本發(fā)明屬于光固化3d打印及3d生物打印領(lǐng)域，具體涉及一種原位光固化擠出噴頭。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的擠出式3d打印原材料是固態(tài)細(xì)絲，經(jīng)噴頭加熱融化后擠出，難以以溶液為材料進(jìn)行擠出成形。在生物打印領(lǐng)域，水凝膠材料應(yīng)用廣泛。為了解決光固化水凝膠因粘度低難以完成擠出成形的問(wèn)題，現(xiàn)有的光固化打印主要采用的解決方法包括：第一，通過(guò)預(yù)交聯(lián)提高打印前的材料粘度，以適應(yīng)擠出打印。但該方法的預(yù)交聯(lián)過(guò)程難以控制、交聯(lián)程度不均勻。第二，將光固化材料與大粘度材料混合后擠出打印。但該方法擠出的細(xì)絲尺寸大，成形精度差，而且大粘度材料會(huì)改變?cè)泄夤袒牧系纳锵嗳菪浴５谌?，利用噴墨打印的方式打印單個(gè)液滴融合形成結(jié)構(gòu)。但該方法需要在打印后迅速光照，固化不及時(shí)會(huì)影響成形精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服以上不足，提供了一種原位固化擠出噴頭。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種原位光固化擠出噴頭，包括外殼以及設(shè)置在外殼內(nèi)的液室、透明/半透明細(xì)管、光源和遮光板；其中，

透明/半透明細(xì)管與液室連通，光源設(shè)置在透明/半透明細(xì)管的周向上，用于垂直照射在透明/半透明細(xì)管上，遮光板設(shè)置在光源與液室之間；工作時(shí)，液室內(nèi)設(shè)置有液態(tài)光固化材料，液態(tài)光固化材料通過(guò)透明/半透明細(xì)管，經(jīng)光源發(fā)出的紫外光照射后固化形成固態(tài)細(xì)絲被擠出。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，液室的頂部設(shè)置有進(jìn)料口，液態(tài)光固化材料由進(jìn)料口通過(guò)注射泵或氣壓的形式送入液室。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，透明/半透明細(xì)管采用聚四氟乙烯或玻璃制成。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，固態(tài)細(xì)絲的尺寸由透明/半透明細(xì)管的內(nèi)徑尺寸保證，尺寸范圍在60μm–2000μm。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，光源采用單個(gè)點(diǎn)光源，多個(gè)點(diǎn)光源或環(huán)形光源。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，還包括外部控制電路，用于調(diào)節(jié)光源的光照強(qiáng)度。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，還包括打印基板，固態(tài)細(xì)絲最終落在打印基板上。

本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明提供的一種原位光固化擠出噴頭，包括液室、透明/半透明細(xì)管、光源、遮光板及外殼；其中，透明/半透明細(xì)管與液室連通，光源垂直照射在透明/半透明細(xì)管上，液室中的液態(tài)光固化材料經(jīng)過(guò)透明/半透明細(xì)管，在透明/半透明細(xì)管被紫外光照射的設(shè)定部位上，液態(tài)光固化材料會(huì)逐漸變?yōu)榘牍袒牧喜⒆罱K形成固態(tài)細(xì)絲。被擠出時(shí)，材料呈固態(tài)細(xì)絲狀。其中，透明/半透明特性保證了紫外光可以透過(guò)管壁使管內(nèi)的材料固化。這種固化方式保證了固化后的細(xì)絲尺寸可以完全人為控制，因?yàn)楣虘B(tài)細(xì)絲的尺寸完全由透明/半透明細(xì)管的內(nèi)徑尺寸決定，這樣就可以擠出尺寸范圍很大的細(xì)絲，大大提高了打印的應(yīng)用范圍，并克服了光固化材料成形精度差的難題。相對(duì)于現(xiàn)有成形技術(shù)，原位光固化可實(shí)現(xiàn)液態(tài)光固化材料在擠出過(guò)程中固化成形，從而打印出固態(tài)細(xì)絲，是一種新的3d打印成形方式。

進(jìn)一步，液態(tài)光固化材料由進(jìn)料口通過(guò)注射泵或氣壓的形式送入液室。通過(guò)調(diào)節(jié)注射泵的流速或氣壓的大小，可以使材料以設(shè)定的速率從透明/半透明細(xì)管擠出。

進(jìn)一步，透明/半透明細(xì)管由聚四氟乙烯或其他疏水材料制造而成，也可通過(guò)玻璃等非疏水材料，內(nèi)壁經(jīng)過(guò)疏水處理后制作而成。透明/半透明特性保證了紫外光可以透過(guò)管壁使管內(nèi)的材料固化。

進(jìn)一步，固態(tài)細(xì)絲的尺寸由透明/半透明細(xì)管的內(nèi)徑尺寸保證，尺寸范圍在60μm–2000μm。

進(jìn)一步，光源可采用單個(gè)點(diǎn)光源，多個(gè)點(diǎn)光源或環(huán)形光源。其只照射在透明/半透明細(xì)管的設(shè)定部位，其光照強(qiáng)度可通過(guò)外部控制電路設(shè)置改變。可變的光照強(qiáng)度保證材料在透明/半透明細(xì)管內(nèi)達(dá)到需要的固化程度。

