基于挤出沉积技术的多喷头打印机研制 -中国组织工程研究杂志社投稿

一、稿件要求： 1、稿件内容应该是与某一计算机类具体产品紧密相关的新闻评论、购买体验、性能详析等文章。要求稿件论点中立，论述详实，能够对读者的购买起到指导作用。文章体裁不限，字数不限。 2、稿件建议采用纯文本格式(*.txt)。如果是文本文件，请注明插图位置。插图应清晰可辨，可保存为*.jpg、*.gif格式。如使用word等编辑的文本，建议不要将图片直接嵌在word文件中，而将插图另存，并注明插图位置。 3、如果用电子邮件投稿，最好压缩后发送。 4、请使用中文的标点符号。例如句号为。而不是.。 5、来稿请注明作者署名(真实姓名、笔名)、详细地址、邮编、联系电话、E-mail地址等，以便联系。 6、我们保留对稿件的增删权。 7、我们对有一稿多投、剽窃或抄袭行为者，将保留追究由此引起的法律、经济责任的权利。二、投稿方式： 1、请使用电子邮件方式投递稿件。 2、编译的稿件，请注明出处并附带原文。 3、请按稿件内容投递到相关编辑信箱三、稿件著作权： 1、投稿人保证其向我方所投之作品是其本人或与他人合作创作之成果，或对所投作品拥有合法的著作权，无第三人对其作品提出可成立之权利主张。 2、投稿人保证向我方所投之稿件，尚未在任何媒体上发表。 3、投稿人保证其作品不含有违反宪法、法律及损害社会公共利益之内容。 4、投稿人向我方所投之作品不得同时向第三方投送，即不允许一稿多投。若投稿人有违反该款约定的行为，则我方有权不向投稿人支付报酬。但我方在收到投稿人所投作品10日内未作出采用通知的除外。 5、投稿人授予我方享有作品专有使用权的方式包括但不限于：通过网络向公众传播、复制、摘编、表演、播放、展览、发行、摄制电影、电视、录像制品、录制录音制品、制作数字化制品、改编、翻译、注释、编辑，以及出版、许可其他媒体、网站及单位转载、摘编、播放、录制、翻译、注释、编辑、改编、摄制。 6、投稿人委托我方声明，未经我方许可，任何网站、媒体、组织不得转载、摘编其作品。

基于挤出沉积技术的多喷头打印机研制

作者:

关键词:

摘要：

0 引言

3D打印是一种通过计算机辅助设计将二维结构通过层层堆叠最终形成三维模型的技术[1]。生物3D打印技术是将3D打印技术与生物医学、工程学、材料学等多学科结合形成的一种新兴应用技术[2-3]。

在组织工程中,实现组织再生与修复的关键是打印出高仿生预构体[4],但因其具有材料多样性、结构复杂性、功能复杂性等要求,常用的单喷头生物3D打印机往往无法完成打印工作。因此,开发允许多个喷头协同工作的生物3D打印机成为必然趋势[5]。

因具有材料范围广、设备成本低、成形能力强等优点,挤出沉积技术被广泛应用于生物3D打印领域[6]。常见挤出沉积式多喷头生物3D打印机喷头切换方式为并联排布切换,即将多个打印喷头通过完全固定的方式安装在3D打印机上,每个喷头与打印机之间为确定位置关系,所有打印喷头在打印过程中一起进行相同位移运动,发生相同坐标变换。该结构设计对加工精度和装配精度要求很高,喷头与三维模型之间易产生相互干涉碰撞,导致打印失败[7]。

同时,不同种类的“生物墨水”对自身环境温度要求不同,往往需要添加喷头辅助温控模块,保证其打印性能的稳定性。目前市面上挤出沉积式生物3D打印喷头大多具有加热而无制冷功能,不可实现广域控温,难以满足不同温敏特性“生物墨水”的成型温度要求。在常温下,不同种类的“生物墨水”保持打印结构稳定性的能力也不同。对于低粘度的“生物墨水”,由于其自支撑能力较弱,成型过程中易产生变形、坍塌、融化等缺陷,难以实现高精度、大尺寸打印,往往需通过提高浓度、与其他材料混合形成复合体系等方式。

