3D生物打印机喷头控制装置及喷头换料控制方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910441178.2 (22)申请日 2019.05.24 (71)申请人 太原理工大学 地址 030024 山西省太原市迎泽西大街79 号 (72)发明人 桑胜波孙建其周传刚张博 菅傲群段倩倩张益霞张成然 刘伟伟 (74)专利代理机构 太原高欣科创专利代理事务 所(普通合伙) 14109 代理人 崔浩冷锦超 (51)Int.Cl. B29C 64/393(2017.01) B33Y 50/02(2015.01) (54)发明名称 一种3D生物打印机喷头控制装置及喷头换 。

2、料控制方法 (57)摘要 本发明一种3D生物打印机喷头控制装置及 喷头换料控制方法， 属于3D生物打印机喷头控制 技术领域； 所要解决的技术问题为： 提供一种3D 生物打印机喷头结构、 控制装置的硬件结构及喷 头换料控制方法的改进； 解决该技术问题采用的 技术方案为： 包括电机控制架、 打印喷头和换料 装置， 电机控制架设置在3D生物打印机的顶部， 电机控制架的一侧设置有步进电机， 电机控制架 的两端向外延伸设置有固定梁， 固定梁上设置有 螺纹轴， 螺纹轴通过步进电机驱动打印装置在Y 轴打印平面上的运动； 打印装置包括连接端与固 定端， 连接端与固定端通过螺栓连接固定， 连接 端与螺纹轴传动连。

3、接， 固定端的延伸端设置有固 定夹， 固定夹用于夹持打印喷头； 本发明应用于 3D生物打印机。 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 CN 110142974 A 2019.08.20 CN 110142974 A 1.一种3D生物打印机喷头控制装置， 其特征在于： 包括电机控制架 （1） 、 打印喷头 （2） 和 换料装置 （3） ， 所述电机控制架 （1） 设置在3D生物打印机的顶部， 所述电机控制架 （1） 的一侧 设置有步进电机 （4） ， 所述电机控制架 （1） 的两端向外延伸设置有固定梁 （5） ， 所述固定梁 （5） 上设置有螺纹轴 （6） ， 所述螺纹轴 （6） 通过步进电机 。

4、（4） 驱动打印装置 （7） 在Y轴打印平面 上的运动； 所述打印装置 （7） 包括连接端 （8） 与固定端 （9） ， 所述连接端 （8） 与固定端 （9） 通过螺栓 连接固定， 所述连接端 （8） 与螺纹轴 （6） 传动连接， 所述固定端 （9） 的延伸端设置有固定夹 （10） ， 所述固定夹 （10） 用于夹持打印喷头 （2） ； 所述打印喷头 （2） 包括料筒 （11） ， 所述料筒 （11） 的内部设置有生物打印材料， 所述料筒 （11） 的底部设置有喉管 （12） ， 所述喉管 （12） 的出口处活动设置有喷头 （13） ； 所述料筒 （11） 的外表面还设置有保护壳 （14） ；。

5、 所述换料装置 （3） 设置在3D生物打印机外壳的一侧， 所述换料装置 （3） 上设置有存储料 仓 （15） ， 所述存储料仓 （15） 内设置有多个型号的生物打印材料； 所述电机控制架 （1） 的内部设置有控制电路板， 所述控制电路板上集成有中央控制器 （16） ， 所述中央控制器 （16） 通过导线分别与显示屏 （17） 、 键盘 （18） 、 电机驱动模块 （19） 、 喷 头控制模块 （20） 、 数据通信模块 （21） 相连； 所述电机驱动模块 （19） 的信号输出端与步进电机 （4） 相连； 所述喷头控制模块 （20） 的信号输出端与打印喷头 （2） 相连； 所述数据通信模块 （2。

6、1） 通过导线与3D生物打印机控制器 （22） 相连； 所述中央控制器 （16） 还连接有位置传感器 （23） ， 所述位置传感器 （23） 设置在固定梁 （5） 内部； 所述中央控制器 （16） 的电源输入端与电源模块 （24） 相连。 2.根据权利要求1所述的一种3D生物打印机喷头控制装置， 其特征在于： 所述步进电机 （4） 包括Y轴运动步进电机和Z轴运动步进电机。 3.根据权利要求2所述的一种3D生物打印机喷头控制装置， 其特征在于： 所述固定夹 （10） 的控制端设置在固定端 （9） 的一侧， 所述固定夹 （10） 的控制端通过导线与中央控制器 （16） 相连。 4.根据权利要求3所。