進(jìn)一步，遮光板布置在光源與液室之間，保證紫外光只照射在透明/半透明細(xì)管的設(shè)定部位。

進(jìn)一步，外殼將整體結(jié)構(gòu)封裝，上端留有進(jìn)料口，下端留有透明/半透明細(xì)管的末端，保證光固化反應(yīng)不受外界干擾，也避免紫外光外泄污染環(huán)境。封裝設(shè)計(jì)也使噴頭可安裝于任意3d打印運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。

綜上所述，本發(fā)明提出的一種原位光固化擠出噴頭。其實(shí)現(xiàn)了以液態(tài)光固化材料打印出固態(tài)細(xì)絲的技術(shù)，大大提高了打印細(xì)絲的尺寸范圍和打印精度。

附圖說(shuō)明

圖1為原位光固化擠出噴頭爆炸圖。

圖2為原位光固化擠出噴頭剖視圖。

圖3為圖2的局部放大圖。

圖中：1為外殼，2為液室，3為透明/半透明細(xì)管，4為遮光板，5為光源，6為紫外光，7為固態(tài)細(xì)絲，8為打印基板，9為進(jìn)料口，10為液態(tài)光固化材料，11為半固化材料。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1所示，本發(fā)明提出的原位光固化擠出噴頭，首先，原位光固化是指在噴頭內(nèi)進(jìn)行光固化反應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)輸入液態(tài)光固化材料，打印出固態(tài)細(xì)絲。其次，設(shè)定尺寸的透明/半透明細(xì)管保證了擠出細(xì)絲的尺寸精度。第三，外殼將噴頭結(jié)構(gòu)封裝，使噴頭內(nèi)光固化反應(yīng)不受外界影響，紫外光也不會(huì)外泄污染環(huán)境。

具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明分為以下幾個(gè)部分：液室2、透明/半透明細(xì)管3、光源5、遮光板4及外殼1；其中，透明/半透明細(xì)管3與液室2連通，光源5垂直照射在透明/半透明細(xì)管3上，液室2中的液態(tài)光固化材料10經(jīng)過(guò)透明/半透明細(xì)管3，經(jīng)光源5發(fā)出的紫外光6照射后固化形成固態(tài)細(xì)絲7，從透明/半透明細(xì)管3末端被擠出。

如圖2和3所示，液態(tài)光固化材料10由進(jìn)料口9通過(guò)注射泵或氣壓的形式送入液室2，同時(shí)，注射泵的流速或氣壓的大小決定了擠出細(xì)絲的速度，一般情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)注射泵流速或氣壓大小，設(shè)置恒定的擠出速度。

透明/半透明細(xì)管3需要保證材料能夠固化，并且固化后不會(huì)粘在管壁上堵塞軟管。因此，透明/半透明特性保證了紫外光可以透過(guò)管壁使，管內(nèi)的材料固化。透明/半透明細(xì)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，內(nèi)壁經(jīng)過(guò)疏水處理后制作而成，疏水管壁使材料不易粘在管壁上。固態(tài)細(xì)絲7的尺寸由透明/半透明細(xì)管3的內(nèi)徑尺寸決定，其內(nèi)徑尺寸范圍在60μm–2000μm。

光源5可采用單個(gè)點(diǎn)光源，多個(gè)點(diǎn)光源或環(huán)形光源。其只照射在透明/半透明細(xì)管3的設(shè)定部位。光照強(qiáng)度可通過(guò)外部電路設(shè)置改變，從而保證不同擠出速率下，透明/半透明細(xì)管3內(nèi)的材料都能夠達(dá)到需要的固化程度，具體來(lái)說(shuō)是因?yàn)椋鈴?qiáng)不足時(shí)，材料固化不完全，擠出的是液體或固液混合物；光強(qiáng)過(guò)大時(shí)，會(huì)使材料過(guò)固化，影響機(jī)械性能。光照強(qiáng)度需要在考慮材料固化速度的同時(shí)，與擠出速度相匹配。

遮光板4布置在光源5與液室2之間，保證紫外光6只照射在透明/半透明細(xì)管3的設(shè)定部位，而不會(huì)泄漏到其他不需要有光照的地方。

在透明/半透明細(xì)管3被紫外光6照射的設(shè)定部位上，液態(tài)光固化材料10會(huì)逐漸變?yōu)榘牍袒牧?1并最終形成固態(tài)細(xì)絲7。被擠出時(shí)，材料呈固態(tài)細(xì)絲7狀。

外殼1將整體結(jié)構(gòu)封裝，只留上端進(jìn)料口9和下端透明/半透明細(xì)管3的末端，保證了光固化反應(yīng)不受外界干擾，也避免紫外光外泄污染環(huán)境。封裝設(shè)計(jì)也使噴頭可安裝于任意3d打印運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。

實(shí)施案例：

材料選用5％(w/v)gelma光固化材料，注射泵為供料設(shè)備，流量設(shè)置為7μl/min，透明/半透明細(xì)管選用內(nèi)徑0.3mm，外徑0.6mm的半透明聚四氟乙烯管。采用波長(zhǎng)365nm的雙光源，光照強(qiáng)度為100mw/cm²?？沙掷m(xù)打印出直徑為0.3mm的gelma細(xì)絲。