基于挤出沉积技术,本研究设计可实现多材质和梯度化生物模型三维打印功能的多喷头生物3D打印机。

1 打印机运动方式设计

生物3D打印机涉及X、Y、Z3个方向轴的主运动,其运动组合方式可归纳为3类[8]:

(1)沉积工作台做X轴和Y轴复合运动,打印喷头做Z轴独立运动,该方式打印机结构简单紧凑,成型所需空间小,但对于Z轴运动控制精度要求较高;(2)沉积工作台做Z轴独立运动,打印喷头做X轴和Y轴复合运动,该运动形式与CNC机床类似,易保证较好的刚度要求,但打印喷头的复合运动容易影响出丝的稳定性,降低打印质量;(3)沉积工作台做Y轴(或X轴)独立运动,打印喷头做X轴(或Y轴)和Z轴复合运动,该运动方式打印过程中运动惯量小,但易使打印模型沿沉积工作台运动方向移动,降低打印精度。

本研究设计的多喷头生物3D打印机为桌面级打印机,空间体积要求较小,打印精度要求较高,因此选择第一类三轴运动组合方式。X轴与Y轴采用伺服电机与滚珠丝杆传动方式,定位精度达2 μm,Z轴采用伺服电机与同步带传动方式,定位精度达3 μm,均可满足打印要求。

2 打印机关键结构设计

2.1 冷热一体喷头结构设计

目前常用的加热方式是将热电阻加热棒安插在喷头内部进行加热[9],热电阻加热棒功率较大,且与喷头之间接触面积较小,易导致喷头局部过热,造成喷头受热不均,影响打印材料成型性能。

本研究采用聚酰亚胺加热膜方式对打印喷头进行加热;聚酰亚胺加热膜可根据设计需求选择最佳形状与尺寸,具有很高的可定制性;聚酰亚胺加热膜与喷头之间为面接触,大大增加加热面积,使喷头受热更加均匀,有效防止局部过热。聚酰亚胺加热膜功率选择范围大,可根据加热需求选择最佳功率,以保证温度需求和控温稳定性。

本研究通过选取不同加热参数的聚酰亚胺加热膜进行加热测试,选取功率参数为7 W,电压为12 V的聚酰亚胺加热膜标准件。

为实现制冷功能,本文采用半导体制冷方式进行降温。在制冷片工作时,需要对“热面”进行散热,以达到低温目的,并保护器件安全。常见的“热面”散热方式有水冷、空冷和风冷。水冷容易造成液体渗漏,且结构复杂;空冷所需体积太大;风冷热交换效率高、结构简单,因此被应用于该结构当中。

本研究选取不同制冷参数的半导体制冷片进行制冷测试,综合考虑制冷效果与设计成本等因素,最终选择制冷功率为18 W,电压为12 V,电流为2 A的半导体制冷片标准件。

喷头结构如图1所示。

图1 喷头结构图

考虑到打印过程中材料实际使用量的不同,设计两种冷热一体喷头规格,分别适配5 mL、10 mL注射器。

2.2 超低温沉积工作台结构设计

超低温沉积工作台内部设计有“S”型水槽,上盖板和下底板之间通过四周内六角螺钉进行紧固连接,并在下底板外围围绕一圈密封圈,同时沿四周涂抹硅橡胶,防止冷却液渗出。沉积工作台两个管道接口处分别与低温冷却液循环泵(郑州特尔,DLSB-10/80)进水管、出水管相连。低温冷却液循环泵内部装有冷却液,温度可以在-80 ℃～99 ℃范围内调节。

文章来源：《中国组织工程研究》网址: http://www.zgzzgcyj.cn/qikandaodu/2021/0611/1639.html