一种多喷头生物3D打印系统的气动多路控制系统与方法

一种多喷头生物3d打印系统的气动多路控制系统与方法
技术领域
1.本发明涉及组织工程中的生物3d打印技术领域，特别涉及一种多喷头生物3d打印系统的气动多路控制系统与方法。


背景技术：

2.全世界每年都有极其庞大数量的人员遭受各种类型的伤害导致组织缺损，或者发生一些重大疾病从而需要进行器官移植，产生巨大的组织器官修复需求。尤其是对于终末期器官及组织修复领域，人体组织器官移植是现有最为常见的治疗方法。但由于组织器官供体短缺，受体免疫排斥反应，宗教、文化、政策等多重限制，亟需研发组织器官供体替代物。而组织工程的提出为解决上述问题开辟了新的途径。组织工程是将活细胞通过某种方法附合在生物材料基质或者制备的支架上，来构建功能组织替代物。然后将构建的组织替代物进行培养以后植入患者体内，替换原有病变组织器官来恢复原有的身体机能实现对疾病治疗。目前组织工程皮肤的研究和运用就是组织工程良好发展前景的有效例证。
3.近几年来，3d打印技术的迅猛发展，为工业制造开辟了新的制造生产模式。生物3d打印技术是可高度模拟具有自然组织特征的生物医学结构的制造手段，其以计算机三维模型为基础，通过软件分层离散和数控成型的方法，定位装配生物材料或活细胞，制造人工植入支架、组织器官和医疗辅助等生物医学产品。生物3d打印技术是解决组织器官短缺的关键技术和必要途径。然而，人体器官组织结构复杂，材料组分多样，为了满足大尺寸复杂组织器官的制造需求，精准构建可移植器官组织，特别是对于肝脏等具有明显单元性结构的组织器官，3d打印平台需要满足多材料多喷头的协调打印等要求。所以，当前生物3d打印设备正朝着具有极高自由度、能在较大尺寸里实现多个喷头协同工作的方向发展。而在一个典型的多材料多喷头生物挤出打印设备中，要想实现多喷头的同步协调打印，尤为关键的部分就是气动挤出系统。为此，急需开发与多喷头打印系统相配套的气动挤出多路控制系统。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种多喷头生物3d打印系统的气动多路控制系统及其方法，实现生物3d打印设备中所需任意多路气动挤出系统的气体清洁、气压反馈调节、供压和泄压等功能。
5.本发明首先提供了一种多喷头生物3d打印系统的气动多路控制系统，其特征在于，包括气源处理模块、气压控制模块、供压泄压模块、挤出喷头、反馈控制模块；其中，反馈控制模块包括n个气体流量计(18)、由n个压力变送器构成的变送器组(24)、多功能信号采集卡(21)、上位机(23)
6.所述气源处理模块(1)包括顺次连接的空气泵(2)、第一过滤器(3)、第二过滤器(4)、第三过滤器(5)、第四过滤器(6)和干燥器(7)，实现逐级过滤气体，达到生物挤出打印过程中的气源清洁度和干燥度要求；
7.所述气压控制模块包括气路板(11)和由n个比例压力阀组成的比例压力阀组(12)，气源处理模块(1)提供的气体通过气路板(11)分别通向n个比例压力阀，各比例压力阀由反馈控制模块独立控制；
8.所述供压泄压模块包括由n个第一高速开关阀组成的高速开关阀组
①
(13)、y型接头(14)、由n个第二高速开关阀组成的高速开关阀组
②
(15)、t型接头(17)；
9.气体经过气压控制模块的n个比例压力阀组后分别连接n个第一高速开关阀，第一高速开关阀由反馈控制模块控制，控制方法为高低电平，其中高电平时打开，低电平时关闭，实现打印过程的实时供压；每个第一高速开关阀均通过一个y型接头(14)分别连接一个第二高速开关阀和一个t型接头(17)，第二高速开关阀也由反馈控制模块控制，控制方法为高低电平，其中高电平时打开，低电平时关闭，实现打印过程所需的实时泄压，泄压时，第一高速开关阀处于关闭状态，第二高速开关阀打开，控制材料的挤出；
10.所述t型接头(17)一端连接变送器组(24)中的一个压力变送器，另一端连接一个气体流量计(18)和挤出喷头(19)，变送器组(24)所采集的压力值通过双多功能信号采集卡(21)在上位机(23)的控制下实现读入比较，从而实现各挤出喷头的气压闭环控制。
