成型温度对3D打印人工神经导管工艺精度影响

段 营，乌日开西·艾依提，艾合买提江·玉素甫

（1.新疆大学机械工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047；2.新疆医科大学第一附属医院骨科中心显微修复外科，新疆 乌鲁木齐 830054）

1 引言

3D 打印技术又称增材制造技术（Additive Manufacturing）是一种以数字模型为基础，运用逐层打印的原理来制作模型的技术[1-2]。

目前3D打印已经广泛应用在制造业、航空航天、医疗业、建筑业、国防、高科技领域。3D打印在医学领域中因能够准确控制微孔的分布、空间走向和相互连通性等结构特征，被广泛的应用于支架的制备中[3-6]。

采用组织工程的原理和方法，制备具有生物活性的人工神经导管，用以恢复、维持或改善神经组织功能是一种有效的方法[7-10]。由于传统的神经修复方法主要依靠自体神经移植，但自体神经来源有限，且无法根据个人情况不同实现个性化定制，因此采用人工3D打印的方法制备神经导管进行神经方面修复成为了当下研究的趋势[11-14]。

这里实验采用的材料为聚己内酯又称PCL。对3D打印温度进行研究，得出温度对3D打印神经导管性能的影响。

由于温度能控制3D打印材料的属性，在适当的温度情况下，会使聚合物呈现一种较为稳定的粘度和流动性从而影响最终打印结果，因此针对3D打印过程中对温度的研究和分析最终得出合适的温控范围，是非常必要的。

2 成型温度对导管成型质量影响

实验采用熔融挤压技术的3D打印机，打印机运动部分主要采用柱坐标的3D打印的运动方式，整个成型运动包含的匹配关系有主轴的圆周运动、Y方向向下的送料运动和沿Z方向的直线运动，三种运动相互匹配形成绕转轴的螺旋线运动和喷头的直线运动。

也就是说运用这种运动方式实现在芯轴上打印无缝连接的“螺旋线”状管子，管子外层包裹神经导管通道，通道外层再打印“螺旋线”状管子，以此类推，进行逐层打印。

为了更好的实现各轴间的联动，打印机运动部分采用固高系列GTS-400-PV（G）运动控制卡中的电子齿轮运动模式。

电子齿轮模式是一种可以能实现挤出速度随行走速度改变而时时变化的一种相互配合运动。能够将两轴或多轴联系起来，实现精确的同步运动，如图1所示。

图1 装置原理图Fig.1 Schematic Diagram of the Device

在3D打印神经导管过程中，打印喷头是3D打印过程中至关重要的部件，也是打印结果是否成功的决定因素，而在喷头工作过程中，温度对热熔式喷头十分重要，决定着3D打印机是否能够出丝正常和管道质量是否符合加工要求，因此喷头的加热温度及丝材的温度变化对神经导管成型后的表面质量和厚度有着重要的影响。

2.1 丝材挤出后温度变化

实验具体操作是把温度控制器调整为设定温度，将加热棒插入加热孔内进行整个加热块的受热，当加热块达到PCL 的熔点时，针筒内的PCL材料就会开始呈现熔融状态，直到管内材料全部融化而温度控制器也不再升温，开始加工。

实验台原理图，如图1所示。

（1）实验方案

在室温条件下，实验采用红外热成像仪（设定量程为（-40～500）℃，型号为Thermovision A40。

将红外热成像仪对焦在针头位置，当针头正常出丝时，获取距针头不同位置处挤出丝材的温度，将温控器加热温度分别设为（120～220）℃间隔为20℃，每种温度做两组实验。

温度采集过程中固定参数，如表1 所示。

在室温条件下，将红外热成像仪对焦在针头位置，获取打印过程中挤出材料在芯轴上的温度，随时间延长经历的变化，如图2所示。

图2 温度采集过程Fig.2 Temperature Collection Process

将温控器加热温度分别设为（120～220）℃之间间隔20℃，每种温度做两组实验。温度采集过程中固定参数，如表1 所示。

表1 温度采集过程中的固定参数Tab.1 Fixed Parameters in Temperature Collection Process

（2）实验结果

材料从针头挤出后，温度迅速下降，由于当针头与芯轴之间距离小于0.5mm时，在该距离内材料温度下降在（8～26）℃之内，由此可以通过温度控制器对实验温度进行精准控制，得到实验所需温度，如图3所示。

图3 挤出丝材距离针头不同位置时发生的温度变化Fig.3 Temperature Changes of the Extruded Wire at Different Positions from the Needle

温控器加热温度应根据PCL的性质控制在合理范围内，以保证材料在芯轴上打印时不发生变形，如图4所示。

图4 挤出材料在芯轴上的温度变化Fig.4 Temperature Variation of Extruded Material on the Mandrel

当温度设定为（120～160）℃挤出材料在芯轴上冷却到PCL熔点的时间在（0.6～0.8）s之间，材料粘度会随时间延长增大，不易流动，因此丝状材料的成形精度更加易于控制。

