一种多轴悬浮3d打印系统及方法
阅读说明：本技术 一种多轴悬浮3d打印系统及方法 (Multi-axis suspension 3D printing system and method ) 是由 李昕 韦佳成 李娜娜 李春新 张思伟 于 2020-06-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及3D打印技术领域,具体公开了一种多轴悬浮3D打印系统及方法,所述多轴悬浮3D打印系统包括控制器、成型缸、辐照模块、以及设于成型缸周围的多个供料模块和多个回收模块；所述控制器对各模块进行控制；所述成型缸承载有凝胶介质；所述辐照模块用于辐照固化；所述供料模块包括供料机械臂和与供料机械臂连接的供料单元,所述供料单元包括打印针头；所述回收模块包括回收机械臂和与回收机械臂连接的回收单元,所述回收单元包括回收针头；本发明采用多轴打印针头微挤出模式,在凝胶介质内多维度、多角度运动,实现全形状的成型；同时在凝胶介质中,生物墨水处于悬浮状态,在未进行光辐照时,可以通过回收针头抽取出来,随时调整打印进程。(The invention relates to the technical field of 3D printing, and particularly discloses a multi-axis suspension 3D printing system and a method, wherein the multi-axis suspension 3D printing system comprises a controller, a forming cylinder, an irradiation module, a plurality of feeding modules and a plurality of recovery modules, wherein the feeding modules and the recovery modules are arranged around the forming cylinder; the controller controls each module; the forming cylinder bears gel medium; the irradiation module is used for irradiation curing; the feeding module comprises a feeding mechanical arm and a feeding unit connected with the feeding mechanical arm, and the feeding unit comprises a printing needle head; the recovery module comprises a recovery mechanical arm and a recovery unit connected with the recovery mechanical arm, and the recovery unit comprises a recovery needle head; the invention adopts a multi-axis printing needle micro-extrusion mode, and realizes the forming of the whole shape by multi-dimensional and multi-angle movement in a gel medium; meanwhile, in the gel medium, the biological ink is in a suspended state, and can be extracted out through the recovery needle head when not subjected to light irradiation, so that the printing process can be adjusted at any time.)
