明涉及组织工程技术领域，尤其是对于大尺寸结构需求的一种自动可持续注浆3d打印装置。


背景技术：

2.目前，世界各国医学界面临了许多重大难题，其中的一个难题就是人们对于器官的需求不断增长，但用于器官移植的供体器官极度紧缺，如心脏，肺，肝脏，肾脏等器官。以往经过研究提出了许多方案来解决供体器官紧缺问题，如人工机械器官、异种器官移植和组织工程等。人工机械器官虽然能够成功植入到人体内，但它会严重影响患者的生活质量。异种器官移植，特别是转基因的动物器官，虽然降低了植入后的免疫排斥反应，但存在传播动物病毒的潜在危险和因长期服用免疫抑制剂而对患者心理产生的影响。组织工程是当前被看好的一种技术，运用组织工程技术构建人类仿生组织和器官用于器官移植，有望彻底解决供体器官紧缺这一重大难题。
3.目前，组织工程中用到的技术主要是固体自由成形技术，它包括挤压沉积技术，喷墨打印技术等，其中，喷墨打印技术又根据喷头的工作原理不同，分为压电式和热泡式两种。
4.挤压沉积技术通常采用将热的溶液经注射器喷嘴挤压到基底上，由于外面的工作环境温度低，导致溶液形成固体，通过由点到线，由线到面顺序挤压，得到一个层面，然后层层叠加，得到三维实体。同样，当打印大规模尺寸的打印件时，如果没有自动供料的装置就会导致打印过程中需要中断程序去补给浆料，就可能也无法打印大规模尺寸的打印件。
5.以上技术，都没有在打印大三尺寸三维结构的自动供料装置。


技术实现要素：

6.本发明根据现有技术的不足，提出一种自动可持续注浆3d打印装置，设计了双筒供料装置与自动浆料搅拌装置，以便在打印大尺寸打印件时可以避免需要被迫停机补给浆料的麻烦问题与打印连续性的问题。
7.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
8.一种自动可持续注浆3d打印装置，外部框架、三维运动工作机构、打印装置、双筒供料装置和自动浆料搅拌装置，所述的三维运动工作机构安装在外部框架上，所述打印装置安装在三维运动工作机构上，所述双筒供料装置安装在外部框架底部，所述双筒供料装置与打印装置通过输料管道相连接，所述浆料搅拌装置与双筒供料装置通过输料管道相连接，所述双筒供料装置包括主料筒装置和副料筒装置，所述主料筒装置包括若干个主料筒、料筒安装平台和交替送料装置，所述料筒安装平台安装在外部框架底部，若干所述主料筒阵列式固定设置在料筒安装平台上，所述主料筒一端分别设有与自动浆料搅拌装置相连接进料口和与副料筒装置相连通的出料口，所述主料筒的另一端开口，所述主料筒内设置有用于推料的活塞，所述交替送料装置动力输出至活塞，所述副料筒装置通过输料管道与打
印装置相连通。
9.作为优选，所述交替送料装置包括推料缸体、滑动基座、丝杆电机、丝杆和承载滑块，所述滑动基座上设有直线导轨，所述承载滑块滑动安装在直线滑轨上，所述丝杆通过旋转轴承可转动安装在滑动基座上，所述丝杆电机固定在滑动基座的一侧，所述丝杆电机的输出轴通过第二联轴器与丝杆的一端固定连接，所述承载滑块螺纹孔与丝杆螺纹连接，所述推料缸体固定在承载滑块上方，所述推料缸体的输出端固定设置有推杆，所述推杆的外端固定设置有推动元件。
10.作为优选，所述副料筒与主料筒的供料原理相同。
11.作为优选，所述料筒安装平台上固定设置有若干料筒防滑座，所述料筒防滑座设有与主料筒相匹配的内腔，所述料筒防滑座的两端设有共输料管道和推杆穿过的缺口。