7、述的一种3D生物打印机喷头控制装置， 其特征在于： 所述保护壳 （14） 的外表面设置有外螺纹， 所述保护壳 （14） 的内壳壁上还设置有内螺纹。 5.根据权利要求4所述的一种3D生物打印机喷头控制装置， 其特征在于： 所述料筒 （11） 的顶部还设置有气泵。 6.根据权利要求5所述的一种3D生物打印机喷头控制装置， 其特征在于： 所述料筒 （11） 和喉管 （12） 使用PP材料制作。 7.一种3D生物打印机喷头换料控制方法， 其特征在于： 包括如下步骤： 步骤一： 操作3D生物打印机控制器 （21） 进行目标物打印， 输入相应控制参数， 控制步进 电机 （4） 执行相应操作， 带动打印装置。

8、 （7） 执行相应打印动作； 步骤二： 当打印喷头 （2） 内部料筒 （11） 里存放打印材料用尽时， 操作3D生物打印机控制 器 （21） 执行换料操作， 控制步进电机 （4） 驱动打印装置 （7） 运动到打印台边缘处的换料装置 位置， 打印装置 （7） 的连接端 （8） 带动喷头 （13） 移动到打印机存储料仓 （15） 的位置， 通过操 权利要求书 1/2 页 2 CN 110142974 A 2 作键盘 （18） 控制步进电机 （4） 将相应打印喷头 （2） 移动到上一次从存储料仓 （15） 处拿到料 筒的位置； 步骤三： 将打印喷头 （2） 移动到取料区域后， 中央控制器 （16） 。

9、控制固定夹 （10） 将料筒 （11） 放入存储料仓 （15） 的打印喷头回收位置， 放入的打印喷头 （2） 就位后， 同时向中央控制 器 （16） 反馈放入信号， 中央控制器 （16） 发送信号控制固定夹 （10） 取出相邻的打印喷头 （2） 并移动回打印起始点开始打印。 8.根据权利要求7所述的一种3D生物打印机喷头换料控制方法， 其特征在于： 在步骤二 中3D生物打印机控制器 （22） 通过串口发送指令， 中央控制器 （16） 通过CRC校验来判断指令 所给的数据是否正确， 如果正确则向3D生物打印机控制器 （22） 返回相应的值并且解析， 解 析计算当前打印装置 （7） 的位置和存储料。

10、仓 （15） 的距离， 得出需要移动的X、 Y、 Z距离； 中央 控制器 （16） 将距离数据转换为步进电机 （4） 控制移动所需要的脉冲数据和方向信号， 中央 控制器 （16） 将控制信号发送至步进电机 （4） 。 权利要求书 2/2 页 3 CN 110142974 A 3 一种3D生物打印机喷头控制装置及喷头换料控制方法 技术领域 0001 本发明一种3D生物打印机喷头控制装置及喷头换料控制方法， 属于3D生物打印机 喷头控制技术领域。 背景技术 0002 3D打印是快速成型技术的一种， 它是一种以数字模型文件为基础， 运用粉末状金 属或塑料等粘合材料， 通过逐层打印的方式来构造物体的技。

11、术。 3D打印技术出现在20世纪 90年代中期， 实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。 它与普通打印工 作原理基本相同， 打印机内装有液体或粉末等 “打印材料” ， 与电脑连接后， 通过电脑控制把 “打印材料” 一层层叠加起来， 最终把计算机上的蓝图变成实物。 0003 3D生物打印机则是一种能够在数字三维模型驱动下， 按照增材制造原理定位装配 生物材料或细胞单元， 制造医疗器械、 组织工程支架和组织器官等制品的装备； 在实际使用 中， 由于生物材料的粘度值较大， 普通工业用压电喷头无法喷射粘度值超过20cps的生物材 料， 3D打印机使用一段时间后， 喷头位置极易出现粘性材料。

