基于擠出沉積技術的多噴頭3D打印機研制*

吳田俊,張祥林,章萬乘,陳鵬華,張 闖

(華中科技大學 材料科學與工程學院,湖北 武漢 430074)

0 引 言

3D打印是一種通過計算機輔助設計將二維結構通過層層堆疊最終形成三維模型的技術[1]。生物3D打印技術是將3D打印技術與生物醫學、工程學、材料學等多學科結合形成的一種新興應用技術[2-3]。

在組織工程中,實現組織再生與修復的關鍵是打印出高仿生預構體[4],但因其具有材料多樣性、結構復雜性、功能復雜性等要求,常用的單噴頭生物3D打印機往往無法完成打印工作。因此,開發允許多個噴頭協同工作的生物3D打印機成為必然趨勢[5]。

因具有材料范圍廣、設備成本低、成形能力強等優點,擠出沉積技術被廣泛應用于生物3D打印領域[6]。常見擠出沉積式多噴頭生物3D打印機噴頭切換方式為并聯排布切換,即將多個打印噴頭通過完全固定的方式安裝在3D打印機上,每個噴頭與打印機之間為確定位置關系,所有打印噴頭在打印過程中一起進行相同位移運動,發生相同坐標變換。該結構設計對加工精度和裝配精度要求很高,噴頭與三維模型之間易產生相互干涉碰撞,導致打印失敗[7]。

同時,不同種類的“生物墨水”對自身環境溫度要求不同,往往需要添加噴頭輔助溫控模塊,保證其打印性能的穩定性。目前市面上擠出沉積式生物3D打印噴頭大多具有加熱而無制冷功能,不可實現廣域控溫,難以滿足不同溫敏特性“生物墨水”的成型溫度要求。在常溫下,不同種類的“生物墨水”保持打印結構穩定性的能力也不同。對于低粘度的“生物墨水”,由于其自支撐能力較弱,成型過程中易產生變形、坍塌、融化等缺陷,難以實現高精度、大尺寸打印,往往需通過提高濃度、與其他材料混合形成復合體系等方式。

基于擠出沉積技術,本研究設計可實現多材質和梯度化生物模型三維打印功能的多噴頭生物3D打印機。

1 打印機運動方式設計

生物3D打印機涉及X、Y、Z3個方向軸的主運動,其運動組合方式可歸納為3類[8]:

(1)沉積工作臺做X軸和Y軸復合運動,打印噴頭做Z軸獨立運動,該方式打印機結構簡單緊湊,成型所需空間小,但對于Z軸運動控制精度要求較高;(2)沉積工作臺做Z軸獨立運動,打印噴頭做X軸和Y軸復合運動,該運動形式與CNC機床類似,易保證較好的剛度要求,但打印噴頭的復合運動容易影響出絲的穩定性,降低打印質量;(3)沉積工作臺做Y軸(或X軸)獨立運動,打印噴頭做X軸(或Y軸)和Z軸復合運動,該運動方式打印過程中運動慣量小,但易使打印模型沿沉積工作臺運動方向移動,降低打印精度。

本研究設計的多噴頭生物3D打印機為桌面級打印機,空間體積要求較小,打印精度要求較高,因此選擇第一類三軸運動組合方式。X軸與Y軸采用伺服電機與滾珠絲桿傳動方式,定位精度達2 μm,Z軸采用伺服電機與同步帶傳動方式,定位精度達3 μm,均可滿足打印要求。

2 打印機關鍵結構設計

2.1 冷熱一體噴頭結構設計

目前常用的加熱方式是將熱電阻加熱棒安插在噴頭內部進行加熱[9],熱電阻加熱棒功率較大,且與噴頭之間接觸面積較小,易導致噴頭局部過熱,造成噴頭受熱不均,影響打印材料成型性能。

本研究采用聚酰亞胺加熱膜方式對打印噴頭進行加熱;聚酰亞胺加熱膜可根據設計需求選擇最佳形狀與尺寸,具有很高的可定制性;聚酰亞胺加熱膜與噴頭之間為面接觸,大大增加加熱面積,使噴頭受熱更加均勻,有效防止局部過熱。聚酰亞胺加熱膜功率選擇范圍大,可根據加熱需求選擇最佳功率,以保證溫度需求和控溫穩定性。

本研究通過選取不同加熱參數的聚酰亞胺加熱膜進行加熱測試,選取功率參數為7 W,電壓為12 V的聚酰亞胺加熱膜標準件。

為實現制冷功能,本文采用半導體制冷方式進行降溫。在制冷片工作時,需要對“熱面”進行散熱,以達到低溫目的,并保護器件安全。常見的“熱面”散熱方式有水冷、空冷和風冷。水冷容易造成液體滲漏,且結構復雜;空冷所需體積太大;風冷熱交換效率高、結構簡單,因此被應用于該結構當中。

