基于挤出沉积技术的多喷头3D打印机研制*

吴田俊,张祥林,章万乘,陈鹏华,张 闯

(华中科技大学 材料科学与工程学院,湖北 武汉 430074)

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。

超低温沉积工作台结构如图2所示。

图2 沉积工作台结构示意图

当冷却液温度降到设定温度,超低温状态的冷却液沿进口方向流入沉积工作台,沿水槽进行循环流动带走沉积工作台热量,再从出口流出进外循环机被重新制冷,完成循环冷却,实现沉积工作台超低温状态。材料从喷头中被挤出至沉积工作台上时,超低温状态使打印材料瞬间被冷冻成型,保持三维结构形貌,防止出现变形、坍塌、融化等缺陷[10]。

2.3 喷头切换结构设计

在打印机Z轴主运动之外,笔者对每一个喷头再搭配一个运动系统来控制喷头在Z轴方向上运动,实现Z轴自由运动。常见的丝杆装置包含梯形丝杆和滚珠丝杆。梯形丝杆加工简单、成本低,但丝杆螺母与丝杆之间配合间隙大,会导致重复定位精度不高;滚珠丝杆采用研磨工艺对丝杆进行精密加工,丝杆螺母内部装有滚珠,与丝杆之间发生滚动,可极大程度上减小间隙误差,提高重复定位精度,满足打印精度要求。

为减少切换结构数量,本研究重新设计并采用了一种双向滚珠丝杆,其结构如图3所示。

图3 双向滚珠丝杆结构图

双向滚珠丝杆上下螺纹旋向相反,中间一小段采用光滑过渡,隔开上下螺纹,每段螺纹搭配一个丝杆螺母进行配套传动。丝杆两端采用轴承座固定在打印机上,其中一端通过联轴器与步进电机输出轴相连。步进电机通电产生旋转,带动双向滚珠丝杆进行旋转,此时上、下两部分安装的丝杆螺母则在相反或相向方向(根据实际安装情况)进行直线运动,这样便将沿丝杆轴线方向上的两个直线运动通过一个双向滚珠丝杆结构来实现。每个打印喷头与双向滚珠丝杆的上、下螺母其中一个通过连接件进行固定连接,便可实现打印喷头Z轴自由运动。双向丝杆定位精度达0.018 mm,满足打印精度要求。

2.4 控制系统设计

本研究控制系统由PC端控制软件和底层MPC08运动控制卡组成。PC端控制软件为本实验室自主开发设计软件,包含模型编辑、切片处理、手动调试以及自动打印4个部分。模型编辑可对导入三维模型进行伸缩变换以及旋转等操作,让使用者对打印模型进行可视化修改;切片处理主要对三维模型进行切片,将三维模型转换成二维结构,生成打印路径文件,同时还具有路径文件导入功能;手动调试主要完成三维平台手动运动控制,进行坐标原点和加工原点的设置;自动打印主要进行打印参数设置,包括XYZ三轴运动速度、喷头切换速度、多喷头相对位置参数、气压保压时间等参数设置。MPC08运动控制卡与PC端构成主从式控制结构,根据PC端传输来的控制信息,包括脉冲信号、方向信号、电磁阀启停信号,控制电机的运转和电磁阀的开闭,完成运动控制和气体通断控制。另外,还可以接收硬件系统中的反馈信息,包括原点信号、限位信号、减速信号等,处理之后传输给PC端,实现回原点、保护等功能。

3 测试及结果分析

3.1 喷头温控测试

测试设定温度低于室温时进行制冷功能测试,高于室温时进行加热功能测试。温度到达设定温度后,记录温度控制器温度示数变化范围,每个测试设定温度重复测量3次,取温度变化范围最大值为温度正负误差值。通过测试,本研究设计的冷热一体喷头可实现温度控温范围为8 ℃～60 ℃,制冷功能误差不超过2 ℃,加热功能误差不超过1.5 ℃。