11.作为本发明的优选方案，所述比例压力阀组(12)包括n个比例压力阀，均通过电压模拟量控制，采用多个相同的多功能信号采集卡(21)，在上位机(23)控制下，实现n路模拟量输出控制。
12.作为本发明的优选方案，第一高速开关阀实现供压，供压时，第二高速开关阀处于关闭状态；第二高速开关阀实现泄压，泄压时，第一高速开关阀处于关闭状态；采用2个多功能信号采集卡(21)，一个多功能信号采集卡控制供压，另一个多功能信号采集卡控制泄压，供压、泄压过程分别由反馈控制模块独立控制，上位机能够识别不同功能的多功能信号采集卡。
13.作为本发明的优选方案，所述气路的数量n可以根据打印单元结构的复杂程度进行调整，调整采用将不使用的气路的比例压力阀或者第一高速开关阀的电压设置为零。
14.可选地，空气泵的压缩气体通过4个不同过滤等级的过滤器和干燥器实现逐级过滤达到生物挤出打印过程中的气源清洁度和干燥度要求，为整个系统提供高效清洁、压力稳定、干燥的气体。
15.作为本发明的优选方案，由比例压力阀(12)输出实际压力，由压力变送器(24)采集挤出喷头的实时压力，实际压力和实施压力均通过多功能信号采集卡采集，最终在上位机(23)控制下对实时压力与实际压力进行比较从而实现喷头气压的反馈控制。
16.作为本发明的优选方案，所述的第一高速开关阀和第二高速开关阀为二位二通阀。
17.作为本发明的优选方案，所述第二高速开关阀接入有消声器(16)，实现泄压时降低气体噪声的功能。
18.作为本发明的优选方案，在压力变送器(24)之后安装led气体流量计(18)，当气体稳定后，流量计上显示数字为0。
19.本发明还提供了一种上述气动多路控制系统的控制方法，其包括以下步骤：
20.气体经过气源处理模块(1)的四个过滤器逐渐提高过滤等级，再经干燥器干燥，达到所需气源清洁度和干燥度要求；
21.气源处理模块(1)过滤后的气体由气压控制模块、供压泄压模块协调控制，相互配合，从而实现多喷头挤出打印多种材料不同压力的实时需求，保证挤出打印连续可控，其中，通过控制不同挤出喷头的气体压力，实现调压功能，通过控制气体的通断，实现供压功能，通过控制气体的排出，实现泄压功能。
22.调压时，通过多功能信号采集卡(21)对比例压力阀组分别设置所需压力，在上位机的控制下，第一高速开关阀和第二高速开关阀相互配合，当喷头需要挤出时，第一高速开关阀打开，第二高速开关阀处于关闭状态，通过气体流量计观察管道气压是否处于稳定状态，若稳定，则开始挤出打印；当喷头需要停止挤出时，第一高速开关阀关闭，第二高速开关阀打开，实现及时泄压，通过气体流量计观察管道气压是否处于稳定状态，若稳定，则泄压完全；若不稳定，通过调整程序当中的泄压时间，直至泄压完全，达到稳定。
23.打印过程中压力变送器组(24)实时采集挤出喷头部位压力值，反馈到多功能信号采集卡(21)，与比例压力阀提供的设定压力进行差值比较，由于实际压力小于设定压力，上位机补充压力差值到相应比例压力阀，提高设定压力，从而实现实际压力的稳定可控。
24.作为本发明的优选方案，所述泄压时间可控，保证气体不会滞留在管道内。
25.本发明设计的多喷头气动控制系统，采取严格的除菌过滤措施以保证能够提供清洁、无菌的压力气源，避免对细胞造成污染。再通过比例压力阀组调节空气泵输出压力使喷头上方获得稳定压力，在两组高速开关阀组的相互协作下，实现打印过程中的实时供压与泄压，推动细胞液从喷嘴处匀速挤出，通过改变挤出压力可以获得不同的挤出速度，并可实时反馈调节气体压力。用此气动多路系统和控制方法，可实现供压泄压模块相互协作，保障多喷头挤出生物3d打印过程中的快速供压和泄压，从而实现材料的精确挤出，对提高打印结构的精度具有重要意义。
附图说明
26.图1为本发明多喷头生物3d打印系统的气动多路控制系统的整体结构图。
27.其中：气源处理模块1、空气泵2、40微米过滤器3、5微米过滤器4、1微米过滤器5、0.1微米过滤器6、安全(减压)阀
①
7、压力表8、干燥器9、安全(减压)阀
②
