近场直写微纳3d静电纺丝装置
阅读说明：本技术 近场直写微纳3d静电纺丝装置 (Near-field direct-writing micro-nano 3D electrostatic spinning device ) 是由 刘祎 牛群 吴炎凡 张京钟 葛阳 闫飞 曹炜 于 2021-07-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种近场直写微纳3D静电纺丝装置,包括：外壳、支架、设置在所述支架上的Z轴移动机构、设置在所述Z轴移动机构上的打印针头、与所述打印针头通过管路连接的精密进样机构、温湿度调控机构、XY轴移动机构以及设置在所述XY轴移动机构上的接收器平台。本发明的近场直写微纳3D静电纺丝装置具备温湿度精密控制功能,可以控制纺丝工作环境的温度及湿度,减少纺丝温湿度环境对纺丝射流沉积情况及纤维微观结构的影响；本发明的精密进样机构能保证纺丝液的平稳供应,提高了纺丝的稳定性；注射器夹具能够适配不同容量的注射器,满足了不同纺丝场景的需求。(The invention discloses a near-field direct-writing micro-nano 3D electrostatic spinning device, which comprises: the device comprises a shell, a support, a Z-axis moving mechanism arranged on the support, a printing needle arranged on the Z-axis moving mechanism, a precision sample feeding mechanism connected with the printing needle through a pipeline, a temperature and humidity regulating mechanism, an XY-axis moving mechanism and a receiver platform arranged on the XY-axis moving mechanism. The near-field direct-writing micro-nano 3D electrostatic spinning device has a temperature and humidity precise control function, the temperature and the humidity of a spinning working environment can be controlled, and the influence of the spinning temperature and humidity environment on the deposition condition of spinning jet flow and the microstructure of fibers is reduced; the precise sample injection mechanism can ensure the stable supply of the spinning solution and improve the stability of spinning; the injector clamp can be adapted to injectors with different capacities, and the requirements of different spinning scenes are met.)
技术领域
本发明涉及静电纺丝设备领域，特别涉及一种近场直写微纳3D静电纺丝装置。
背景技术
市场上的大多的静电纺丝仪器主要包含机壳，进料装置、高压发生器、纺丝收集器(滚筒、平板等)、纺丝针头等，纺丝针头与收集器间工作距离大，纺丝聚合物在纺丝过程中扰动，射流不稳定，形成无序的纳米纤维。这种无序的纳米纤维结构在一些场合限制了其应用，如组织工程应用等，细胞对于微观图案及其力学性能的变化存在不同的反应和表现。
近年来，研究人员开发了近场纺丝技术，即缩短纺丝针头到接收板的工作距离，增强静电力对纳米纤维的控制，通过纺丝针头与接收板的相对位移运动，精密操控纳米纤维的走向，通过路径规划即工作电压、工作距离、运动速度等参数的设置可以精密控制纺丝纳米纤维的走向及微观结构。但在实际的纺丝操作过程中纺丝液射流沉积的情况及纤维微观结构受到工作环境温湿度及进料情况的影响，现有近场纺丝设备缺乏温湿度精密控制系统，未能对于环境因素提供进行合理的解决方案，导致产品质量会受到影响。