12.作为优选，所述承载滑块下部固定设置有导轨滑块，所述导轨滑块的底侧设有与直线导轨相配合的滑接槽，所述承载滑块上固定设置有l型的固定架，所述推料缸体固定安装在固定架上。
13.作为优选，所述的三维运动工作机构包括相配合的xy平面运动机构和z轴支撑运动机构，所述的xy平面运动机构包括电机安装板、x向驱动电机、同步带、x向滑座和x向光轴，两根所述x向光轴呈对称结构且平行设置在外部框架顶部，两个所述x向驱动电机分别通过第一安装板安装在外部框架上且靠近x向光轴的一端，靠近所述x向光轴的另一端设有滑轮，所述同步带绕接在同侧的x向驱动电机的输出轴和滑轮上，所述同步带与x向光轴平行，所述x向滑座上设有通孔，所述x向滑座通过通孔滑动安装在x向光轴上，所述同步带上某一点固定连接至滑座，两侧所述的滑座之间固定设置有y向滑轨，所述y向滑轨上设置有可滑动的y向滑块，所述y向滑块的一侧安装有驱动y向滑动移动的y向驱动电机，所述y向滑块的另一侧设置有l型的安装座。
14.上述技术方案中，x向驱动电机驱动同步带运动，同步带带动x向滑座完成x向移动，x向滑座带动y滑块完成x向运动，y向驱动电机驱动y滑块完成y向移动，xy平面运动机构带动y滑块进行xy向移动。
15.具体的，y向滑轨包括上导轨和下导轨，其中下导轨上设有锯齿带，所述y向滑块内设有供y向导轨穿过的通孔，其内容设置有齿轮，所述齿轮与锯齿带啮合，y向驱动电机与齿轮的轴心相连接。
16.作为优选，所述z轴支撑运动机构包括电机、滚珠丝杆、丝杆螺母、z轴支撑板和z向光轴，两个所述电机分别通过第二安装板固定在外部框架底部，两根所述滚珠丝杆沿z向设置，所述滚珠丝杆的顶端通过旋转轴承可转动安装在外部框架的顶部，所述滚珠丝杆的底端与电机的输出轴固定连接，两个所述丝杆螺母固定安装在z轴支撑板两侧的中间位置且分别螺纹连接至两根滚珠丝杆，所述滚珠丝杆的两侧呈对称结构设置有z向光轴，所述z轴支撑板上对应z向光轴设置有光轴套。
17.上述技术方案中，所述z轴支撑运动机构是由固定在框架底部的电机通过第一联轴器带动丝杆与丝杆螺母完成升降运动，丝杠螺母连接支撑板，带动支撑板及工作平台的升降运动。
18.作为优选，所述打印装置包括打印平台、喷头电机和喷头，所述喷头安装在喷头电机上，所述喷头电机安装在安装座上，所述打印平台固定在z轴支撑板上。
19.其中，喷头挤出方式选用的是螺杆挤出(没有存储功能)由上述xy平面运动机构的y滑块完成对y滑块上的打印装置的xy向移动。
20.作为优选，所述自动浆料搅拌装置包括步进电机、圆盘连接件、料槽和齿轮盘，所述步进电机通过第三安装板安装在外部框架上，所述步进电机的输出端通过齿轮盘转动至圆盘连接件的顶侧，所述圆盘连接件位于料槽内，所述料槽通过支撑板安装在外部框架上，所述料槽通过输料管道连通至主料筒，所述齿轮盘包括不完全半齿轮、完整正齿轮和不完全内齿轮圆盘，所述不完全半齿轮位于不完全内齿轮圆盘内，且同轴连接，所述步进电机的输出端与不完全半齿轮的轴心处固定连接，所述完整正齿轮分别与不完全半齿轮和不完全内齿轮圆盘啮合，所述不完全内齿轮圆盘的底侧通过传动杆与圆盘连接件的顶侧中心处固定连接。
21.上述技术方案中，齿轮盘的设置两不完全齿轮固联在一起同步转动，两不完全齿轮安装时，齿轮光滑部分是相反位置的。步进电机驱动齿轮组(充当减速器)带动搅拌桨做旋转运动。自动浆料搅拌装置正反转低速交替旋转搅拌，可以为打印提供质地均匀无沉淀的新鲜浆料，可为打印质量提供保证。
22.一种自动可持续注浆3d打印装置的打印方法，包括如下步骤：
23.1)依据ct扫描设备数据，应用cad软件设计三维生物结构模型；