本研究選取不同制冷參數的半導體制冷片進行制冷測試,綜合考慮制冷效果與設計成本等因素,最終選擇制冷功率為18 W,電壓為12 V,電流為2 A的半導體制冷片標準件。

噴頭結構如圖1所示。

圖1 噴頭結構圖

考慮到打印過程中材料實際使用量的不同,設計兩種冷熱一體噴頭規格,分別適配5 mL、10 mL注射器。

2.2 超低溫沉積工作臺結構設計

超低溫沉積工作臺內部設計有“S”型水槽,上蓋板和下底板之間通過四周內六角螺釘進行緊固連接,并在下底板外圍圍繞一圈密封圈,同時沿四周涂抹硅橡膠,防止冷卻液滲出。沉積工作臺兩個管道接口處分別與低溫冷卻液循環泵(鄭州特爾,DLSB-10/80)進水管、出水管相連。低溫冷卻液循環泵內部裝有冷卻液,溫度可以在-80 ℃～99 ℃范圍內調節。

超低溫沉積工作臺結構如圖2所示。

圖2 沉積工作臺結構示意圖

當冷卻液溫度降到設定溫度,超低溫狀態的冷卻液沿進口方向流入沉積工作臺,沿水槽進行循環流動帶走沉積工作臺熱量,再從出口流出進外循環機被重新制冷,完成循環冷卻,實現沉積工作臺超低溫狀態。材料從噴頭中被擠出至沉積工作臺上時,超低溫狀態使打印材料瞬間被冷凍成型,保持三維結構形貌,防止出現變形、坍塌、融化等缺陷[10]。

2.3 噴頭切換結構設計

在打印機Z軸主運動之外,筆者對每一個噴頭再搭配一個運動系統來控制噴頭在Z軸方向上運動,實現Z軸自由運動。常見的絲桿裝置包含梯形絲桿和滾珠絲桿。梯形絲桿加工簡單、成本低,但絲桿螺母與絲桿之間配合間隙大,會導致重復定位精度不高;滾珠絲桿采用研磨工藝對絲桿進行精密加工,絲桿螺母內部裝有滾珠,與絲桿之間發生滾動,可極大程度上減小間隙誤差,提高重復定位精度,滿足打印精度要求。

為減少切換結構數量,本研究重新設計并采用了一種雙向滾珠絲桿,其結構如圖3所示。

圖3 雙向滾珠絲桿結構圖

雙向滾珠絲桿上下螺紋旋向相反,中間一小段采用光滑過渡,隔開上下螺紋,每段螺紋搭配一個絲桿螺母進行配套傳動。絲桿兩端采用軸承座固定在打印機上,其中一端通過聯軸器與步進電機輸出軸相連。步進電機通電產生旋轉,帶動雙向滾珠絲桿進行旋轉,此時上、下兩部分安裝的絲桿螺母則在相反或相向方向(根據實際安裝情況)進行直線運動,這樣便將沿絲桿軸線方向上的兩個直線運動通過一個雙向滾珠絲桿結構來實現。每個打印噴頭與雙向滾珠絲桿的上、下螺母其中一個通過連接件進行固定連接,便可實現打印噴頭Z軸自由運動。雙向絲桿定位精度達0.018 mm,滿足打印精度要求。

2.4 控制系統設計

本研究控制系統由PC端控制軟件和底層MPC08運動控制卡組成。PC端控制軟件為本實驗室自主開發設計軟件,包含模型編輯、切片處理、手動調試以及自動打印4個部分。模型編輯可對導入三維模型進行伸縮變換以及旋轉等操作,讓使用者對打印模型進行可視化修改;切片處理主要對三維模型進行切片,將三維模型轉換成二維結構,生成打印路徑文件,同時還具有路徑文件導入功能;手動調試主要完成三維平臺手動運動控制,進行坐標原點和加工原點的設置;自動打印主要進行打印參數設置,包括XYZ三軸運動速度、噴頭切換速度、多噴頭相對位置參數、氣壓保壓時間等參數設置。MPC08運動控制卡與PC端構成主從式控制結構,根據PC端傳輸來的控制信息,包括脈沖信號、方向信號、電磁閥啟停信號,控制電機的運轉和電磁閥的開閉,完成運動控制和氣體通斷控制。另外,還可以接收硬件系統中的反饋信息,包括原點信號、限位信號、減速信號等,處理之后傳輸給PC端,實現回原點、保護等功能。