12、堆积造成喷嘴堵塞。 0004 喷嘴堵塞后为保持打印的持续进行， 需要及时对打印喷筒进行清洗， 目前市面上 的3D打印机料筒、 喉管、 喷头都是可重复使用的， 但其存在以下缺陷： 在换料清理时不仅容 易造成喷头的破坏， 进行消毒、 清洗费时费力； 料筒清洗不干净会导致用来打印的生物材料 受到污染， 严重影响打印成品的质量； 另一方面， 在使用多种材料打印时， 当打印完一种材 料时， 必须通过人工操作换料的方式， 会导致打印过程中不能完全处于无菌环境下操作， 同 样存在打印材料受到污染的风险。 发明内容 0005 本发明为了克服现有技术中存在的不足， 所要解决的技术问题为： 提供一种3D生 物打印。

13、机喷头结构、 控制装置的硬件结构及喷头换料控制方法的改进。 0006 为了解决上述技术问题， 本发明采用的技术方案为： 一种3D生物打印机喷头控制 装置， 包括电机控制架、 打印喷头和换料装置， 所述电机控制架设置在3D生物打印机的顶 部， 所述电机控制架的一侧设置有步进电机， 所述电机控制架的两端向外延伸设置有固定 梁， 所述固定梁上设置有螺纹轴， 所述螺纹轴通过步进电机驱动打印装置在Y轴打印平面上 的运动； 所述打印装置包括连接端与固定端， 所述连接端与固定端通过螺栓连接固定， 所述连 接端与螺纹轴传动连接， 所述固定端的延伸端设置有固定夹， 所述固定夹用于夹持打印喷 头； 所述打印喷头包。

14、括料筒， 所述料筒的内部设置有生物打印材料， 所述料筒的底部设置 有喉管， 所述喉管的出口处活动设置有喷头； 所述料筒的外表面还设置有保护壳； 所述换料装置设置在3D生物打印机外壳的一侧， 所述换料装置上设置有存储料仓， 所 说明书 1/5 页 4 CN 110142974 A 4 述存储料仓内设置有多个型号的生物打印材料； 所述电机控制架的内部设置有控制电路板， 所述控制电路板上集成有中央控制器， 所 述中央控制器通过导线分别与显示屏、 键盘、 电机驱动模块、 喷头控制模块、 数据通信模块 相连； 所述电机驱动模块的信号输出端与步进电机相连； 所述喷头控制模块的信号输出端与打印喷头相连； 所。

15、述数据通信模块通过导线与3D生物打印机控制器相连； 所述中央控制器还连接有位置传感器， 所述位置传感器设置在固定梁内部； 所述中央控制器的电源输入端与电源模块相连。 0007 所述步进电机包括Y轴运动步进电机和Z轴运动步进电机。 0008 所述固定夹的控制端设置在固定端的一侧， 所述固定夹的控制端通过导线与中央 控制器相连。 0009 所述保护壳的外表面设置有外螺纹， 所述保护壳的内壳壁上还设置有内螺纹。 0010 所述料筒的顶部还设置有气泵。 0011 所述料筒和喉管使用PP材料制作。 0012 一种3D生物打印机喷头换料控制方法， 包括如下步骤： 步骤一： 操作3D生物打印机控制器进行目标。

16、物打印， 输入相应控制参数， 控制步进电机 执行相应操作， 带动打印装置执行相应打印动作； 步骤二： 当打印喷头内部料筒里存放打印材料用尽时， 操作3D生物打印机控制器执行 换料操作， 控制步进电机驱动打印装置运动到打印台边缘处的换料装置位置， 打印装置的 连接端带动喷头移动到打印机存储料仓的位置， 通过操作键盘控制步进电机将相应打印喷 头移动到上一次从存储料仓处拿到料筒的位置； 步骤三： 将打印喷头移动到取料区域后， 中央控制器控制固定夹将料筒放入存储料仓 的打印喷头回收位置， 放入的打印喷头就位后， 同时向中央控制器反馈放入信号， 中央控制 器发送信号控制固定夹取出相邻的打印喷头并移动回打。

