复合多喷头3D打印成型系统技术方案

本发明专利技术涉及组织工程领域，尤其涉及一种复合多喷头3D打印成型系统。其克服了传统组织工程支架因材料和打印方法单一而造成的成形形状单一、机械性能不足、无法同时打印多种材料、多种细胞的缺点。包括底部框架、温控及制冷装置、设置于框架上的三维运动机构；其特征在于，所述三维运动机构包括X轴运动机构、Y轴运动机构、Z轴运动机构；所述X轴运动机构上设置有成形台，Y轴运动机构位于Z轴运动机构上；所述Y轴运动机构上设置有竖向的Z轴工作台，该Z轴工作台位于成形台上方，所述Z轴工作台上设置有三复合Z轴运动机构；所述三复合Z轴运动机构。

【技术实现步骤摘要】
复合多喷头3D打印成型系统
本专利技术涉及组织工程领域，尤其涉及一种复合多喷头3D打印成型系统。
技术介绍
组织工程是目前较为热门的一门交叉学科。组织工程是在细胞和组织水平上操作的生物工程,主要致力于组织和器官的形成和再生。其三大要素是细胞、生物材料支架及生长因子。3D打印技术(又称3D快速成型技术或增材制造技术)是20世纪80年代后期开始逐渐兴起的一项新兴制造技术，它是指在计算机控制下，根据物体的计算机辅助设计(CAD)模型或计算机断层扫描(CT)等数据，通过材料的精确3D堆积，快速制造任意复杂形状3D物体的新型数字化成型技术，3D打印技术的基本制造过程是按照“分层制造、逐层叠加”的原理。通过计算机控制的3D打印系统进行逐层打印，叠加后最终获得三维产品,为传统成形技术所存在的问题提供了新的思路。器官3D打印技术与传统组织工程等方法有所不同，是指在计算机的精确控制下，将细胞与凝胶材料混合在一起，进行层层堆积成形。其最大优势在于复杂外形与内部微细结构的一体化制造，各种器官的个性化生产，是传统制造技术所不可企及的。美国的麻省理工学院、卡内基梅隆大学、密歇根大学、新加坡国立大学和国内的清华大学都在从事这方面的研究工作。因此具有复合多喷头3D打印成形装置的设计和研发便成为必然。而现今各高校和研究机构的相关研发目标仅限为增加同支架下的单一喷头数量并改变相对排列方式，或改变喷嘴形状及内部通道配比并不能从根本上解决如何同时成形具有不同材料、不同细胞的复杂结构并精确植入细胞、提高支架外形工艺水平，以减少后续加工，保持带细胞支架的生物活性。复合式多喷头3D打印系统必将成为未来的发展趋势。中国专利文献(申请号2013105605114)涉及一种加式和减式制造结合的仿生结构一体化成形设备，采用喷头挤出成型与减式制造相结合的复合式加工装置，同时结合多喷头喷射装置竖直移动以及成形台旋转偏转运动，使各喷头可独立挤出成型并辅助以铣、钻、镗、磨、攻丝等减式制造手段，从而实现多喷头成型与减式制造精加工协同作用下的仿生结构高效堆积一体化成形及后处理过程。该固定式同种多喷头成形系统在制造复杂组织器官时存在下列不足之处：①虽然该设备喷头可换，但是在每次打印过程中只能用喷头进行单一材料加工，在打印过程中喷头切换和材料转化非常困难，易引起成形误差、造成流涎等负面作用，同时存在多种细胞、多种材料、多方位成形的局限性。②该设备无法成形非降解高分子材料，无法完成精度达微米级的薄层组织成形。③组织器官制造时涉及到活细胞，后续毛刷打磨，钻头打孔等加工技术，对细胞活性会产生不利影响。④该设备均采用螺杆挤压式挤出打印方式，在进行细胞打印加工时存在结构性弊端，无法控制细胞打印数量和细胞打印位置的精确分布。
技术实现思路
本专利技术就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种复合多喷头3D打印成型系统，其采用多种3D打印方式及多种喷头相结合的复合式多喷头装置，以达到各喷头可独立和协同加工，实现在多方位、多材料、多喷头协同作用下的快速堆积成形的过程，克服了传统组织工程支架因材料和打印方法单一而造成的成形形状单一、机械性能不足、无法同时打印多种材料、多种细胞的缺点。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案，包括底部框架、温控及制冷装置、设置于框架上的三维运动机构；其特征在于，所述三维运动机构包括X轴运动机构、Y轴运动机构、Z轴运动机构。