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，具体公开了一种多轴悬浮3D打印系统及方法。
背景技术
目前，关于细胞生长支架的3D打印技术采用的是喷头挤出式，将细胞与生物材料混合成凝胶状后，挤出形成一条丝线状，再多次往复形成面，通过面的堆积继续形成相应的三维结构。
在实际应用中发现，该喷头挤出式存在有如下问题：
一是效率低。由单孔或多孔挤出头挤出凝胶状，挤出头需要沿单层成型面往复运动，将整层成型面涂覆完全，完成单层打印。通常挤出式打印机制作一个样件需要3-6小时才可完成。
二是成型幅面限制。受限于以制造平台为制造面的传统3D打印模式，不能脱离平台面积进行加工制造。
三是特殊结构的样件无法成型。采用挤出式打印机，往往在制备生物修复软组织等产品时，出现形变、塌陷，无法完好成型的现象，所以有时必须添加支撑，然而去除支撑又会造成支撑设计、产品形变，操作复杂等问题。
四是细胞存活率低。打印过程中生物材料由熔融态转变为固态，其中含有的细胞等微粒很容易在这过程中失去活性，造成细胞的存活率较低。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种多轴悬浮3D打印系统及方法，采用多轴打印针头微挤出模式，在凝胶介质内多维度、多角度运动，实现全形状的成型；同时在凝胶介质中，生物墨水处于悬浮状态，在未进行光辐照时，可以通过回收针头抽取出来，随时调整打印进程。
为了解决上述技术问题，本发明提供的具体方案如下：
一种多轴悬浮3D打印系统，包括控制器、成型缸、辐照模块、以及设于成型缸周围的多个供料模块和多个回收模块；
所述控制器对各模块进行控制；
所述成型缸承载有凝胶介质；
所述辐照模块用于辐照固化；
所述供料模块包括供料机械臂和与供料机械臂连接的供料单元，所述供料单元包括打印针头；
所述回收模块包括回收机械臂和与回收机械臂连接的回收单元，所述回收单元包括回收针头。
可选的，所述供料单元还包括打印材料储料腔；
所述打印材料储料腔与打印针头之间设置有挤出组件；
所述回收单元还包括回收材料储料腔；
所述回收材料储料腔与回收针头之间设置有回收组件；
打印材料储料腔用于存储打印用的生物墨水，并在挤出组件的作用下，将打印材料储料腔内的生物墨水从打印针头挤出；
回收材料储料腔用于将凝胶介质内的生物墨水进行回收存储，在回收组件的作用下，生物墨水通过回收针头进行抽取回收。
可选的，所述打印材料储料腔的腔壁采用避光材料；
所述回收材料储料腔的腔壁采用避光材料；
将打印材料储料腔的腔壁和回收材料储料腔的腔壁采用避光材料，能够实现避光作用，对生物墨水起到更好的存储作用。
可选的，所述辐照模块设于成型缸的一侧，所述成型缸为透明成型缸，透明材质的成型缸对于光辐照的阻挡低，便于辐照模块的辐照固化。
可选的，所述供料机械臂为多轴供料机械臂；
所述回收机械臂为多轴回收机械臂，实现多维度、多角度的运动，实现全形状的成型。
本发明还提供了一种多轴悬浮3D打印方法，应用于所述的多轴悬浮3D打印系统，所述方法包括：
S1、调整辐照模块、多个供料模块和多个回收模块的位置；
S2、对多个供料模块中的供料单元装入生物墨水；
S3、控制器控制多个供料模块中的供料机械臂带动打印针头进入凝胶介质，打印针头挤出生物墨水；
S4、辐照模块对挤出的生物墨水进行辐照，使生物墨水固化；
S5、重复操作步骤S3和S4，直至打印完毕。
可选的，所述步骤S3还包括以下过程：
控制器控制回收机械臂带动回收针头进入凝胶介质，回收针头对凝胶介质内的生物墨水进行抽取回收，在凝胶介质中，生物墨水处于悬浮状态，在未进行光辐照时，可以通过回收针头抽取出来，随时调整打印进程。
可选的，所述步骤S3中，控制器控制挤出组件的挤出力度、挤出时间和挤出速度；
控制器控制回收组件的抽取力度、抽取时间和抽取速度，以便于更好的控制全形状的成型。