10、气路板11、比例压力阀组12、高速开关阀组
①
13、y型接头14、高速开关阀组
②
15、消声器16、t型接头17、气体流量计18、挤出喷头19、比例压力阀组控制线20、多功能信号采集卡21、高速开关阀组控制线22、上位机23、压力变送器组24。
具体实施方式
28.如图1所示，本发明的生物3d打印机的多喷头气动控制系统，包括气源处理模块、气压控制模块、供压泄压模块、挤出喷头和反馈控制模块。本实施例的气路数量为6，反馈控制模块中，多功能信号采集卡的数量为两个。需要说明的是，多功能信号采集卡数量可以增加以满足所需的模拟量输出需求，可以是3个、4个等。
29.所述气动多路控制系统中，空气泵的压缩气体通过4个不同过滤等级的过滤器和干燥器实现逐级过滤达到生物挤出打印过程中的气源清洁度和干燥度要求，其中，本实施例分别采用40微米过滤器3、5微米过滤器4、1微米过滤器5、0.01微米过滤器6四个不同过滤等级的过滤器。
30.之后通过气路板分别通向由6个比例压力阀组成的比例压力阀组，比例压力阀由上位机程序控制，控制方法为不同的电压对应不同的气体压力，从而实现6路气体的压力可控。
31.气体经过比例压力阀组后通过所连接的6个第一高速开关阀组成的高速开关阀组
①
，高速开关阀组
①
由上位机程序控制，控制方法为高低电平，高电平时打开，低电平时关闭，实现打印过程的实时供压。高速开关阀组
①
通过y型接头分别连接由6个第二高速开关阀组成的高速开关阀组
②
和6个t型接头，高速开关阀组
②
也由上位机程序控制，控制方法为高低电平，高电平时打开，低电平时关闭，实现打印过程所需的实时泄压，泄压时，高速开关阀组
①
处于关闭状态，高速开关阀组
②
及时打开，控制材料的挤出。
32.t型接头一端连接由6个压力变送器构成的变送器组，另一端连接6个挤出喷头，变送器组所采集的压力值通过多功能信号采集卡在上位机的控制下实现读入比较，从而实现喷头部位的气压闭环控制。
33.所述的气压控制模块中比例压力阀组包括6个比例压力阀，均通过电压模拟量控制，一般信号采集卡模拟量输出只有4路，本发明采用两个相同的多功能信号采集卡，在上位机控制下，实现6路模拟量输出控制。
34.在本实施例中，高速开关阀组
①
实现供压，供压时，高速开关阀组
②
处于关闭状态，高速开关阀组
②
实现泄压，泄压时，高速开关阀组
①
处于关闭状态。由于两个高速开关阀组需要12路数字量输出控制，本发明采用了2个多功能信号采集卡，故分别由一个采集卡控制供压，另一个采集卡控制泄压，供压泄压过程由程序控制，程序能够识别不同采集卡。
35.所述多功能信号采集卡型号可以更改或者数量可以增加以满足所需的数字量输出需求。
36.所述的多喷头气动控制系统中气动多路的数量可以根据打印单元结构的复杂程度进行自动调整。调整可采用将不使用的气路的比例压力阀或者高速开关阀组
①
的电压通过所编写程序设置为零。
37.所述反馈控制模块由6个比例压力阀输出实际压力，由6个压力变送器采集喷头部位的实时压力，实际压力和实施压力均通过多功能信号采集卡采集，最终在上位机控制下对实时压力与实际压力进行比较从而实现喷头气压的反馈控制。
38.所述的供压阀组和泄压阀组由高速电磁开关阀组成，但不限于高速开关电磁阀，也可以是其它的二位二通阀。
39.所述由高速开关阀组
②
组成的泄压模块接入消声器，实现泄压时降低气体噪声的功能。
40.为了便于在挤出打印前观察气体通过高速开关阀组
①
后的管道气压已处于稳定状态，在压力变送器之后安装led气体流量计，当气体稳定后，流量计上显示数字为0。
41.本发明经气源处理模块的过滤气体通过程序实现三个同步控制，一是控制不同喷头的气体压力，实现调压功能，二是控制气体的通断，实现供压功能，三是控制气体的排出，实现泄压功能。从而实现多喷头挤出打印多种材料不同压力的实时需求，随时通断，从而保证挤出打印连续可控。泄压时间可控，可保证气体不会滞留在管道内。
42.调压时，通过上位机对6路比例压力阀组分别设置所需压力，在上位机的控制下，供压高速开关阀组
①
和泄压高速开关阀组
②