3.2 多喷头打印测试及结果分析

3.2.1 多喷头打印过程

本研究采用双向滚珠丝杆装置作为多喷头生物3D打印机的喷头切换结构,在打印过程中通过对打印喷头的调用切换,将多喷头打印过程转化成单喷头的多次组合打印,有效防止了打印喷头与三维模型之间发生干涉碰撞的可能性,实现了多喷头打印。喷头从左至右依次为:第一喷头、第二喷头、第三喷头、第四喷头。

多喷头打印过程如图4所示。

图4 多喷头打印过程示意图

图4中,初始时刻,两个5 mL打印喷头和两个10 mL打印喷头通过打印机Z轴主运动运行到初始位置;控制软件接收到路径文件,第一喷头被调用,步进电机通电转动,带动双向滚珠丝杆进行旋转,两个丝杆螺母分别往相反或相向方向(根据实际安装情况)沿Z轴进行直线运动,带动相对应的打印喷头进行Z轴切换,直至第一喷头下降到设定高度,第二喷头由于双向滚珠丝杆运动副的相对作用向上位移同等距离,此时第一喷头处于4个喷头Z轴方向最低位置,与其他喷头形成高度差,进行三维模型打印工作;当第一喷头完成打印,第二喷头被调用,步进电机反向旋转,带动双向滚珠丝杆反向旋转,丝杆螺母与第一次运动方向相反方向运动,直至第二喷头下降到设定高度,第一喷头向上位移同等距离,此时第二喷头处于4个喷头最低位置,与其他喷头形成高度差,进行三维模型打印工作;每一个喷头都被通过同样控制方式进行调用;直至全部三维模型打印完毕,所有喷头恢复到初始状态;该切换结构保证每次被调用的打印喷头均处于4个喷头最低位置,已完成部分三维模型与未被调用喷头有相应的高度差,保证不会有干涉碰撞产生,实现多喷头打印。

3.2.2 打印测试结果分析

水凝胶是一类高分子材料,可通过物理交联或化学交联的方式得到相应的聚合物网络[11-12],具有良好的亲水性[13]。水凝胶具有良好的生物相容性、微小的细胞毒性等优点。常见的材料包括海藻酸钠、明胶、胶原等[14]。

本研究以15wt%羧甲基纤维素钠水溶液(Sigma,High purity grade)作为打印材料进行多喷头打印测试,多喷头打印测试三维模型如图5所示。

图5 多喷头打印测试三维模型

该模型长×宽为16 mm×16 mm,丝间距为0.8 mm,相邻层之间的层高为0.35 mm,总共16层。采用白色、蓝色、黄色、红色4种颜色墨水分别对打印材料进行染色处理,分别代表4种“不同材料”进行多喷头打印测试。每个喷头装有一种材料,按照路径文件要求打印4层切片模型,打印结束后依次调用下一个打印喷头,直至全部三维模型打印完成。将打印完成的三维模型迅速进行冷冻干燥处理,最后将样品在显微镜下进行观察。

打印参数如表1所示。

表1 多喷头打印参数表

打印结果如图6所示。

图6 打印结果图

根据图6可以看出,打印模型与测试模型一致,侧孔清晰可见,表明不同喷头进行切换调用时均能按照路径文件要求移动相应距离,双向滚珠丝杆精度等级满足打印需求,该多喷头生物3D打印机可实现多喷头打印工作。

4 结束语

由于我国在多喷头生物3D打印技术和装备方面与国外相比还有一定差距[15],本研究针对组织工程中多材质和梯度化生物制品的三维打印问题,对喷头温控功能、沉积工作台制冷功能、喷头切换方式、控制系统等方面进行了研究,提出了一种基于挤出沉积技术的多喷头生物3D打印机,为组织工程中实现多材质和梯度化生物模型3D打印提供了技术上的可能性。

本研究初步只使用了一种材料进行多喷头打印实验,对于实际模型中多材料的打印尚未进行验证,因此,下一阶段将针对多材料的多喷头三维模型打印问题进行研究。