工藝參數(shù)對人工神經(jīng)導(dǎo)管3D打印成型精度影響

段 營，烏日開西·艾依提，艾合買提江·玉素甫

（1.新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830047）

（2.新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院骨科中心顯微修復(fù)外科，新疆烏魯木齊 830054）

1 引言

3D 打印技術(shù)（又稱3D快速成型技術(shù)或增材制造技術(shù)）由數(shù)字驅(qū)動(dòng)，不受形狀復(fù)雜程度的限制，直接成形三維實(shí)體，能夠制作任意形狀零件。3D打印廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、航空航天、醫(yī)療、工程和施工、電子產(chǎn)品制造、等領(lǐng)域。隨著這項(xiàng)技術(shù)日趨成熟，其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用也更加普遍[1?4]。其在組織工程支架和醫(yī)療輔助模型領(lǐng)域得到應(yīng)用，是組織工程化人工神經(jīng)導(dǎo)管支架的一個(gè)主要的制備手段[5?8]。

近年來文獻(xiàn)[9]制備聚吡咯涂層人工神經(jīng)導(dǎo)管支架實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，并實(shí)驗(yàn)在大鼠體內(nèi)，有效提高神經(jīng)恢復(fù)速度。文獻(xiàn)[10]利用貽貝粘附蛋白（MAPS）為主要材料制備的人工神經(jīng)導(dǎo)管具有較好的生物相容性及生物降解性，且神經(jīng)修復(fù)結(jié)果接近自體神經(jīng)移植。

這里主要對單層的人工神經(jīng)導(dǎo)管工藝參數(shù)進(jìn)行研究，通過固高控制器編程來精準(zhǔn)控制送絲速率、芯軸轉(zhuǎn)動(dòng)速率、噴嘴移動(dòng)速度的配比關(guān)系與人工神經(jīng)導(dǎo)管表面質(zhì)量的影響從而得出合理工藝參數(shù)范圍。為人工神經(jīng)導(dǎo)管標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。

2 工藝參數(shù)對神經(jīng)導(dǎo)管制備的影響

實(shí)驗(yàn)所涉及的工藝參數(shù)有電子齒輪比、溫度、速度、加速度等。其中本文主要研究的是Z方向移動(dòng)、主軸轉(zhuǎn)動(dòng)以及Y方向擠壓運(yùn)動(dòng)之間的相互匹配關(guān)系也就是電子齒輪比對“螺旋線式”神經(jīng)導(dǎo)管制備的影響。實(shí)驗(yàn)臺運(yùn)動(dòng)部分主要采用柱坐標(biāo)的3D打印的運(yùn)動(dòng)方式，整個(gè)成型運(yùn)動(dòng)包含的匹配關(guān)系有主軸的圓周運(yùn)動(dòng)、Y方向向下的送料運(yùn)動(dòng)和沿軸線方向的直線運(yùn)動(dòng)，三種運(yùn)動(dòng)相互匹配形成由兩組不同的參數(shù)比控制，一是轉(zhuǎn)軸與送材料裝置在Y軸方向的擠絲運(yùn)動(dòng)的相互配合，二是轉(zhuǎn)軸和Z方向的移動(dòng)間的配合，最終形成繞主軸的螺旋線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)和送料速度過慢，直線運(yùn)動(dòng)過快時(shí)，會(huì)形成螺旋線間隙。當(dāng)主軸速度與送料速度過快，直線運(yùn)動(dòng)過慢時(shí)，會(huì)形成材料的堆積。實(shí)驗(yàn)采用的固高控制器中含有點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)模式、Jog運(yùn)動(dòng)模式、電子齒輪運(yùn)動(dòng)模式、插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)模式，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)中涉及主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和Z軸移動(dòng)的配合運(yùn)動(dòng)，所以點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)模式、Jog模式等明顯不能夠?qū)崿F(xiàn)。所以選擇了其中最符合以上聯(lián)動(dòng)匹配關(guān)系的電子齒輪運(yùn)動(dòng)模式。這是因?yàn)槠渲饕δ芫驮谟趯奢S或多軸進(jìn)行聯(lián)動(dòng)配合，實(shí)現(xiàn)精確的同步運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)臺裝置圖，如圖1所示。

圖1 裝置原理圖Fig.1 Schematic Diagram of the Device

2.1 電子齒輪比與線寬線高關(guān)系

打印在導(dǎo)管壁螺線管上層的直線通道成型可分解為三個(gè)運(yùn)動(dòng)：一是Z軸方向左右移動(dòng)，二是Y方向打印噴頭對材料的擠絲運(yùn)動(dòng)。電子齒輪模式在此實(shí)現(xiàn)的是兩軸配合運(yùn)動(dòng)。打印機(jī)打印直線通道涉及一個(gè)傳動(dòng)比是i1，其傳動(dòng)比為：