相互配合，当喷头挤出时，高速开关阀组
①
打
开，高速开关阀组
②
处于关闭状态，当喷头停止挤出时，高速开关阀组
①
关闭，高速开关阀组
②
打开，实现及时泄压。
43.以6个喷头的气动挤出打印为例介绍工作流程：
44.打印开始前启动空气泵，压缩气体依次经过气源处理模块，通过压力表观察气压，若气压表不再变动，则清洁气体达到稳定气压。
45.所述由6个比例压力阀组成的比例压力阀组在上位机的控制下实现各路气压设置。设置各路气压后，则进行下一环节。
46.当各路喷头需要挤出材料时，上位机控制多功能信号采集卡输出高电平打开对应喷头所连接高速开关阀组
①
中的高速开关阀，并且控制输出低电平关闭喷头所连接的高速开关阀组
②
的高速开关阀，对喷头进行供压。
47.当各路喷头挤出材料结束后，上位机控制多功能信号采集卡输出低电平关闭对应喷头所连接高速开关阀组
①
中的高速开关阀，并且控制输出高电平打开喷头所连接的高速开关阀组
②
的高速开关阀，实现泄压功能。
48.在打印过程中，上位机通过多功能信号采集卡实时采集比例压力阀输出的设定压力值和压力变送器组采集的实时压力，通过对设定压力与实际压力进行差值比较，由于实际压力小于设定压力，上位机控制多功能信号采集卡将补充该压力差值到相应比例压力阀，提高设定压力，实现实际压力的稳定可控。
49.本发明的气源处理模块实现提供稳定气压、逐级过滤、干燥和调压的功能，气压控制模块通过比例压力阀组实现多路气压的控制，相互独立互不干涉，供压泄压模块采用两组高速开关阀分别实现精确的供压和泄压功能，反馈控制模块通过上位机控制多功能信号采集卡实现对压力变送器信号的采集比较，最终实现对气体压力的控制。本发明实现了多喷头挤出打印系统的气动系统及其控制，采用六路气动独立控制，可保证生物挤出打印过程中多喷头挤出的实时启停，及时泄压，高速精确，为多喷头挤出打印生物实验提供了技术保障，并具有通用性。

技术特征：
1.一种多喷头生物3d打印系统的气动多路控制系统，其特征在于，包括气源处理模块、气压控制模块、供压泄压模块、挤出喷头、反馈控制模块；其中，反馈控制模块包括n个气体流量计(18)、由n个压力变送器构成的变送器组(24)、多功能信号采集卡(21)、上位机(23)所述气源处理模块(1)包括顺次连接的空气泵(2)、第一过滤器(3)、第二过滤器(4)、第三过滤器(5)、第四过滤器(6)和干燥器(7)，实现逐级过滤气体，达到生物挤出打印过程中的气源清洁度和干燥度要求；所述气压控制模块包括气路板(11)和由n个比例压力阀组成的比例压力阀组(12)，气源处理模块(1)提供的气体通过气路板(11)分别通向n个比例压力阀，各比例压力阀由反馈控制模块独立控制；所述供压泄压模块包括由n个第一高速开关阀组成的高速开关阀组
①
(13)、y型接头(14)、由n个第二高速开关阀组成的高速开关阀组
②
(15)、t型接头(17)；气体经过气压控制模块的n个比例压力阀组后分别连接n个第一高速开关阀，第一高速开关阀由反馈控制模块控制，控制方法为高低电平，其中高电平时打开，低电平时关闭，实现打印过程的实时供压；每个第一高速开关阀均通过一个y型接头(14)分别连接一个第二高速开关阀和一个t型接头(17)，第二高速开关阀也由反馈控制模块控制，控制方法为高低电平，其中高电平时打开，低电平时关闭，实现打印过程所需的实时泄压，泄压时，第一高速开关阀处于关闭状态，第二高速开关阀打开，控制材料的挤出；所述t型接头(17)一端连接变送器组(24)中的一个压力变送器，另一端连接一个气体流量计(18)和挤出喷头(19)，变送器组(24)所采集的压力值通过双多功能信号采集卡(21)在上位机(23)的控制下实现读入比较，从而实现各挤出喷头的气压闭环控制。2.根据权利要求1所述的多喷头生物3d打印系统的气动多路控制系统，其特征在于，所述比例压力阀组(12)包括n个比例压力阀，均通过电压模拟量控制，采用多个相同的多功能信号采集卡(21)，在上位机(23)控制下，实现n路模拟量输出控制。3.