可选的，所述步骤S3中，控制器控制多个供料模块中的供料机械臂同时动作或依次动作，可以根据实际打印需求进行调节，灵活性强。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提供的一种多轴悬浮3D打印系统及方法，采用多轴打印针头微挤出模式，打印针头不沿着平台往复运动，而是在凝胶介质内多维度、多角度运动，由于是立体式的成型，能够突破传统3D打印工艺，有利于打印复杂结构、多层次结构的软组织修复体；
在凝胶介质中成型，可以实现全形状的成型，凝胶介质作为成型件的支撑物，使得打印不需要添加支撑，实现悬浮式成型，针对细胞培养支架等三维镂空结构样件制作，不会出现塌陷等问题，对成型样件没有形状要求；同时在凝胶介质中，生物墨水处于悬浮状态，在未进行光辐照的时候，可以随时利用回收针头抽取出来，这样可以随时调整打印进程，进行改错；
凝胶介质承装在成型缸内，成型缸尺寸可以突破目前打印机限制，采用透明材质的桶类，缸类等容器，并且在打印完毕后成型缸可以随时取出，成型件在成型缸中，一直处于悬浮状态，整体搬运、存储非常方便；大尺寸的成型空间非常适合一维度或者二维度特别大的软组织修复体，比如血管，皮肤；
打印针头在凝胶介质内挤出光固化的生物墨水，生物墨水采用紫光或蓝光等可见光波段光源作为固化光源，光源能量高、照射时间短，对后期活性细胞的生长干扰小，同时凝胶介质采用生物相容性材料，打印的生物组织不会暴露在空气中，细胞存活率高。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种多轴悬浮3D打印系统的整体结构示意图。
图2为本发明实施例中提供的一种多轴悬浮3D打印方法的流程图。
其中，1为成型缸；2为辐照模块；3为供料模块；31为供料机械臂；32为打印针头；33为打印材料储料腔；34为挤出组件；4为回收模块；41为回收机械臂；42为回收针头；43为回收材料储料腔；44为回收组件；5为凝胶介质。
具体实施方式
为了详细说明本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
例如，一种多轴悬浮3D打印系统，包括控制器、成型缸、辐照模块、以及设于成型缸周围的多个供料模块和多个回收模块；所述控制器对各模块进行控制；所述成型缸承载有凝胶介质；所述辐照模块用于辐照固化；所述供料模块包括供料机械臂和与供料机械臂连接的供料单元，所述供料单元包括打印针头；所述回收模块包括回收机械臂和与回收机械臂连接的回收单元，所述回收单元包括回收针头。
本实施例提供的一种多轴悬浮3D打印系统及方法，采用多轴打印针头微挤出模式，在凝胶介质内多维度、多角度运动，实现全形状的成型；同时在凝胶介质中，生物墨水处于悬浮状态，在未进行光辐照时，可以通过回收针头抽取出来，随时调整打印进程。
请参照图1，图1示出的是一种多轴悬浮3D打印系统的整体结构示意图。
如图1所示，该多轴悬浮3D打印系统，包括控制器、成型缸、辐照模块、以及设于成型缸周围的多个供料模块和多个回收模块。
该控制器用于对各模块进行控制，如控制辐照模块的辐照时间、辐照强度，控制多个供料模块的供料动作和控制多个回收模块的回收动作。
该成型缸内承载有凝胶介质，在打印前，需确认成型缸内凝胶介质均一稳定无杂质，以确保打印成型件的质量。凝胶介质为透明的生物相容性材料，使得成型的生物组织不接触空气，细胞存活率高，同时没有氧阻聚，在蓝紫光辐照下无变性、交联反应，并且具备一定的密度，能够使成型件稳定的悬浮，可以反复利用。也可以在凝胶介质中添加有益于细胞生长、增殖的有益物质，没有细胞毒性，适合细胞生长存活。
该辐照模块主要由壳体、蓝紫光源和光路等组成，其作用是辐照蓝紫光，使得挤出的光固化生物墨水进行固化成型。
该生物墨水是光致交联的水凝胶，可以是天然生物材料进行光固化基团接枝的水凝胶，也可以是人工合成光固化生物材料。生物墨水具有生物相容性，其中添加无细胞毒性的蓝紫光引发剂，各个供料模块中添加的生物墨水，其成分和添加细胞种类可以相同也可以不同。为提高细胞存活率，没有采用紫外光固化，而是采用蓝紫光固化成型，而实际上其他波段光，如红光等固化也不会杀伤细胞，因此，生物墨水也可以改为添加无细胞毒性的其他光引发剂，同时相应的改变辐照系统中的光源，进行可见光如红光、绿光等其他光辐照固化。