所述X轴运动机构上设置有成形台，Y轴运动机构位于Z轴运动机构上。所述Y轴运动机构上设置有竖向的Z轴工作台，该Z轴工作台位于成形台上方，所述Z轴工作台上设置有三复合Z轴运动机构。进一步地，所述X轴运动机构设置在所述底座框架内部，所述成形台通过X轴滑块一、X轴滑块二连接于X轴导轨一上，通过X轴滑块三、X轴滑块四连接于X轴导轨二上，X轴导轨一与X轴导轨二安装于底部框架上，且X轴导轨一与X轴导轨二相平行；X轴步进电机提供动力使得成形台实现沿X轴方向运动。更进一步地，X轴步进电机安装于底部框架上，且X轴步进电机作为皮带传动机构的驱动，所述皮带传动机构与成形台相连；X轴步进电机转动，通过皮带传动机构带动成形台沿导轨运动。具体地，皮带传动机构包括主动轮、从动轮及与两者相连的皮带，主动轮安装于X轴步进电机的电机轴上，从动轮通过支架安装于底座框架上，所述皮带与成形台底部相连；步进电机动作，带动主动轮转动，皮带随之沿主动轮与从动轮间移动，带动与之相连的皮带动作。进一步地，所述底座框架两侧各设一竖直支架，两竖直支架底部与底部框架相连，两竖直支架顶部分别与一水平支架相连；Y轴运动机构位于两竖直支架间，Y轴运动机构两侧各通过一Z轴运动机构与竖直支架相连，所述Z轴运动机构包括Z轴滚珠丝杠、与滚珠丝杠相连的Z轴滑块、Z轴步进电机，Z轴步进电机提供动力带动Y轴运动机构沿Z轴方向运动。更进一步地，丝杠设置于所在竖直支架前方，丝杠一端与水平支架相连，丝杠另一端与底部框架相连；所述Z轴步进电机带动丝杠旋转，进而带动螺母（Z轴滑块）直线运动，带动与Z轴滑块相连的Y轴运动机构随之运动。进一步地，所述Y轴运动机构包括Y轴皮带传动系统、Z轴工作台、Y轴导轨一、Y轴导轨二，Y轴导轨一与Y轴导轨二相平行，且所述导轨安装于两Z轴滑块间，该导轨两端分别与两Z轴滑块相连；Y轴皮带传动系统带动固定于Z轴工作台的滑块，通过步进电机提供动力使得所述Z轴工作台沿Y轴导轨一和Y轴导轨二进行Y轴方向运动。进一步地，三复合Z轴运动机构包括高温熔融挤出装置、同轴多材料电机助推微注射器挤出装置、气溶胶喷射装置。所述气溶胶喷射装置固定于喷头支架一上，喷头支架一通过Z轴复合运动滑块一连接于Z轴复合运动导轨一，通过Z轴复合运动滑块二连接于Z轴复合运动导轨二，步进电机带动Z轴复合运动丝杠一实现气溶胶喷射装置沿着Z轴方向的单独推出运动。所述高温熔融挤出装置固定于喷头支架二上，喷头支架二通过Z轴复合运动滑块三连接于Z轴复合运动导轨三，通过Z轴复合运动滑块四连接于Z轴复合运动导轨四，步进电机带动Z轴复合运动丝杠二实现高温熔融挤出装置沿着Z轴方向的单独推出运动。所述同轴多材料电机助推微注射器挤出装置固定于喷头支架三上，喷头支架三通过Z轴复合运动滑块五连接于Z轴复合运动导轨五，通过Z轴复合运动滑块六连接于Z轴复合运动导轨六，步进电机带动Z轴复合运动丝杠三实现同轴多材料电机助推微注射器挤出装置沿着Z轴方向的单独推出运动。具体的，丝杠带动丝母、丝母与喷头支架一相连。进一步地，所述高温熔融挤出装置包括高温熔融喷嘴一、高温熔融喷嘴二、加热铝块、散热铝片、外接送料口一、外接送料口二、不锈钢喉管一、不锈钢喉管二、加热棒、喷头支架二和步进电机。进一步地，同轴多材料电机助推微注射器挤出装置包括同轴挤出式喷嘴、嵌套式储料罐、喷头支架三和步进电机。进一步地，所述独立气溶胶喷射装置包括气溶胶喷嘴、鞘气管道、物料通道、喷头支架一和步进电机。与现有技术相比本专利技术有益效果。本专利技术采用了挤压式、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.复合多喷头3D打印成型系统，其特征在于，包括底部框架、温控及制冷装置、设置于框架上的三维运动机构；其特征在于，所述三维运动机构包括X轴运动机构、Y轴运动机构、Z轴运动机构；/n所述X轴运动机构上设置有成形台，Y轴运动机构位于Z轴运动机构上；/n所述Y轴运动机构上设置有竖向的Z轴工作台，该Z轴工作台位于成形台上方，所述Z轴工作台上设置有三复合Z轴运动机构。/n