24.2)将上述cad软件设计的三维生物结构模型的实体数据，经过分层软件分层切片处理，形成相应代码输入到三维生物结构的3d打印装置中；
25.3)自动浆料搅拌装置配好浆料后将第一主料筒和第二主料筒填充满浆料，然后第一主料筒供料，活塞将第一主料筒中的浆料挤出，通过输料管道由进料口流入副料筒中，主料筒容量比副料筒容量大，在浆料填充完副料筒后出料口打开，浆料经出料口流出送往打印装置，打印装置经喷头挤出浆料到工作平台上开始制造三维结构；
26.在第一主料筒浆料消耗完毕时第一主料筒停止工作，进料口关闭，副料筒开始工作，副料筒工作采用的是和主料筒相筒的送料方式给打印装置供料，保证整个打印过程不中断，在第一主料筒停止工作后，主料筒切换至第二主料筒，同时自动浆料搅拌装置往第一主料筒进行浆料填充；
27.当副料筒内的浆料将要打印完时，进料口打开，第二主料筒内的浆料通过管道流入副料筒中，这时副料筒停止工作，一部分浆料经出料口流入到打印装置，一部分浆料对副料筒进行补充，等副料筒内的活塞回到初始位置后副料筒停止工作，当第二主料筒浆料耗尽后第二主料筒停止工作，进料口关闭，副料筒开始工作，同时主料筒切换至第一主料筒，自动浆料搅拌装置往第二主料筒补充浆料；
28.当副料筒内的浆料将要打印完时，进料口打开，第一主料筒工作，将浆料挤入副料筒，这时副料筒停止工作，一部分浆料经出料口流入到打印装置，一部分浆料对副料筒进行补充，等副料筒内的活塞回到初始位置后副料筒停止工作，当第一主料筒浆料耗尽后第一主料筒停止工作，进料口关闭，副料筒开始工作，同时主料筒切换至第二主料筒，自动浆料搅拌装置往第一主料筒补充浆料，重复上述操作直到打印出大尺寸长高度的三维生物结构。
29.本发明具有以下的特点和有益效果：
30.一、本发明增加的双筒供料装置，自动浆料搅拌装置，并对运动工作台机构的结构
改进，三维运动工作机构对工作平台可进行全方位调整，通过xy平面运动机构、z轴支撑机构、喷头、双筒供料装置、自动浆料搅拌装置、工作平台的综合运动就能生成复杂大尺寸形状的三维生物空心或实心结构，克服了传统制造大尺寸长高度结构的困难。
31.二、本发明方法简单，易于操作，成本低，不需要支撑材料，利用持续供料功能，双筒供料装置保证浆料不断，自动浆料搅拌装置保证浆料的质量(无沉淀，均匀)可以实现高效高质量打印，中途不需要为补充浆料而暂时停止打印。对于不同形状的三维结构，只需改变三维模型，调整打印参数，就能直接制备具有各种结构和一定力学性能的三维支架。
32.三、本方法不仅仅局限于挤出式打印，同样适用于其他相关的三维打印设备，只需要使用同样的装置，具有较好的应用前景。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1是本发明实施例一种自动可持续注浆3d打印装置的结构示意图；
35.图2是本发明的xy平面运动装置示意图；
36.图3是本发明的z轴支撑运动机构结构示意图；
37.图4是本发明的双筒供料装置的结构示意图；
38.图5是本发明的副料筒的结构示意图；
39.图6是本发明的浆料搅拌装置示意图；
40.图7是图6中传动机构的示意图；
41.图8是本发明的自动可持续注浆3d打印装置的打印方法流程示意图；
42.图9是本发明的装置示意简图。
