CN107127971A - 一种原位光固化挤出喷头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原位光固化挤出喷头,包括外壳以及设置在外壳内的液室、透明/半透明细管、光源和遮光板;其中,透明/半透明细管与液室连通,光源垂直照射在透明/半透明细管上,光源设置在透明/半透明细管的周向上,用于垂直照射在透明/半透明细管上,遮光板设置在光源与液室之间,工作时,液室内设置有液态光固化材料,液态光固化材料通过透明/半透明细管,经光源发出的紫外光照射后固化形成固态细丝被挤出。原位光固化是指在喷头内进行光固化反应,可以实现输入液态光固化材料,而直接打印出固态细丝。设定尺寸的透明/半透明细管大大提高了打印细丝的尺寸范围,保证了挤出细丝的尺寸精度。
Description
技术领域
本发明属于光固化3D打印及3D生物打印领域,具体涉及一种原位光固化挤出喷头。
背景技术
传统的挤出式3D打印原材料是固态细丝,经喷头加热融化后挤出,难以以溶液为材料进行挤出成形。在生物打印领域,水凝胶材料应用广泛。为了解决光固化水凝胶因粘度低难以完成挤出成形的问题,现有的光固化打印主要采用的解决方法包括:第一,通过预交联提高打印前的材料粘度,以适应挤出打印。但该方法的预交联过程难以控制、交联程度不均匀。第二,将光固化材料与大粘度材料混合后挤出打印。但该方法挤出的细丝尺寸大,成形精度差,而且大粘度材料会改变原有光固化材料的生物相容性。第三,利用喷墨打印的方式打印单个液滴融合形成结构。但该方法需要在打印后迅速光照,固化不及时会影响成形精度。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上不足,提供了一种原位固化挤出喷头。
为达到上述目的,本发明采用如下技术方案来实现:
一种原位光固化挤出喷头,包括外壳以及设置在外壳内的液室、透明/半透明细管、光源和遮光板;其中,
透明/半透明细管与液室连通,光源设置在透明/半透明细管的周向上,用于垂直照射在透明/半透明细管上,遮光板设置在光源与液室之间;工作时,液室内设置有液态光固化材料,液态光固化材料通过透明/半透明细管,经光源发出的紫外光照射后固化形成固态细丝被挤出。
本发明进一步的改进在于,液室的顶部设置有进料口,液态光固化材料由进料口通过注射泵或气压的形式送入液室。
本发明进一步的改进在于,透明/半透明细管采用聚四氟乙烯或玻璃制成。
本发明进一步的改进在于,固态细丝的尺寸由透明/半透明细管的内径尺寸保证,尺寸范围在60μm–2000μm。
本发明进一步的改进在于,光源采用单个点光源,多个点光源或环形光源。
本发明进一步的改进在于,还包括外部控制电路,用于调节光源的光照强度。
本发明进一步的改进在于,还包括打印基板,固态细丝最终落在打印基板上。
本发明具有如下的优点:
本发明提供的一种原位光固化挤出喷头,包括液室、透明/半透明细管、光源、遮光板及外壳;其中,透明/半透明细管与液室连通,光源垂直照射在透明/半透明细管上,液室中的液态光固化材料经过透明/半透明细管,在透明/半透明细管被紫外光照射的设定部位上,液态光固化材料会逐渐变为半固化材料并最终形成固态细丝。被挤出时,材料呈固态细丝状。其中,透明/半透明特性保证了紫外光可以透过管壁使管内的材料固化。这种固化方式保证了固化后的细丝尺寸可以完全人为控制,因为固态细丝的尺寸完全由透明/半透明细管的内径尺寸决定,这样就可以挤出尺寸范围很大的细丝,大大提高了打印的应用范围,并克服了光固化材料成形精度差的难题。相对于现有成形技术,原位光固化可实现液态光固化材料在挤出过程中固化成形,从而打印出固态细丝,是一种新的3D打印成形方式。
进一步,液态光固化材料由进料口通过注射泵或气压的形式送入液室。通过调节注射泵的流速或气压的大小,可以使材料以设定的速率从透明/半透明细管挤出。
进一步,透明/半透明细管由聚四氟乙烯或其他疏水材料制造而成,也可通过玻璃等非疏水材料,内壁经过疏水处理后制作而成。透明/半透明特性保证了紫外光可以透过管壁使管内的材料固化。
进一步,固态细丝的尺寸由透明/半透明细管的内径尺寸保证,尺寸范围在60μm–2000μm。
进一步,光源可采用单个点光源,多个点光源或环形光源。其只照射在透明/半透明细管的设定部位,其光照强度可通过外部控制电路设置改变。可变的光照强度保证材料在透明/半透明细管内达到需要的固化程度。
进一步,遮光板布置在光源与液室之间,保证紫外光只照射在透明/半透明细管的设定部位。
进一步,外壳将整体结构封装,上端留有进料口,下端留有透明/半透明细管的末端,保证光固化反应不受外界干扰,也避免紫外光外泄污染环境。封装设计也使喷头可安装于任意3D打印运动平台。
综上所述,本发明提出的一种原位光固化挤出喷头。其实现了以液态光固化材料打印出固态细丝的技术,大大提高了打印细丝的尺寸范围和打印精度。