式中：a—主軸位移量/mm；b—從軸位移量/mm。

考慮理想情況下，即不斷絲也不形成延遲出絲的情況擠出絲線為圓柱狀。在針筒內(nèi)材料的體積與擠出絲材總體積相等，由此換算擠出絲線半徑為：

式中：r—注射器內(nèi)徑/mm；i1—直線通道電子齒輪比；r1—擠出絲半徑/mm。

實(shí)驗(yàn)采用0.4mm 直徑的打印針頭，注射器內(nèi)徑為6.5mm 出絲寬度應(yīng)為噴嘴直徑的（1～1.5）倍，令r1=（0.35～0.52），r=6.5帶回公式得i1=（76：1～194：1）。

單純從打印噴頭擠出絲線，呈圓形截面，但在實(shí)驗(yàn)中若想讓擠出絲線黏著在管壁上，需要施加部分力才能實(shí)現(xiàn)。而這種有針頭作用的擠壓力會(huì)使絲線材料發(fā)生變形，因此此時(shí)的絲線就具有線寬和線高。

參考上述電子齒輪比的換算方法，通過對電子齒輪比的改變來研究電子齒輪比與線寬和線高的關(guān)系。設(shè)定八組電子齒輪比參數(shù)，如表1所示。

表1 電子齒輪比參數(shù)Tab.1 Electronic Gear Ratio Parameters

每組參數(shù)三組實(shí)驗(yàn)，固定參數(shù)，如表2所示。測量儀器為基恩士數(shù)碼顯微系統(tǒng)VHX?6000。

表2 固定工藝參數(shù)Tab.2 Fixed Process Parameters

隨著電子齒輪比的數(shù)值不斷增大，線寬線高在不斷地減小，這是因?yàn)樾凶呔嚯x一定時(shí)擠出量越小線寬線高也就越小，正常情況下絲線的線寬應(yīng)為噴嘴直徑的（1～1.5）倍。

如圖2所示，當(dāng)電子齒輪比為（20:1～100:1）時(shí)線寬線高呈現(xiàn)急劇變化，波動(dòng)較大，造成成型表面精度不易控制，因此在此電子齒輪范圍屬于非正常出絲。（100:1～500:1）時(shí)線寬線高變化較為平緩，出絲正常。

圖2 電子齒輪比與線寬和線高的關(guān)系圖Fig.2 Relationship Between Electronic Gear Ratio and Line Width and Line Height

2.2 電子齒輪比對導(dǎo)管壁的影響

導(dǎo)管壁是人工神經(jīng)導(dǎo)管中具有隔絕作用的部分，因此成型的螺線管應(yīng)沒有縫隙，形成薄膜才能使其起到相應(yīng)作用，導(dǎo)管壁的柔韌性和溶脹性對周圍神經(jīng)的修復(fù)和再生起到了至關(guān)重要的作用。

導(dǎo)管壁的成型主要采用三軸聯(lián)動(dòng)，其三個(gè)運(yùn)動(dòng)分別為：一是Z方向的左右移動(dòng)；二是主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)；三是擠壓裝置的向Y方向的擠壓運(yùn)動(dòng)；打印機(jī)打印導(dǎo)管壁時(shí)運(yùn)用兩個(gè)電子齒輪傳動(dòng)比：一是Y軸移動(dòng)與轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)的電子齒輪比i2。二是Z方向移動(dòng)與Y方向推桿運(yùn)動(dòng)的電子齒輪比i3。

式中：a—X軸位移距離/mm；c—A軸轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)；i2—X軸與A軸的電子齒輪比；r1—擠絲半徑/mm；

該比值決定了針頭行走每毫米轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，理想狀態(tài)下打印出的導(dǎo)管壁應(yīng)出絲形狀為圓柱且其螺距為零，形成薄膜狀態(tài)，在神經(jīng)導(dǎo)管內(nèi)壁形成近似圓形管道。滿足如下關(guān)系式：

結(jié)合上節(jié)得出的出絲半徑，將r1=0.2～0.4，代入上式得出i2=1：10～1：20。

理論上，打印噴頭擠出材料體積應(yīng)與成型螺線管體積相等。忽略螺線管的間隙不計(jì)，將成型的單層神經(jīng)導(dǎo)管假設(shè)為一個(gè)理想圓柱管：圓柱管體積=擠出絲底面積×螺線線長。