17、印起始点开始打印。 0013 在步骤二中3D生物打印机控制器通过串口发送指令， 中央控制器通过CRC校验来 判断指令所给的数据是否正确， 如果正确则向3D生物打印机控制器返回相应的值并且解 析， 解析计算当前打印装置的位置和存储料仓的距离， 得出需要移动的X、 Y、 Z距离； 中央控 制器将距离数据转换为步进电机控制移动所需要的脉冲数据和方向信号， 中央控制器将控 制信号发送至步进电机。 0014 本发明相对于现有技术具备的有益效果为： 本发明提供的3D生物打印机喷头控制 装置具备自行更换打印材料和料筒的功能， 整个装置结构简单， 拆装使用方便， 当喷头处存 在材料堵塞时， 装置可以通过控制驱。

18、动步进电机对打印料筒进行替换， 整个更换过程工作 人员通过在控制面板操作， 可以避免与打印材料及打印喷头进行直接接触， 避免打印材料 受到污染， 同时可以节省更换打印材料的时间， 有效提高打印效率。 附图说明 0015 下面结合附图对本发明做进一步说明： 图1为本发明的结构示意图； 说明书 2/5 页 5 CN 110142974 A 5 图2为本发明的电路结构示意图； 图3为本发明打印喷头的结构示意图； 图4为本发明电机驱动模块的电路图； 图5为本发明喷头控制模块的电路图； 图中： 1为电机控制架、 2为打印喷头、 3为换料装置、 4为步进电机、 5为固定梁、 6为螺纹 轴、 7为打印装置、。

19、 8为连接端、 9为固定端、 10为固定夹、 11为料筒、 12为喉管、 13为喷头、 14为 保护壳、 15为存储料仓、 16为中央控制器、 17为显示屏、 18为键盘、 19为电机驱动模块、 20为 喷头控制模块、 21为数据通信模块、 22为3D生物打印机控制器、 23为位置传感器、 24为电源 模块。 具体实施方式 0016 如图1至图5所示， 本发明一种3D生物打印机喷头控制装置， 包括电机控制架 （1） 、 打印喷头 （2） 和换料装置 （3） ， 所述电机控制架 （1） 设置在3D生物打印机的顶部， 所述电机控 制架 （1） 的一侧设置有步进电机 （4） ， 所述电机控制架 （1。

20、） 的两端向外延伸设置有固定梁 （5） ， 所述固定梁 （5） 上设置有螺纹轴 （6） ， 所述螺纹轴 （6） 通过步进电机 （4） 驱动打印装置 （7） 在Y轴打印平面上的运动； 所述打印装置 （7） 包括连接端 （8） 与固定端 （9） ， 所述连接端 （8） 与固定端 （9） 通过螺栓 连接固定， 所述连接端 （8） 与螺纹轴 （6） 传动连接， 所述固定端 （9） 的延伸端设置有固定夹 （10） ， 所述固定夹 （10） 用于夹持打印喷头 （2） ； 所述打印喷头 （2） 包括料筒 （11） ， 所述料筒 （11） 的内部设置有生物打印材料， 所述料筒 （11） 的底部设置有喉管 （1。

21、2） ， 所述喉管 （12） 的出口处活动设置有喷头 （13） ； 所述料筒 （11） 的外表面还设置有保护壳 （14） ； 所述换料装置 （3） 设置在3D生物打印机外壳的一侧， 所述换料装置 （3） 上设置有存储料 仓 （15） ， 所述存储料仓 （15） 内设置有多个型号的生物打印材料； 所述电机控制架 （1） 的内部设置有控制电路板， 所述控制电路板上集成有中央控制器 （16） ， 所述中央控制器 （16） 通过导线分别与显示屏 （17） 、 键盘 （18） 、 电机驱动模块 （19） 、 喷 头控制模块 （20） 、 数据通信模块 （21） 相连； 所述电机驱动模块 （19） 的信号。

22、输出端与步进电机 （4） 相连； 所述喷头控制模块 （20） 的信号输出端与打印喷头 （2） 相连； 所述数据通信模块 （21） 通过导线与3D生物打印机控制器 （22） 相连； 所述中央控制器 （16） 还连接有位置传感器 （23） ， 所述位置传感器 （23） 设置在固定梁 （5） 内部； 所述中央控制器 （16） 的电源输入端与电源模块 （24） 相连。 0017 所述步进电机 （4） 包括Y轴运动步进电机和Z轴运动步进电机。 0018 所述固定夹 （10） 的控制端设置在固定端 （9） 的一侧， 所述固定夹 （10） 的控制端通 过导线与中央控制器 （16） 相连。 0019 所述保护。