3 測試及結果分析

3.1 噴頭溫控測試

測試設定溫度低于室溫時進行制冷功能測試,高于室溫時進行加熱功能測試。溫度到達設定溫度后,記錄溫度控制器溫度示數變化范圍,每個測試設定溫度重復測量3次,取溫度變化范圍最大值為溫度正負誤差值。通過測試,本研究設計的冷熱一體噴頭可實現溫度控溫范圍為8 ℃～60 ℃,制冷功能誤差不超過2 ℃,加熱功能誤差不超過1.5 ℃。

3.2 多噴頭打印測試及結果分析

3.2.1 多噴頭打印過程

本研究采用雙向滾珠絲桿裝置作為多噴頭生物3D打印機的噴頭切換結構,在打印過程中通過對打印噴頭的調用切換,將多噴頭打印過程轉化成單噴頭的多次組合打印,有效防止了打印噴頭與三維模型之間發生干涉碰撞的可能性,實現了多噴頭打印。噴頭從左至右依次為:第一噴頭、第二噴頭、第三噴頭、第四噴頭。

多噴頭打印過程如圖4所示。

圖4 多噴頭打印過程示意圖

圖4中,初始時刻,兩個5 mL打印噴頭和兩個10 mL打印噴頭通過打印機Z軸主運動運行到初始位置;控制軟件接收到路徑文件,第一噴頭被調用,步進電機通電轉動,帶動雙向滾珠絲桿進行旋轉,兩個絲桿螺母分別往相反或相向方向(根據實際安裝情況)沿Z軸進行直線運動,帶動相對應的打印噴頭進行Z軸切換,直至第一噴頭下降到設定高度,第二噴頭由于雙向滾珠絲桿運動副的相對作用向上位移同等距離,此時第一噴頭處于4個噴頭Z軸方向最低位置,與其他噴頭形成高度差,進行三維模型打印工作;當第一噴頭完成打印,第二噴頭被調用,步進電機反向旋轉,帶動雙向滾珠絲桿反向旋轉,絲桿螺母與第一次運動方向相反方向運動,直至第二噴頭下降到設定高度,第一噴頭向上位移同等距離,此時第二噴頭處于4個噴頭最低位置,與其他噴頭形成高度差,進行三維模型打印工作;每一個噴頭都被通過同樣控制方式進行調用;直至全部三維模型打印完畢,所有噴頭恢復到初始狀態;該切換結構保證每次被調用的打印噴頭均處于4個噴頭最低位置,已完成部分三維模型與未被調用噴頭有相應的高度差,保證不會有干涉碰撞產生,實現多噴頭打印。

3.2.2 打印測試結果分析

水凝膠是一類高分子材料,可通過物理交聯或化學交聯的方式得到相應的聚合物網絡[11-12],具有良好的親水性[13]。水凝膠具有良好的生物相容性、微小的細胞毒性等優點。常見的材料包括海藻酸鈉、明膠、膠原等[14]。

本研究以15wt%羧甲基纖維素鈉水溶液(Sigma,High purity grade)作為打印材料進行多噴頭打印測試,多噴頭打印測試三維模型如圖5所示。

圖5 多噴頭打印測試三維模型

該模型長×寬為16 mm×16 mm,絲間距為0.8 mm,相鄰層之間的層高為0.35 mm,總共16層。采用白色、藍色、黃色、紅色4種顏色墨水分別對打印材料進行染色處理,分別代表4種“不同材料”進行多噴頭打印測試。每個噴頭裝有一種材料,按照路徑文件要求打印4層切片模型,打印結束后依次調用下一個打印噴頭,直至全部三維模型打印完成。將打印完成的三維模型迅速進行冷凍干燥處理,最后將樣品在顯微鏡下進行觀察。

打印參數如表1所示。

表1 多噴頭打印參數表

打印結果如圖6所示。

圖6 打印結果圖

根據圖6可以看出,打印模型與測試模型一致,側孔清晰可見,表明不同噴頭進行切換調用時均能按照路徑文件要求移動相應距離,雙向滾珠絲桿精度等級滿足打印需求,該多噴頭生物3D打印機可實現多噴頭打印工作。

4 結束語

由于我國在多噴頭生物3D打印技術和裝備方面與國外相比還有一定差距[15],本研究針對組織工程中多材質和梯度化生物制品的三維打印問題,對噴頭溫控功能、沉積工作臺制冷功能、噴頭切換方式、控制系統等方面進行了研究,提出了一種基于擠出沉積技術的多噴頭生物3D打印機,為組織工程中實現多材質和梯度化生物模型3D打印提供了技術上的可能性。

本研究初步只使用了一種材料進行多噴頭打印實驗,對于實際模型中多材料的打印尚未進行驗證,因此,下一階段將針對多材料的多噴頭三維模型打印問題進行研究。