根据权利要求1所述的多喷头生物3d打印系统的气动多路控制系统，其特征在于，第一高速开关阀实现供压，供压时，第二高速开关阀处于关闭状态；第二高速开关阀实现泄压，泄压时，第一高速开关阀处于关闭状态；采用2个多功能信号采集卡(21)，一个多功能信号采集卡控制供压，另一个多功能信号采集卡控制泄压，供压、泄压过程分别由反馈控制模块独立控制，上位机能够识别不同功能的多功能信号采集卡。4.根据权利要求1所述的多喷头生物3d打印系统的气动多路控制系统，其特征在于，所述气路的数量n可以根据打印单元结构的复杂程度进行调整，调整采用将不使用的气路的比例压力阀或者第一高速开关阀的电压设置为零。5.根据权利要求1所述的多喷头生物3d打印系统的气动多路控制系统，其特征在于，由比例压力阀(12)输出实际压力，由压力变送器(24)采集挤出喷头的实时压力，实际压力和实施压力均通过多功能信号采集卡采集，最终在上位机(23)控制下对实时压力与实际压力进行比较从而实现喷头气压的反馈控制。6.根据权利要求1或3所述的多喷头生物3d打印系统的气动多路控制系统，其特征在于，所述的第一高速开关阀和第二高速开关阀为二位二通阀。7.根据权利要求1或3所述的多喷头生物3d打印系统的气动多路控制系统，其特征在于，所述第二高速开关阀接入有消声器(16)，实现泄压时降低气体噪声的功能。
8.根据权利要求1或3所述的多喷头生物3d打印系统的气动多路控制系统，其特征在于，在压力变送器(24)之后安装led气体流量计(18)，当气体稳定后，流量计上显示数字为0。9.一种权利要求1所述气动多路控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：气体经过气源处理模块(1)的四个过滤器逐渐提高过滤等级，再经干燥器干燥，达到所需气源清洁度和干燥度要求；气源处理模块(1)过滤后的气体由气压控制模块、供压泄压模块协调控制，相互配合，从而实现多喷头挤出打印多种材料不同压力的实时需求，保证挤出打印连续可控，其中，通过控制不同挤出喷头的气体压力，实现调压功能，通过控制气体的通断，实现供压功能，通过控制气体的排出，实现泄压功能。调压时，通过多功能信号采集卡(21)对比例压力阀组分别设置所需压力，在上位机的控制下，第一高速开关阀和第二高速开关阀相互配合，当喷头需要挤出时，第一高速开关阀打开，第二高速开关阀处于关闭状态，通过气体流量计观察管道气压是否处于稳定状态，若稳定，则开始挤出打印；当喷头需要停止挤出时，第一高速开关阀关闭，第二高速开关阀打开，实现及时泄压，通过气体流量计观察管道气压是否处于稳定状态，若稳定，则泄压完全；若不稳定，通过调整程序当中的泄压时间，直至泄压完全，达到稳定。打印过程中压力变送器组(24)实时采集挤出喷头部位压力值，反馈到多功能信号采集卡(21)，与比例压力阀提供的设定压力进行差值比较，由于实际压力小于设定压力，上位机补充压力差值到相应比例压力阀，提高设定压力，从而实现实际压力的稳定可控。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，泄压时间可控，保证气体不会滞留在管道内。

技术总结
本发明设计了一种多喷头生物3D打印系统的气动多路控制系统与方法，涉及生物3D打印领域。所述系统包括气源处理模块、气压控制模块、供压泄压模块、反馈控制模块。其中气源处理模块实现提供稳定气压、逐级过滤、干燥和调压的功能，气压控制模块通过比例压力阀组实现多路气压的控制，相互独立互不干涉，供压泄压模块采用两组高速开关阀分别实现精确的供压和泄压功能，反馈控制模块通过上位机控制多功能信号采集卡实现对压力变送器信号的采集比较，最终实现对气体压力的控制。本发明采用多路气动独立控制，可保证生物挤出打印过程中多喷头挤出的实时启停，及时泄压，高速精确，为多喷头挤出打印生物实验提供了技术保障，并具有通用性。性。性。


技术研发人员：张斌 李锦涛 洪昊岑 罗熠晨 杨华勇
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2021.11.29
技术公布日：2022/3/8