43.图中:1-外部框架，2-自动浆料搅拌装置，3-三位维运动工作机构，4-打印装置，5-双筒供料装置，6-输料管道，7-第一安装板，8-x向驱动电机，9-同步带，10-x向滑座，11-y滑块，12-y向驱动电机，13-x向光轴，14-喷头电机，15-喷头，16-y向滑轨，17-第二安装板，18-电机，19-第一联轴器，20-滚珠丝杆，21-z轴支撑板，22-丝杆螺母，23-z向光轴，24-打印平台，25-光轴套，26-料筒安装平台，27-推杆，28-料筒防滑座，29-推动元件，30-活塞，31-主料筒，32-固定架，33-推料缸体，34-丝杆，35-直线导轨，36-承载滑块，37-导轨滑块，38-滑动基座，39-第二联轴器，40-丝杆电机，41-副料筒，42-支撑板，43-料槽，44-圆盘连接件，45-第三安装板，46-步进电机，47-不完全半齿轮，48-完整正齿轮，49-不完全内齿轮圆盘。
具体实施方式
44.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
45.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗
示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
46.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
47.本发明提供了一种自动可持续注浆3d打印装置，如图1所示，包括：外部框架1，三维运动工作机构3，打印装置4，双筒供料装置5，自动浆料搅拌装置2。
48.所述的三维运动工作机构3安装在外部框架1上，所述打印装置4安装在三维运动工作机构3上，所述双筒供料装置5与打印装置4通过输料管道6相连接，所述自动浆料搅拌装置2与双筒供料装置5通过输料管道6相连接。所述外部框架1由铝型材，角码连接，所述双筒供料装置5是由主副料筒串联连接,所述的三维运动机构包括xy平面运动机构与z轴支撑运动机构。
49.所述的所有结构均匀稳定安装在打印机外部整体框架上。
50.本实施例中的打印装置4包括安装在xy平面运动机构的y滑块11上的喷头电机14，安装在喷头电机14上的喷头15。由xy平面运动机构的y滑块11完成对y滑块11上的打印装置4的xy向移动。z轴支撑运动机构控制打印平台23实现升降运动，双筒供料装置5与自动浆料搅拌装置2实时连续地为喷头15提供新鲜浆料，保证连续的打印。
51.进一步的，如图2所示，所述的xy平面运动机构包括两则呈对称结构设置的x向驱动机构，所述x向驱动机构包括第一安装板7，安装在第一安装板7上的x向驱动电机8，安装在x向驱动电机8输出轴上的同步带9，与同步带9连接的x向滑座10，安装在两个x向滑座10上的y向滑轨16，安装在y向滑轨16上的y滑块11，所述y向滑块的一侧安装有驱动y向滑动移动的y向驱动电机12，所述y向滑块的另一侧设置有l型的安装座。
52.具体的，y向滑轨包括上导轨和下导轨，其中下导轨上设有锯齿带，所述y向滑块内设有供y向导轨穿过的通孔，其内容设置有齿轮，所述齿轮与锯齿带啮合，y向驱动电机与齿轮的轴心相连接。
53.x向驱动电机8驱动同步带9运动，同步带9带动x向滑座10完成x向移动，x向滑座10带动y滑块11完成x向运动，y向驱动电机12驱动y滑块11完成y向移动，xy平面运动机构带动y滑块11进行xy向移动。
54.进一步的，所述的z轴支撑运动机构包含安装在外部框架1上的第二安装板17，安装在所述第二安装板17上的电机18，与所述电机18通过第一联轴器19连接的滚珠丝杆20，与所述滚珠丝杆20通过丝杆螺母22连接的z轴支撑板21，与所述z轴支撑板21通过光轴套25配合的z轴光轴23，安装在z轴支撑板21上的工作平台24。