供料模块和回收模块的数量可以根据实际需求进行设置，可完成多种生物墨水或细胞液的混合打印，在该示例中，供料模块的数量为两个，回收模块的数量为两个(图中示出一个)，设置多个回收模块亦可对不同的生物墨水或细胞液进行分开回收，避免不同生物墨水或细胞液之间的相互污染。
供料模块包括供料机械臂和与供料机械臂连接的供料单元，供料单元包括打印针头。
控制器根据打印需要，规划供料机械臂的关节空间的运动轨迹，供料机械臂可以控制打印针头的运动速度、运动角度、运动精准度，带动打印针头进行多维度、多角度的运动。
回收模块包括回收机械臂和与回收机械臂连接的回收单元，所述回收单元包括回收针头。
控制器根据打印回收需要，规划回收机械臂的关节空间的运动轨迹，回收机械臂可以控制回收针头的运动速度、运动角度、运动精准度，带动回收针头进行多维度、多角度的运动。
打印针头和回收针头可以是普通圆柱、锥型，也可以设计为弯折型等异形状，在该示例中，打印针头和回收针头采用的是直筒针头。
在一些实施例中，供料单元还包括打印材料储料腔，打印材料储料腔用于存储打印用的生物墨水，打印材料储料腔与打印针头之间设置有挤出组件，在挤出组件的作用下，将打印材料储料腔内的生物墨水从打印针头挤出。
回收单元还包括回收材料储料腔，回收材料储料腔用于将凝胶介质内的生物墨水进行回收存储，回收材料储料腔与回收针头之间设置有回收组件，在回收组件的作用下，生物墨水通过回收针头进行抽取回收。
在一些实施例中，打印材料储料腔的腔壁采用避光材料；回收材料储料腔的腔壁采用避光材料；将打印材料储料腔的腔壁和回收材料储料腔的腔壁采用避光材料，能够实现避光作用，对生物墨水起到更好的存储作用。
在本示例中，由于供料模块的数量为两个，因此，对应的，打印材料储料腔的数量亦为两个，包括打印材料储料腔一和打印材料储料腔二，在打印工作开始之前，在打印材料储料腔一中装填生物墨水一，在打印材料储料腔二中装填生物墨水二，并确认成型缸内凝胶介质均一稳定无杂质。
供料机械臂和打印针头的数量为两个，包括供料机械臂一和供料机械臂二、打印针头一和打印针头二，控制器根据需要规划供料机械臂一和供料机械臂二的关节空间的运动轨迹，供料机械臂一控制打印针头一的运动速度、运动角度和运动精准度，供料机械臂二控制打印针头二的运动速度、运动角度和运动精准度。
挤出组件的数量为两个，包括挤出组件一和挤出组件二，控制器根据打印需要，控制挤出组件一的挤出力度、挤出时间和挤出速度等参数，将生物墨水一从打印材料储料腔一中通过打印针头一挤出，并控制辐照模块进行蓝紫光辐照固化；控制器根据打印需要，控制挤出组件二的挤出力度、挤出时间和挤出速度等参数，将生物墨水二从打印材料储料腔二中通过打印针头二挤出，并控制辐照模块进行蓝紫光辐照固化。
在实际打印中，供料机械臂一和供料机械臂二、挤出组件一和挤出组件二等收到控制器控制，各个部件可以同时运动同步工作，也可以分先后运动有顺序的工作，生物墨水一和生物墨水二可以同时挤出，也可以分先后挤出，可以选择一边挤出一边辐照固化，也可以挤出一部分之后固化，也可以全部挤出之后固化，具体根据实际打印需求进行调整即可。
该打印系统是在适宜细胞存活的温度、湿度环境下进行。
在一些实施例中，辐照模块设于成型缸的一侧，成型缸为透明成型缸，透明材质的成型缸对于光辐照的阻挡低，便于辐照模块的辐照固化。
需要说明的是，成型缸可以采用透明材质，将辐照模块设于成型缸外，让光线透过成型缸辐照生物墨水，成型缸也可以采用其他不透明材质，将具备防水功能的辐照模块设于成型缸内部。在打印完成后，成型缸可以脱离系统，单独运输或者存储。
在打印过程中，如需改变打印内容，可以通过控制器控制回收模块，将已经挤出的生物墨水抽取回收，重新进行打印。
回收机械臂带动回收针头的运动，控制器回收需要，控制回收组件的抽取力度、抽取时间、抽取速度等参数，将已经挤出到凝胶介质中的生物墨水通过回收针头抽回到回收材料储料腔。
在一些实施例中，供料机械臂为多轴供料机械臂；回收机械臂为多轴回收机械臂，具有高精度和高可靠性的特点，可完成打印针头或回收针头的各种转动，如摆动、扭动、移动或复合运动，实现多维度、多角度的运动，实现全形状的成型。