所以，现在需要一种更可靠的方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种近场直写微纳3D静电纺丝装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种近场直写微纳3D静电纺丝装置，包括：外壳、支架、设置在所述支架上的Z轴移动机构、设置在所述Z轴移动机构上的打印针头、与所述打印针头通过管路连接的精密进样机构、温湿度调控机构、XY轴移动机构以及设置在所述XY轴移动机构上的接收器平台；
所述外壳内部通过一竖向设置的安装隔板分隔形成打印工作空间和设备空间，所述Z轴移动机构、打印针头、精密进样机构、XY轴移动机构和接收器平台均设置在所述打印工作空间内，所述温湿度调控机构设置在所述设备空间内；
所述温湿度调控机构用于调节所述打印工作空间内的温度和湿度，所述XY轴移动机构用于带动所述接收器平台进行X和Y方向的移动，所述Z轴移动机构带动所述打印针头进行Z方向的移动；所述精密进样机构用于将纺丝液输送到所述打印针头内，然后再输出到处于所述接收器平台上的接收器上。
优选的是，所述温湿度调控机构包括温度调控组件和湿度调控组件；
所述安装隔板上设置有上层流板、设置在所述层流板下方的导风管道、与所述导风管道下端连通的制热室、与所述制热室下端连通的制冷室、设置在所述制冷室两侧的导热管道以及设置在所述制冷室下方的下层流板；
所述上层流板和下层流板上均开设有连通所述打印工作空间和设备空间的若干微孔。
优选的是，所述温度调控组件包括设置在所述导风管道的上端的第一抽风风扇、设置在所述制热室内的加热导热板、设置在所述加热导热板上的加热器、设置在所述制冷室内的内壁上的半导体制冷器、设置在所述半导体制冷器上的制冷导热板、设置在所述导热管道的内端且处于所述制冷室内的外壁的侧部的散热风扇以及设置在所述制冷室内的下端的第二抽风风扇；
所述导热管道的外端与所述外壳外部的环境连通。
优选的是，所述湿度调控组件包括设置在所述安装隔板上的加湿器、连通所述加湿器与所述导风管道的加湿管道、设置在所述制冷导热板下方的冷凝水收集槽以及与所述冷凝水收集槽连通的冷凝水排水管。
优选的是，所述精密进样装置包括设置在所述支架上的安装壳、设置在所述安装壳上的盖板、沿X方向开设在所述盖板上的滑槽、可在所述滑槽内沿X方向移动的进样推杆、设置在所述安装壳内的用于驱动所述进样推杆运动的进样驱动机构以及设置在所述盖板上的注射器夹具。
优选的是，所述注射器夹具上沿X方向开设有用于固定注射器的固定槽组，所述固定槽组包括由上至下依次设置的截面尺寸依次减小的若干固定槽。
优选的是，所述注射器夹具上沿Y方向开设有与所述固定槽连通的用于卡设注射器的外注射筒推送手柄的卡槽。
优选的是，所述固定槽的内壁上设置有若干弹簧柱塞。
优选的是，所述进样驱动机构包括设置在所述安装壳内的电机、与所述电机驱动连接的丝杆、沿X方向设置的滑轨、可滑动设置在所述滑轨上的滑块以及连接在所述滑块上且与所述丝杆螺纹配合的丝杆螺母，所述进样推杆连接在所述丝杆螺母上。
优选的是，该近场直写微纳3D静电纺丝装置还包括设置在所述支架上的高压电源以及设置在所述打印工作空间内的温度传感器和湿度传感器。
本发明的有益效果是：
1、本发明的近场直写微纳3D静电纺丝装置具备温湿度精密控制功能，可以控制纺丝工作环境的温度及湿度，减少纺丝温湿度环境对纺丝射流沉积情况及纤维微观结构的影响；
2)本发明的精密进样机构能保证纺丝液的平稳供应，提高了纺丝的稳定性；注射器夹具能够适配不同容量的注射器，满足了不同纺丝场景的需求；通过在注射器夹具上设置加热器，能够实现注射器中的纺丝液的温度控制，使得本发明的装置兼具溶液近场纺丝和熔融纺丝的功能；
3)本发明中，接收器平台和打印针头能相对三维运动，可调节至较小的工作距离，增大了对纺丝射流的控制力，可以精密控制射流走向，制备特定的纳米纤维图案，达到3D打印的效果。
附图说明
图1为本发明的近场直写微纳3D静电纺丝装置的内部结构示意图；
图2为本发明的近场直写微纳3D静电纺丝装置卸去外壳后的结构示意图；
图3为本发明的温湿度调控机构的部分组件的结构示意图；
图4为本发明的近场直写微纳3D静电纺丝装置卸去外壳后的另一个视角的结构示意图；
图5为本发明的精密进样机构的结构示意图；
图6为本发明的注射器夹具与注射器配合的结构示意图；
图7为本发明的注射器夹具的结构示意图；
图8为本发明的进样驱动机构的结构示意图。
附图标记说明：
1—外壳；10—安装隔板；11—打印工作空间；12—设备空间；13—柜门；100—上层流板；101—导风管道；102—制热室；103—制冷室；104—导热管道；105—下层流板；106—微孔；
2—支架；
3—Z轴移动机构；
4—打印针头；