55.所述z轴支撑运动机构是由在框架底部固定的电机18通过第一联轴器19带动滚珠丝杆20与丝杆螺母22完成升降运动，丝杠螺母22连接z轴支撑板21，带动z轴支撑板21及工
作平台24完成升降运动。结合上述打印装置4，xy平面运动机构与z轴支撑机构协调运动就可以完成在打印平台23上打印复杂结构的三维生物结构。
56.可以理解的，当在打印大尺寸长高度的大打印件的时候，双筒供料装置5就起到了关键性作用。
57.本实施例的进一步设置，如图3所示，所述双筒供料装置5由主料筒装置与副料筒装置组成，主副料筒装置串联连接，主料筒装置包括安装在外部框架内的料筒安装平台26，安装在料筒安装平台26上的料筒防滑座28，安装在料筒防滑座28上的主料筒31，与所述主料筒31内配合的活塞30，与所述活塞30配合的推动元件29，与所述推动元件29相连接的推杆27，与所述推杆27相连接的推料缸体33，与所述推料缸体33连接的固定架32，安装在所述固定架32上的承载滑块36，与所述承载滑块36相配合的丝杆34，与所述丝杆34通过联轴器相连的丝杆电机40，与所述丝杆电机40配合的丝杆电机安装座38，安装在所述丝杆电机安装座38上的直线导轨35，安装在直线导轨35上的导轨滑块37，副料筒41与主料筒31结构相同，导轨滑块37与承载滑块36固定连接，丝杆电机40驱动丝杆34驱动承载滑块36带动推料缸体33做往返运动(换料筒操作)，推料缸体33驱动推杆27通过推动元件29带动活塞30运动(输料动作)。设计时副料筒进出料口位置接近，活塞限位触碰点在进料口上方紧挨进料口，为了使得填充与输送浆料过程连贯。
58.供料过程(工作原理)：工作时推料缸体33带动丝杆27运动，丝杆螺母22将转动转化为直线传动推动活塞运动，活塞30将第一主料筒31中的材料挤出，通过管道6由进料口流入副料筒41中，主料筒容量比副料筒容量大，且副料筒41出料口关闭，在补充完副料筒41后再打开出料口，浆料由出料口流出送往打印装置。在第一主料筒31浆料消耗完毕时，副料筒进料口关闭，以防止材料回流，并传出信号到主控区，主控区接受信号并传出信号让副料筒41工作为打印装置4提供浆料，副料筒41工作采用的是和主料筒31相同的送料方式给打印装置4供料，在副料筒41工作时，第一主料筒31停止工作，且主料筒采用丝杆电机40驱动丝杆34运动来带动承载滑块36上的推料缸体33做平动的方式切换至第二主料筒，由自动浆料搅拌装置2通过管道6给第一主料筒31填充浆料。当副料筒41内的浆料将要打印完时，副料筒进料口打开，第二主料筒开始供料，通过管道6将浆料送入副料筒41中，这时副料筒41停止工作，一部分浆料经出料口流入到打印装置4，一部分浆料对副料筒41进行补充，等副料筒内的活塞30回到初始位置后副料筒41停止工作。当第二主料筒浆料耗尽后，进料口关闭，副料筒41开始工作，同时第二主料筒切换至第一主料筒31，并由自动搅拌装置2通过管道6对第二主料筒完成浆料填充，当副料筒41浆料快耗尽时，进料口打开，第一主料筒31工作，通过管道6将浆料挤入副料筒41中，副料筒41停止工作，浆料由出料口送往打印装置4并分流缓慢补满副料筒41，同时副料筒电机33反转将活塞30移至初始位置后副料筒41停止工作，当第一主料筒31浆料耗尽后，进料口关闭，副料筒41开始工作，如此循环完成可连续供料过程。