请参照图2，图2示出了一种多轴悬浮3D打印方法的流程图。
本申请还提供了一种多轴悬浮3D打印方法，如图2所示，应用于所述的多轴悬浮3D打印系统，所述方法包括：
S1、调整辐照模块、多个供料模块和多个回收模块的位置。
即调整辐照模块、多个供料模块的供料机械臂、打印材料储料腔、挤出组件和打印针头、多个回收模块的回收机械臂、回收材料储料腔、回收组件和回收针头的位置，同时在成型缸内装入凝胶介质，并确认凝胶介质均一稳定无杂质，做好打印前的准备工作。
S2、对多个供料模块中的供料单元装入生物墨水。
在多个供料模块中的供料单元装入生物墨水，即在多个供料模块中的打印材料储料腔装入生物墨水，需要说明的是，在该示例中，供料模块的数量有两个，因此，打印材料储料腔的数量也有两个，包括打印材料储料腔一和打印材料储料腔二，可在打印材料储料腔一中装入生物墨水一，在打印材料储料腔二中装入生物墨水二，亦可在打印材料储料腔一和打印材料储料腔二中装入同一种生物墨水，具体可根据实际打印需求进行设计，本示例中是在打印材料储料腔一中装入生物墨水一，在打印材料储料腔二中装入生物墨水二。
S3、控制器控制多个供料模块中的供料机械臂带动打印针头进入凝胶介质，打印针头挤出生物墨水。
同理的，供料机械臂和打印针头的数量为两个，包括供料机械臂一和供料机械臂二、打印针头一和打印针头二，控制器根据需要规划供料机械臂一和供料机械臂二的关节空间的运动轨迹，供料机械臂一控制打印针头一的运动速度、运动角度和运动精准度，供料机械臂二控制打印针头二的运动速度、运动角度和运动精准度。
挤出组件的数量为两个，包括挤出组件一和挤出组件二，控制器根据打印需要，控制挤出组件一的挤出力度、挤出时间和挤出速度等参数，将生物墨水一从打印材料储料腔一中通过打印针头一挤出；控制挤出组件二的挤出力度、挤出时间和挤出速度等参数，将生物墨水二从打印材料储料腔二中通过打印针头二挤出。在实际打印中，供料机械臂一和供料机械臂二、挤出组件一和挤出组件二等收到控制器控制，各个部件可以同时运动同步工作，也可以分先后运动有顺序的工作，生物墨水一和生物墨水二可以同时挤出，也可以分先后挤出。
S4、辐照模块对挤出的生物墨水进行辐照，使生物墨水固化。
在实际打印中，可以选择一边挤出一边辐照固化，也可以挤出一部分之后固化，也可以全部挤出之后固化，具体根据实际打印需求进行调整即可。
S5、重复操作步骤S3和S4，直至打印完毕。
本申请提供的一种多轴悬浮3D打印方法，打印针头不沿着成型缸往复运动，而是在凝胶介质内多维度多角度运动，是真正立体式成型，将3D打印从平台制造转入到空间制造。平台制造必须要有固定的制造秩序，或从上到下，或从下到上，进行逐层累加，而本申请提出的空间制造不受制造秩序的限制，相当于在地面上提供一个类似失重的环境，非常有利于打印复杂结构、多层次结构的软组织修复体。
在一些实施例中，所述步骤S3还包括以下过程：控制器控制回收机械臂带动回收针头进入凝胶介质，回收针头对凝胶介质内的生物墨水进行抽取回收，在凝胶介质中，生物墨水处于悬浮状态，在未进行光辐照时，可以通过回收针头抽取出来，随时调整打印进程。
控制器根据打印回收需要，规划回收机械臂的关节空间的运动轨迹，回收机械臂可以控制回收针头的运动速度、运动角度、运动精准度，带动回收针头进行多维度、多角度的运动，并控制回收组件的抽取力度、抽取时间和抽取速度等。
采用悬浮固化的成型方式，在凝胶介质中进行打印，可以实现全形状的成型，凝胶介质作为成型件的支撑物，使得打印不需要添加支撑，实现悬浮式成型，针对细胞培养支架等三维镂空结构样件制作，不会出现塌陷等问题，对成型样件没有形状要求；生物墨水处于悬浮状态，在未进行光辐照的时候，可以随时利用针头抽取出来，这样可以随时调整打印进程，进行改错。
可以理解的，上述实施例中各个部件之间的不同实施方式可以进行组合实施，实施例仅仅只是为了说明特定结构的可实施方式，并不是作为方案实施的限定。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。