5—精密进样机构；50—安装壳；51—盖板；52—滑槽；53—进样推杆；54—进样驱动机构；55—注射器夹具；56—固定槽组；57—卡槽；58—弹簧柱塞；59—注射器；540—电机；541—丝杆；542—滑轨；543—滑块；544—丝杆螺母；560—固定槽；590—外注射筒；591—外注射筒推送手柄；592—活塞；
6—温湿度调控机构；60—温度调控组件；61—湿度调控组件；600—第一抽风风扇；601—加热导热板；602—加热器；603—制冷导热板；604—散热风扇；605—第二抽风风扇；610—加湿器；611—加湿管道；612—冷凝水收集槽；613—冷凝水排水管；
7—XY轴移动机构；
8—接收器平台；
9—电源。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
实施例1
如图1-4所示，本实施例的一种近场直写微纳3D静电纺丝装置，包括：外壳1、支架2、设置在支架2上的Z轴移动机构3、设置在Z轴移动机构3上的打印针头4、与打印针头4通过管路连接的精密进样机构5、温湿度调控机构6、XY轴移动机构7、设置在XY轴移动机构7上的接收器平台8、设置在支架2上的电源9以及设置在打印工作空间11内的温度传感器和湿度传感器(图中未示出)；
外壳1内部通过一竖向设置的安装隔板2分隔形成打印工作空间11和设备空间12，Z轴移动机构3、打印针头4、精密进样机构5、XY轴移动机构7和接收器平台8均设置在打印工作空间11内，温湿度调控机构6设置在设备空间12内；
温湿度调控机构6用于调节打印工作空间11内的温度和湿度，XY轴移动机构7用于带动接收器平台8进行X和Y方向的移动，Z轴移动机构3带动打印针头4进行Z方向的移动；精密进样机构5用于将纺丝液输送到打印针头4内，然后再输出到处于接收器平台8上的接收器上。
本发明中通过温湿度调控机构6调控使得打印工作空间11内的温度和湿度保持在设定的合适范围，从而能防止不适宜工作环境温湿度对纺丝操作过程中纺丝液射流沉积的情况及纤维微观结构造成不利影响。本实施例中，温湿度调控机构6包括温度调控组件60和湿度调控组件61；
安装隔板2上设置有上层流板100、设置在层流板下方的导风管道101、与导风管道101下端连通的制热室102、与制热室102下端连通的制冷室103、设置在制冷室103两侧的导热管道104以及设置在制冷室103下方的下层流板105；
上层流板100和下层流板105上均密集开设有连通打印工作空间11和设备空间12的若干微孔106。
在优选的实施例中，电源9采用高压电源。
其中，温度调控组件60包括设置在导风管道101的上端的第一抽风风扇600、设置在制热室102内的加热导热板601、设置在加热导热板601上的加热器602、设置在制冷室103内的内壁上的半导体制冷器(图中未示出)、设置在半导体制冷器上的制冷导热板603、设置在导热管道104的内端且处于制冷室103内的外壁的侧部的散热风扇604以及设置在制冷室103内的下端的第二抽风风扇605；导热管道104的外端与外壳1外部的环境连通(通过在外壳1上对应位置开孔实现)。第二抽风风扇605用于将半导体制冷器的热端的热量经导热管道104散发到外壳1的外部，半导体制冷器的冷端与制冷导热板603连接，从制冷室103内吸收热量。
加热导热板601和制冷导热板603的能够提高换热效率，且制冷导热板603还兼具通过冷凝来实现除湿的功能。
其中，湿度调控组件61包括设置在安装隔板2上的加湿器610、连通加湿器610与导风管道101的加湿管道611、设置在制冷导热板603下方的冷凝水收集槽612以及与冷凝水收集槽612连通的冷凝水排水管613。
可通过内置在外壳1中的控制芯片或设置在外部的上位机等常规控制器件来对温湿度调控机构6内各组件的工作情况进行控制。在一种实施例中，外壳1中设置有控制芯片(采用常规产品即可)，控制芯片与温度调控组件60、湿度调控组件61均连接。
在一种实施例中，加热室和制冷室103的与外壳1内壁接触的一侧敞开，能方便加热室和制冷室103内部元件的安装与维护；温湿度调控机构6设置在外壳1内后，通过外壳1的背板使的加热室和制冷室103敞开的该侧密封。
在一种实施例中，在外壳1上开设有若干与下层流板105侧部连通的透气孔。
在一种实施例中，外壳1上设置有柜门13。
在一种实施例中，采用的加热器602为PTC加热器602。
在一种实施例中，温度调控过程为：
升温过程：当温度传感器检测到打印工作空间11内的温度低于设定范围时，控制芯片控制加热器602启动加热，加热器602产生的热量通过加热导热板601传输到导风管道101内部，第一抽风风扇600工作，将导风管道101内部的热风经由上层流板100分散吹入到打印工作空间11内部，直至打印工作空间11内的温度达到设定范围；