式中：D—芯軸直徑/mm；c—A軸轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)；d—z2軸位移距離/mm。

為了研究電子齒輪比對螺距及表面質(zhì)量的影響，參考上述計(jì)算的電子齒輪比，選定傳動(dòng)比i2不變，9組不同的i3值。設(shè)定9對電子齒輪比如表3所示每組數(shù)據(jù)做三組實(shí)驗(yàn)。固定打印參數(shù)，如表2所示。

表3 電子齒輪比參數(shù)Tab.3 Electronic Gear Ratio Parameters

處理分析三組實(shí)驗(yàn)的平均數(shù)值，如圖3所示。隨著i3傳動(dòng)比數(shù)值不斷減小，神經(jīng)導(dǎo)管壁厚下降的數(shù)值為線寬下降數(shù)值的2.68倍。相比壁厚下降趨勢線寬下降趨勢較為平穩(wěn)，由此電子齒輪比i3主要影響神經(jīng)導(dǎo)管管壁厚度。

圖3 電子齒輪比與線寬和線高的關(guān)系圖Fig.3 Relationship between Electronic Gear Ratio and Line Width and Line Height

由圖4所示為兩組電子齒輪比打印的神經(jīng)導(dǎo)管截面圖，由圖可知隨著i3數(shù)值增大，擠出量相應(yīng)減小，導(dǎo)管管壁厚也逐漸變薄，當(dāng)i3減小擠出量增大，打印的神經(jīng)導(dǎo)管壁厚逐漸變大。由于擠出材料過多致使在打印過程中形成了材料堆積，螺線管的外表面質(zhì)量較差，厚度不均勻。實(shí)驗(yàn)得出i3=18:1～35:1；符合神經(jīng)導(dǎo)管的加工要求為優(yōu)化后的比例范圍。

圖4 9組電子齒輪比打印神經(jīng)導(dǎo)管管壁截面成型圖Fig.4 Nine Groups of Electronic Gear Ratio Printed Neural Catheter Wall Section Forming Diagram

選定傳動(dòng)比i3不變，不同的i2值。設(shè)定9對電子齒輪比，如表4所示；每組數(shù)據(jù)做三組實(shí)驗(yàn)。固定打印參數(shù)，如表1所示。

表4 電子齒輪比參數(shù)Tab.4 Electronic Gear Ratio Parameters

當(dāng)電子齒輪比i3值一定時(shí)，不同的i2值主要影響的是神經(jīng)導(dǎo)管的線寬值，這是由于隨著電子齒輪比i2數(shù)值不斷減小，同樣一組參數(shù)下線寬的下降值為壁厚下降值的2.3倍/，因此i2值只要影響神經(jīng)導(dǎo)管的線寬，對壁厚影響不大，如圖5所示。

圖5 電子齒輪比與線寬和線高的關(guān)系圖Fig.5 Relationship Between Electronic Gear Ratio and Line Width and Line Height

i2是噴頭在Z方向的移動(dòng)量與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度的比值，因此當(dāng)i3不變時(shí)，i2不斷減小，螺距隨之減小直至為0。噴頭擠出的絲線也逐漸變細(xì)，如圖6所示。通過圖6可以發(fā)現(xiàn)，i2值較大時(shí)，噴頭出現(xiàn)較大縫隙和線寬，不能打印成膜，無法起到層間隔絕作用，隨著i2值得不斷減小導(dǎo)管表面無縫隙且薄厚均勻，表面光滑，線寬線高較小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明i2=1：14～1：20時(shí)為打印合理范圍。

圖6 不同電子齒輪比神經(jīng)導(dǎo)管壁成型圖Fig.6 Forming Diagram of Neural Tube Wall with Different Electronic Gear Ratios

3 結(jié)論

在FDM式3D神經(jīng)導(dǎo)管打印機(jī)中電子齒輪對神經(jīng)導(dǎo)管的制備有著重要的影響。

（1）電子齒輪比i1=100:1～500:1時(shí)制備出的神經(jīng)導(dǎo)管線寬變化較為平緩，出絲正常。

（2）i3主要影響管壁壁厚，i3值越小壁厚也就越大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明i3=18:1～35:1時(shí)打印的神經(jīng)導(dǎo)管表面光滑。

（3）i2值主要影響打印絲線的線寬，比值變小線寬值隨之變小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明i2=1：14～1：20時(shí)為最佳打印范圍。

利用以上研究方法得出的參數(shù)范圍可以使人工神經(jīng)導(dǎo)管的加工更加方便快捷，且為以后的人工神經(jīng)導(dǎo)管的標(biāo)準(zhǔn)化研究提供數(shù)據(jù)參考。