23、壳 （14） 的外表面设置有外螺纹， 所述保护壳 （14） 的内壳壁上还设置有内 螺纹。 0020 所述料筒 （11） 的顶部还设置有气泵。 说明书 3/5 页 6 CN 110142974 A 6 0021 所述料筒 （11） 和喉管 （12） 使用PP材料制作。 0022 一种3D生物打印机喷头换料控制方法， 包括如下步骤： 步骤一： 操作3D生物打印机控制器 （21） 进行目标物打印， 输入相应控制参数， 控制步进 电机 （4） 执行相应操作， 带动打印装置 （7） 执行相应打印动作； 步骤二： 当打印喷头 （2） 内部料筒 （11） 里存放打印材料用尽时， 操作3D生物打印机控制 器 。

24、（21） 执行换料操作， 控制步进电机 （4） 驱动打印装置 （7） 运动到打印台边缘处的换料装置 位置， 打印装置 （7） 的连接端 （8） 带动喷头 （13） 移动到打印机存储料仓 （15） 的位置， 通过操 作键盘 （18） 控制步进电机 （4） 将相应打印喷头 （2） 移动到上一次从存储料仓 （15） 处拿到料 筒的位置； 步骤三： 将打印喷头 （2） 移动到取料区域后， 中央控制器 （16） 控制固定夹 （10） 将料筒 （11） 放入存储料仓 （15） 的打印喷头回收位置， 放入的打印喷头 （2） 就位后， 同时向中央控制 器 （16） 反馈放入信号， 中央控制器 （16） 发送信。

25、号控制固定夹 （10） 取出相邻的打印喷头 （2） 并移动回打印起始点开始打印。 0023 在步骤二中3D生物打印机控制器 （22） 通过串口发送指令， 中央控制器 （16） 通过 CRC校验来判断指令所给的数据是否正确， 如果正确则向3D生物打印机控制器 （22） 返回相 应的值并且解析， 解析计算当前打印装置 （7） 的位置和存储料仓 （15） 的距离， 得出需要移动 的X、 Y、 Z距离； 中央控制器 （16） 将距离数据转换为步进电机 （4） 控制移动所需要的脉冲数据 和方向信号， 中央控制器 （16） 将控制信号发送至步进电机 （4） 。 0024 本发明使用步进电机驱动打印装置进行。

26、生物器官的打印， 当打印喷头的料筒里存 放打印材料用尽时， 步进电机将驱动打印装置使其运动到打印台边缘处的换料装置位置， 向打印装置的固定端发送夹持指令， 控制固定夹对料筒进行替换， 另外也可以驱动步进电 机进行按顺序换料。 0025 本发明提供的电机控制架安装在3D生物打印机的正上方， Y轴运动步进电机可以 驱动打印装置在Y轴平面平行移动， Z轴电机可以控制打印装置进行纵向运动， 在3D打印过 程中使打印喷头具备叠层打印功能， 最终打印出3D生物器官； 在打印过程中为方便打印装 置反馈动作信号， 另外在固定梁内部设置有位置传感器， 可以将当前打印装置所处位置的 数据进行实时采集， 避免打印装。

27、置移动超出打印区域而将电机烧毁； 本发明通过螺纹轴来 驱动打印装置的固定端移动， 螺纹轴动作指令通过中央控制器发出。 0026 所述打印装置由连接端和固定端构成， 两者通过螺栓连接为一体， 便于拆卸和组 装， 在进行换料操作时， 连接端可以带动喷头移动到打印机存储料仓的位置， 通过操作与中 央控制器连接的键盘可以控制驱动电机将相应的打印装置移动到上一次从存储料仓处拿 到料筒的位置。 0027 所述换料装置内部设置有存储料仓， 将所述换料装置设置在打印机外壳的一侧， 在换料装置的侧面还设置有相应的控制按键， 在具体操作时， 在电机将打印装置移动到取 料区域时， 控制固定夹将料筒放入存储料仓相应位。