降温过程：当温度传感器检测到打印工作空间11内的温度高于设定范围时，控制加热器602停止加热，半导体制冷器启动制冷工作，第二抽风风扇605启动工作，将打印工作空间11内的热空气经由下层流板105抽出进入到制冷室103进行降温，降温后的冷空气在第一抽风风扇600的作用下，依次通过加热室、导风管道101、上层流板100返回到打印工作空间11内，使打印工作空间11内部温度降低到设定范围内，从而实现温度调控。
湿度调控过程为：
增湿过程：湿度传感器检测到打印工作空间11内的湿度低于设定范围时，控制芯片控制加湿器610启动，在第一抽风风扇600的作用下，湿润的空气通过加湿管道611经由上层流板100分散吹入到打印工作空间11内部，使得打印工作空间11内的湿度提高到设定范围；
除湿过程：当湿度传感器检测到打印工作空间11内的湿度高于设定范围时，控制芯片控制加湿器610停止工作，半导体制冷器启动，第二抽风风扇605启动工作，将打印工作空间11内的湿空气经由下层流板105抽出进入到制冷室103，湿空气在制冷室103的制冷导热板603上冷凝，冷凝水在重量作用下滴落到下方的冷凝水收集槽612内，最后通过冷凝水排水管613排出，除湿后的空气在第一抽风风扇600的作用下，再依次通过加热室、导风管道101、上层流板100返回到打印工作空间11内，使打印工作空间11内部湿度降低到设定范围内，从而实现湿度调控。
其中，除湿过程与升温过程需要错开进行。
实施例2
作为实施例1的基础上的进一步改进，参照图5-8，本实施例中，精密进样装置包括设置在支架2上的安装壳50、设置在安装壳50上的盖板51、沿X方向开设在盖板51上的滑槽52、可在滑槽52内沿X方向移动的进样推杆53、设置在安装壳50内的用于驱动进样推杆53运动的进样驱动机构54以及设置在盖板51上的注射器59夹具55。
其中，注射器59夹具55上沿X方向开设有用于固定注射器59的固定槽560组56，固定槽560组56包括由上至下依次设置的截面尺寸依次减小的若干固定槽560。本实施例中，包括2个固定槽560，能够适配不同容量的注射器59。
其中，注射器59夹具55上沿Y方向开设有与固定槽560连通的用于卡设注射器59的外注射筒推送手柄591的卡槽57。
在优选的实施例中，固定槽560的内壁上设置有若干弹簧柱塞58。通过若干弹簧柱塞58的顶压作用，使得注射器59能够稳定的卡设在固定槽560内。
使用时，将注射器59卡设在固定槽560内，注射器59的外注射筒推送手柄591则卡设在卡槽57，从而限制注射器59的外注射筒590的X方向的位置，若干弹簧柱塞58的顶压作用限制了外注射筒590的周向位置，从而使得外注射筒590可稳定的设置在固定槽560内；进样驱动机构54再带动进样推杆53沿X方向向前移动，推动注射器59的活塞592，将注射器59中的纺丝液通过管路输送到打印针头4内，并经打印针头4呈射流状输出到处于接收器平台8上的接收器上，进行3D打印。打印过程中，XY轴移动机构7用于带动接收器平台8按照设定路径进行X和Y方向的移动，Z轴移动机构3带动打印针头4按照设定路径进行Z方向的移动，从而打印出特定的产品。
在一种实施例中，注射器59夹具55为可导热的金属材质，且注射器59夹具55上还设置有加热器602，从而能够实现注射器59中的纺丝液的温度控制，使得本发明的装置兼具熔融纺丝的功能。
在一种实施例中，进样驱动机构54包括设置在安装壳50内的电机540、与电机540驱动连接的丝杆541、沿X方向设置的滑轨542、可滑动设置在滑轨542上的滑块543以及连接在滑块543上且与丝杆541螺纹配合的丝杆螺母544，进样推杆53连接在丝杆螺母544上。电机540带动丝杆541转动，从而使丝杆螺母544进行直线移动，从而实现进样推杆53的X方向直线运动。
需要理解的是，其中，Z轴移动机构3和XY轴移动机构7均可采用常规的直线位移驱动机构，如丝杆541电机540驱动机构(如进样驱动机构54)、带轮皮带驱动机构等。其只需实现对应的直线位移功能即可，可在常规产品中进行选择，本发明中不做具体限定，也不再赘述其具体结构。
在一种实施例中，以聚己内酯(PCL)为纺丝液，该近场直写微纳3D静电纺丝装置的打印工作过程为：
先将聚己内酯的乙酸溶液注入到注射器59中，然后将注射器59按照到注射器59夹具55上，并通过管路连接好注射器59与打印针头4，在接收器平台8上放置打印接收盘(如表面光滑的导电单晶硅片)，关上外壳1的柜门13，近场直写微纳3D静电纺丝装置开始工作，工作过程中，精密进样装置实现纺丝液的送样，温湿度调控机构6调控打印工作空间11内的温度和湿度保持在设定的合适范围。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。
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