59.需要说明的是，如图5所示，副料筒装置的送料结构与主料筒的送料结构相同，包括副料筒41和推料缸体，副料筒内设有活塞。副料筒上设有进料口和出料口，出料口通过输料管到与打印装置相连。
60.本实施例的进一步设置，如图6和图7所示，所述的自动浆料搅拌装置由安装在外部框架1上的支撑板42，安装在支撑板42上的搅拌料槽43，与搅拌料槽43配合的圆盘连接件
44，可以理解的，圆盘连接件的下方安装有搅拌桨，安装在圆盘连接件44轴上的不完全半齿轮48，与不完全半齿轮48啮合的完整正齿轮47，与完整正齿轮47内啮合的不完全内齿轮圆盘49，与所述不完全内齿轮圆盘49通过联轴器39相连的步进电机46，与所述步进电机46连接的电机安装板45。两不完全齿轮固联在一起同步转动，两不完全齿轮安装时，齿轮光滑部分处在相反位置上。步进电机46驱动齿轮组(充当减速器)带动圆盘连接件(装有搅拌桨)44做周期性的正反转运动。
61.如图8所示，该自动可持续注浆3d打印装置的打印方法，具体是这样实现的：
62.步骤(1)依据ct扫描设备数据，应用cad软件设计精确的三维生物结构模型；
63.步骤(2)将上述cad软件设计三维生物结构模型的实体数据转换成stl(stereo lithography的缩写)格式文件，经过分层软件分层切片处理，形成相应代码输入到三维生物结构的3d打印装置中；
64.步骤(3)自动浆料搅拌装置2配好浆料后将第一主料筒31和第二主料筒填充满浆料，然后第一主料筒31供料，推料缸体33带动t8丝杆27运动，丝杆螺母将转动转化为直线传动推动活塞30运动，活塞30将第一主料筒31中的浆料挤出，通过管道6由进料口流入副料筒41中，在浆料填充完副料筒41后出料口打开，浆料经出料口流出送往打印装置4，打印装置4经喷头15挤出浆料到工作平台24上开始制造三维结构。
65.在第一主料筒31浆料消耗完毕时第一主料筒31停止工作，进料口关闭，副料筒41开始工作，副料筒41工作采用的是和主料筒31相同的送料方式给打印装置4供料，保证整个打印过程不中断。在第一主料筒31停止工作后，主料筒31采用丝杆电机40驱动丝杆34运动来带动承载滑块36上的推料缸体33做平动的方式切换至第二主料筒，同时自动浆料搅拌装置2往第一主料筒31进行浆料填充。
66.当副料筒41内的浆料将要打印完时，进料口打开，第二主料筒内的浆料通过管道6流入副料筒41中，这时副料筒41停止工作，一部分浆料经出料口流入到打印装置4，一部分浆料对副料筒41进行补充，等副料筒内的活塞30回到初始位置后副料筒41停止工作。当第二主料筒浆料耗尽后第二主料筒停止工作，进料口关闭，副料筒41开始工作，同时主料筒切换至第一主料筒31，自动浆料搅拌装置2往第二主料筒补充浆料。
67.当副料筒41内的浆料将要打印完时，进料口打开，第一主料筒31工作，将浆料通过管道6挤入副料筒41，这时副料筒41停止工作，一部分浆料经出料口流入到打印装置4，一部分浆料对副料筒41进行补充，等副料筒41内的活塞33回到初始位置后副料筒41停止工作，当第一主料筒31浆料耗尽后第一主料筒31停止工作，进料口关闭，副料筒41开始工作，同时主料筒31切换至第二主料筒，自动浆料搅拌装置2往第一主料筒31补充浆料，重复上述操作直到打印出大尺寸长高度的三维生物结构。
68.以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式包括部件进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。