当温度大于160℃时，冷却到PCL 熔点的时间延长到（1.2～2.3）s之间。由于材料熔点较低，温度过高会造成前一层打印材料被新挤出的材料融化。

因此，加热温度应在小于160℃温度范围内，材料打印在芯轴上后温度迅速下降，下降后的温度低于材料熔点，不容易产生流动和变形。

3 温度对神经导管表面质量及管壁厚度影响

温度的变化使得材料流动性和粘结性呈现很大差异，温度越高，材料的流动性升高，粘度下降。所以导致在不同温度下喷头的出丝直径不同，与此同时表面质量也受到影响。

3.1 成型参数及运动方式

打印一层螺旋管测量管壁厚度，在区间（130～210）℃中，间隔为10℃，每种温度做三组实验进行对比打印固定参数，如表2所示。

表2 固定工艺参数Tab.2 Fixed Process Parameters

3.2 实验结果分析

在不同温度打印得到的神经导管分别用显微镜观察并进行数据测量，微米级测量所打印出的单层神经导管内径、外径和壁厚。

8组实验神经导管显微镜放大图，如图5所示。

图5 神经导管显微观测实例Fig.5 Examples of Microscopic Observations of Nerve Ducts

（130～160）℃区间内打印的神经导管横截面和表面完好，从图中可清晰观察出导管壁的成型质量，表面螺旋线紧凑平整，无明显缝隙，截面观测神经导管呈现形状较好，且无边角残留，厚度也更加均匀。

而（160～210）℃区间内打印的神经导管截面观测呈微椭圆形，且管壁薄厚明显不一，开始形成材料堆积，厚度缺陷加重，表面螺旋线消失，这是由于温度过高时材料出丝过快，不容易控制，形成了短暂堆积，随着温度不断升高堆积越加严重。

这样不仅形貌不够完好，而且还会影响下面的多层导管叠加。

因此得出（130～160）℃的区间打印，神经导管表面质量最好。

三组不同温度下打印的单层神经导管外表面形态差值的平均值，温度设定范围为（130～210）℃区间，不同温度打印出的神经导管取2.5mm长度观测神经导管单侧外表面，去对比最高点与最低点的差值，当温度小于160℃时最高点与最低点差值小于60μm表面质量无明显波动，当温度大于160℃时最高点与最低点差值大于60μm外表面产生明显波动严重影响表面质量，如图6、表3所示。

表3 不同温度单侧表面最高点与最低点平均值差值Tab.3 Average Difference Between the Highest and Lowest Points of Unilateral Surface at Different Temperatures

图6 单侧外表面最高点与最低点差值Fig.6 The Difference Between the Highest and Lowest Points on the Unilateral Outer Surface

说明（130～160）℃区间内打印的神经导管，外表分布均匀，具有完好的表面质量。所以选定（130～160）℃区间内打印为打印温度范围。

综合每个温度三次实验得出的平均数据得出：在130℃时温度会出现出丝延迟，导致导管不连续，如图7所示。

图7 温度与管壁厚度平均值变化Fig.7 Change of Average Value of Temperature and Tube Wall Thickness

因此要预先挤出一定量的材料，来保证实验台出丝的连续性。

但由于温度低，材料流动性较差同样的挤压力控制下温度在130℃时螺线管壁厚数值较小些，在（140～160）℃区间内，螺线管厚度处于一个相对平缓的趋势，且加工具有一定的稳定性。

当处于（170～200）℃区间内时管壁厚度呈上升趋势，这是由于温度过高而材料粘度迅速降低，不容易控制成型精度所以会导致出丝厚度明显增加，形成不均匀堆积，温度区间定为（130～160）℃时为最适温度区间，实验一般设置为145℃。

4 结论

对比丝材挤出后的温度变化和其对神经导管表面质量及管壁厚度影响两方面，得出对于挤出丝线直径大小影响最大的是喷头的加热温度。温度参数的确定，为实际打印过程提供了理论参考。

（1）喷头出口距芯管距离小于0.5mm时，材料温度下降最小，易于控制。

（2）小于180℃时材料沉积在芯轴上的温度低于材料本身的熔点，可以保证材料在心轴上不会发生过度融化流淌。

（3）实验所得在（130～160）℃区间时打印的神经导管壁厚平均值更小且趋势更加平滑稳定，单层神经导管横截面呈显圆滑外轮廓，相邻圈间的无缝融合，此温度范围对厚度影响的变化率小且表面螺旋线更加均匀，符合之后多通道多层数神经导管的实验要求。