【技术特征摘要】
1.复合多喷头3D打印成型系统，其特征在于，包括底部框架、温控及制冷装置、设置于框架上的三维运动机构；其特征在于，所述三维运动机构包括X轴运动机构、Y轴运动机构、Z轴运动机构；
所述X轴运动机构上设置有成形台，Y轴运动机构位于Z轴运动机构上；
所述Y轴运动机构上设置有竖向的Z轴工作台，该Z轴工作台位于成形台上方，所述Z轴工作台上设置有三复合Z轴运动机构。


2.根据权利要求1所述的复合多喷头3D打印成型系统，其特征在于：所述X轴运动机构设置在所述底座框架(1)内部，所述成形台(15)通过X轴滑块一(17)、X轴滑块二(18)连接于X轴导轨一（16）上，通过X轴滑块三(23)、X轴滑块四(24)连接于X轴导轨二（22）上，X轴导轨一（16）与X轴导轨二（22）安装于底部框架上，且X轴导轨一（16）与X轴导轨二（22）相平行；X轴步进电机（20）提供动力使得成形台实现沿X轴方向运动。


3.根据权利要求2所述的复合多喷头3D打印成型系统，其特征在于：X轴步进电机（20）安装于底部框架上，且X轴步进电机（20）作为皮带传动机构的驱动，所述皮带传动机构与成形台相连；X轴步进电机（20）转动，通过皮带传动机构带动成形台沿导轨运动。


4.根据权利要求1所述的复合多喷头3D打印成型系统，其特征在于：所述底座框架两侧各设一竖直支架，两竖直支架底部与底部框架相连，两竖直支架顶部分别与一水平支架相连；Y轴运动机构位于两竖直支架间，Y轴运动机构两侧各通过一Z轴运动机构与竖直支架相连，所述Z轴运动机构包括Z轴滚珠丝杠、与滚珠丝杠相连的Z轴滑块、Z轴步进电机，Z轴步进电机提供动力带动Y轴运动机构沿Z轴方向运动。


5.根据权利要求4所述的复合多喷头3D打印成型系统，其特征在于：丝杠设置于所在竖直支架前方，丝杠一端与水平支架相连，丝杠另一端与底部框架相连；所述Z轴步进电机带动丝杠旋转，进而带动螺母直线运动，带动与Z轴滑块相连的Y轴运动机构随之运动。


6.根据权利要求1所述的复合多喷头3D打印成型系统，其特征在于：所述Y轴运动机构包括Y轴皮带传动系统、Z轴工作台、Y轴导轨一、Y轴导轨二，Y轴导轨一与Y轴导轨二相平行，且所述导轨安装于两Z轴滑块间，该导轨两端分别与两Z轴滑块相连；Y轴皮带传动系统带动固定于Z轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：王小红，宋达斌，徐宇坤，
申请(专利权)人：中国医科大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21