28、置， 此时按下控制按键可以让中央控制 器发送相应信号， 控制固定夹取出它左边的料筒并将其移动回打印起始点开始打印。 0028 所述打印装置的固定端末端设置有固定夹， 固定夹的控制端与中央控制器的信号 输出端相连， 中央控制器可以发送指令控制固定夹对打印喷头是松开还是紧固。 0029 在进行换料操作时， 所述打印喷头将料筒放置在存储料仓中， 方便随时取出打印 说明书 4/5 页 7 CN 110142974 A 7 材料， 所述打印喷头的外侧设置有专用的保护壳， 可以用于保护料筒和内部的打印材料。 0030 在打印过程中， 当某种材料打印结束时需要更换材料， 则3D生物打印机控制器作 为上位机通。

29、过串口发送指令 （包括帧头、 帧类型、 数据长度、 数据、 CRC校验） ， 中央控制器 FPGA通过CRC校验来判断指令所给的数据是否正确， 如果正确则给上位机返回相应的值并 且解析， 解析计算当前打印装置位置和存储料仓的距离， 进而算出需要移动的X、 Y、 Z要走的 距离， 该控制数据发送给相应的电机控制模块， 步进电机将其转化为移动所需要的脉冲数 据和方向信号， 将打印装置移动到达预定位置时， 在发送放开固定夹的指令之前先将打印 喷头放入存储料仓； 由于每个存储料仓之间的间隔是固定的， 可以计算取出材料位置和当 前位置的差值， 通过移动指令来将打印装置移动到对应的位置， 再通过发送固定夹。

30、夹取的 指令来取出所需的打印喷头， 完成喷头替换的操作。 0031 所述电机驱动模块内部设置有相应的控制模块， 控制步进电机时， 通过中央控制 器FPGA来控制DM422电机控制器， 具体为： 中央控制器FPGA发送使能(En)、 方向(Dir)、 脉冲 (Pulse)信号给相应的电机控制器， 信号处理模块将FPGA发出的信号转化为电机控制器可 用的信号； DM422的作用为驱动步进电机； 在步进电机到达打印到边缘时会给中央控制器 FPGA一个反馈信号用于停止； 另外在电机控制器控制信号输入端设置有PVI1050型号的光 电耦合器， 目的是为前后级电路增加隔离保护功能和电路消抖功能， 可以对中。

31、央控制器 FPGA发出的信号转化为电机所需的信号， 转化过程采用场效应管的来管作用和光耦隔离保 护作用来实现。 0032 所述喷头控制模块的信号输入端引出导线与接线排相连， 所述接线排另外还与步 进电机， 喷头气泵、 位置传感器等功能模块的控制端相连； 喷头控制模块使用的控制电路可 以控制喷嘴的流速， 控制模块将中央控制器发出的脉冲信号通过555定时器来调节脉冲的 宽度， 使得喷嘴喷出打印材料的持续时间是可以调节的， 控制模块可将中央控制器发出的 信号由高电平24伏转化为低电平为5伏的脉冲信号， 方便控制。 0033 关于本发明具体结构需要说明的是， 本发明采用的各部件模块相互之间的连接关 系。

32、是确定的、 可实现的， 除实施例中特殊说明的以外， 其特定的连接关系可以带来相应的技 术效果， 并基于不依赖相应软件程序执行的前提下， 解决本发明提出的技术问题， 本发明中 出现的部件、 模块、 具体元器件的型号、 连接方式除具体说明的以外， 均属于本领域技术人 员在申请日前可以获取到的已公开专利、 已公开的期刊论文、 或公知常识等现有技术， 无需 赘述， 使得本案提供的技术方案是清楚、 完整、 可实现的， 并能根据该技术手段重现或获得 相应的实体产品。 0034 最后应说明的是： 以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案， 而非对其限制； 尽 管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明， 本领域的普通技术人员应当理解： 其依 然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分或者全部技术特征进 行等同替换； 而这些修改或者替换， 并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术 方案的范围。 说明书 5/5 页 8 CN 110142974 A 8 图1 说明书附图 1/3 页 9 CN 110142974 A 9 图2 图3 说明书附图 2/3 页 10 CN 110142974 A 10 图4 图5 说明书附图 3/3 页 11 CN 110142974 A 11 。