附图说明
图1为原位光固化挤出喷头***图。
图2为原位光固化挤出喷头剖视图。
图3为图2的局部放大图。
图中:1为外壳,2为液室,3为透明/半透明细管,4为遮光板,5为光源,6为紫外光,7为固态细丝,8为打印基板,9为进料口,10为液态光固化材料,11为半固化材料。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明。
如图1所示,本发明提出的原位光固化挤出喷头,首先,原位光固化是指在喷头内进行光固化反应,可以实现输入液态光固化材料,打印出固态细丝。其次,设定尺寸的透明/半透明细管保证了挤出细丝的尺寸精度。第三,外壳将喷头结构封装,使喷头内光固化反应不受外界影响,紫外光也不会外泄污染环境。
具体来说,本发明分为以下几个部分:液室2、透明/半透明细管3、光源5、遮光板4及外壳1;其中,透明/半透明细管3与液室2连通,光源5垂直照射在透明/半透明细管3上,液室2中的液态光固化材料10经过透明/半透明细管3,经光源5发出的紫外光6照射后固化形成固态细丝7,从透明/半透明细管3末端被挤出。
如图2和3所示,液态光固化材料10由进料口9通过注射泵或气压的形式送入液室2,同时,注射泵的流速或气压的大小决定了挤出细丝的速度,一般情况下,通过调节注射泵流速或气压大小,设置恒定的挤出速度。
透明/半透明细管3需要保证材料能够固化,并且固化后不会粘在管壁上堵塞软管。因此,透明/半透明特性保证了紫外光可以透过管壁使,管内的材料固化。透明/半透明细管3由聚四氟乙烯或其他疏水材料制造而成,也可使用玻璃等非疏水材料,内壁经过疏水处理后制作而成,疏水管壁使材料不易粘在管壁上。固态细丝7的尺寸由透明/半透明细管3的内径尺寸决定,其内径尺寸范围在60μm–2000μm。
光源5可采用单个点光源,多个点光源或环形光源。其只照射在透明/半透明细管3的设定部位。光照强度可通过外部电路设置改变,从而保证不同挤出速率下,透明/半透明细管3内的材料都能够达到需要的固化程度,具体来说是因为,光强不足时,材料固化不完全,挤出的是液体或固液混合物;光强过大时,会使材料过固化,影响机械性能。光照强度需要在考虑材料固化速度的同时,与挤出速度相匹配。
遮光板4布置在光源5与液室2之间,保证紫外光6只照射在透明/半透明细管3的设定部位,而不会泄漏到其他不需要有光照的地方。
在透明/半透明细管3被紫外光6照射的设定部位上,液态光固化材料10会逐渐变为半固化材料11并最终形成固态细丝7。被挤出时,材料呈固态细丝7状。
外壳1将整体结构封装,只留上端进料口9和下端透明/半透明细管3的末端,保证了光固化反应不受外界干扰,也避免紫外光外泄污染环境。封装设计也使喷头可安装于任意3D打印运动平台。
实施案例:
材料选用5%(w/v)GelMA光固化材料,注射泵为供料设备,流量设置为7μL/min,透明/半透明细管选用内径0.3mm,外径0.6mm的半透明聚四氟乙烯管。采用波长365nm的双光源,光照强度为100mW/cm2。可持续打印出直径为0.3mm的GelMA细丝。
Claims (7)
1.一种原位光固化挤出喷头,其特征在于,包括外壳(1)以及设置在外壳(1)内的液室(2)、透明/半透明细管(3)、光源(5)和遮光板(4);其中,
透明/半透明细管(3)与液室(2)连通,光源(5)设置在透明/半透明细管(3)的周向上,用于垂直照射在透明/半透明细管(3)上,遮光板(4)设置在光源(5)与液室(2)之间;工作时,液室(2)内设置有液态光固化材料(10),液态光固化材料(10)通过透明/半透明细管(3),经光源(5)发出的紫外光(6)照射后固化形成固态细丝(7)被挤出。
2.根据权利要求1所述的一种原位光固化挤出喷头,其特征在于,液室(2)的顶部设置有进料口(9),液态光固化材料(10)由进料口(9)通过注射泵或气压的形式送入液室(2)。
3.根据权利要求1所述的一种原位光固化挤出喷头,其特征在于,透明/半透明细管(3)采用聚四氟乙烯或玻璃制成。
4.根据权利要求1所述的一种原位光固化挤出喷头,其特征在于,固态细丝(7)的尺寸由透明/半透明细管(3)的内径尺寸保证,尺寸范围在60μm–2000μm。
5.根据权利要求1所述的一种原位光固化挤出喷头,其特征在于,光源(5)采用单个点光源,多个点光源或环形光源。
6.根据权利要求5所述的一种原位光固化挤出喷头,其特征在于,还包括外部控制电路,用于调节光源(5)的光照强度。
7.根据权利要求1所述的一种原位光固化挤出喷头,其特征在于,还包括打印基板(8),固态细丝(7)最终落在打印基板(8)上。
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