基于電機擠出沉積的多噴頭生物3D打印系統(tǒng)

王森森，許燕，周建平，印治濤，張旭婧

(新疆大學(xué)機械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830047)

0 前言

人工載藥組織工程骨支架生物3D打印正朝著多材料復(fù)合打印方向發(fā)展[1]，而多材質(zhì)的打印用單噴頭打印系統(tǒng)難以完成。目前眾多國內(nèi)外學(xué)者將研究重點放在了多噴頭生物3D打印領(lǐng)域。

University of Fribourg的CORINNE JUD團隊以多噴頭打印系統(tǒng)實現(xiàn)了血液組織屏障物的打印[2]；陳鵬華等[3]搭建了基于電機擠出沉積和氣動微滴噴射的多噴頭生物3D打印系統(tǒng)，實現(xiàn)了材質(zhì)差異很大的多噴頭混合打??；吳田俊等[4]基于氣動擠出沉積技術(shù)搭建多材質(zhì)生物3D打印平臺，通過雙向滾珠絲桿的設(shè)計，保證Z軸方向同時只有一個噴頭位于最低點進(jìn)行打印，實現(xiàn)了四噴頭的自由切換，解決了線性布置噴頭常見的干涉碰撞問題，實現(xiàn)了多材質(zhì)的打印；趙天宇[5]搭建的擠出式生物3D打印的依次共點打印裝置，實現(xiàn)了較低黏度材料的多材質(zhì)打印。

總結(jié)以上研究成果，雖然都實現(xiàn)了多噴頭的打印，但還存在以下問題：(1)雖然線性布置的噴頭Z軸方向只有一個噴頭位于最低點，但多噴頭的切換需要所有噴頭一起進(jìn)行相同位移、相同的坐標(biāo)變換，這不但對打印設(shè)備有較高的精度要求，而且對打印噴嘴的精度有較高的要求，打印過程中不同材質(zhì)切換時會產(chǎn)生流涎現(xiàn)象且難以實現(xiàn)共點打印，導(dǎo)致打印失敗。(2)為了使仿生載藥組織工程骨支架能夠兼?zhèn)淞W(xué)性能和生物性能，所用材料的黏度較高，部分可以實現(xiàn)共點打印的設(shè)備公共擠出流道過長，難以實現(xiàn)較高黏度的多材質(zhì)打印。

針對以上問題，本文作者設(shè)計了一種基于電機擠出成型的多噴頭生物3D打印系統(tǒng)，最終較好地實現(xiàn)仿生載藥組織工程骨支架的多噴頭梯度打印。

1 打印系統(tǒng)運動方式設(shè)計

打印系統(tǒng)共有6個軸，分別為進(jìn)行空間運動的X、Y、Z三軸和通過螺紋連接鎖緊在噴頭掛板上的U、V、W三軸。根據(jù)不同的組合方式，空間運動的三軸可總結(jié)為以下3種不同的類型[6]：(1)X(Y)Z疊加聯(lián)動，沉積平臺在Y軸(X軸)做前后或左右運動，如圖1(a)所示。(2)低溫沉積平臺放在Z軸上做獨立的上下運動，X、Y軸在Z軸的上方疊加聯(lián)動，如圖1(b)所示。(3)X、Y疊加聯(lián)動，低溫沉積平臺放在X軸(Y軸)上，Z軸在X、Y軸的上方，做上下運動，如圖1(c)所示。

圖1 3D打印系統(tǒng)常見運動方式Fig.1 Common movement in 3D printing system

為了實現(xiàn)較高打印精度且保證噴頭掛板掛接的U、V、W三軸有足夠的移動空間，研究的生物3D打印系統(tǒng)選擇第1種打印方式。X、Y、Z三軸均采用進(jìn)口伺服驅(qū)動套裝、聯(lián)軸器、滾珠絲桿配合的方式，重復(fù)定位精度可達(dá)到1.8 μm。

U、V、W三軸用來打印，常見的兩種電機擠出打印的形式如圖2所示。一種是采用普通步進(jìn)電機通過聯(lián)軸器帶動絲桿上的壓板運動，壓板推進(jìn)供料裝置出料，如圖2(a)所示。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，價格低，易實現(xiàn)。推動供料裝置的壓板的形心固定有絲桿螺母，通過螺紋與絲桿配合，將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，帶動壓板上下運動從而推進(jìn)供料裝置，但壓板通過一側(cè)與供料裝置接觸，容易隨著絲桿的運動產(chǎn)生彎曲變形，導(dǎo)致供料裝置帶動噴嘴變形影響打印精度。另一種是用貫穿式絲桿步進(jìn)電機的絲桿來推進(jìn)供料裝置出料，如圖2(b)所示。在固定電機的側(cè)板下方設(shè)有滑軌與滑塊，滑塊上固定有一側(cè)開螺紋孔的連接件，連接件一側(cè)通過螺紋連接鎖緊在滑塊上，另一側(cè)以過盈配合與絲桿末端的光滑處連接，電機絲桿旋轉(zhuǎn)帶動連接件隨滑塊在滑軌上做上下運動從而推動供料裝置。絲桿、連接件的孔、供料裝置的中心線上下豎直對齊，打印過程中不會出現(xiàn)擠出裝置變形的現(xiàn)象，精度高，可實現(xiàn)較高黏度材料的穩(wěn)定打印。此研究為了獲得較大且穩(wěn)定輸出的力矩，保證打印精度，U、V、W三軸均采用定制的貫穿式絲桿步進(jìn)電機套裝，重復(fù)定位精度可達(dá)3 μm，滿足打印要求。

圖2 電機擠壓方式

2 打印系統(tǒng)噴頭切換結(jié)構(gòu)設(shè)計

常見多噴頭打印機采用線性并列布置[7]，多個噴頭的最低點在同一水平面，所有噴頭隨著Z軸聯(lián)動，聯(lián)動過程中會產(chǎn)生干涉碰撞和流涎現(xiàn)象。另外，還需要通過編程對各個噴頭切換的線性位移進(jìn)行補償，對設(shè)備和噴嘴的精度要求較高，很難避免流涎現(xiàn)象，也很難實現(xiàn)共點打印。

為了避免上述現(xiàn)象和實現(xiàn)共點打印，此研究重新設(shè)計了一種花瓣形打印噴頭[8-9]，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。花瓣形打印噴頭有3個進(jìn)口和1個出口，3個噴頭進(jìn)口上端內(nèi)壁留有螺紋，打印機上的供料裝置與噴頭流道上端的進(jìn)口通過螺紋連接鎖緊在一起并用密封膠密封。沿進(jìn)口向下是各自的花瓣形流道，流道的末端以光滑過渡連接公共流道的上端，打印材質(zhì)從公共流道的末端擠出沉積。步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)推動供料裝置中的材料流入3個流道，按照程序依次從公共流道打印，從而避免打印過程中的干涉碰撞、流涎，實現(xiàn)共點打印。

圖3 花瓣形打印噴頭切換結(jié)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

經(jīng)過分析，傳統(tǒng)的單噴頭打印不需要考慮各個噴頭的切換與配合，路徑規(guī)劃與控制也比較簡單，但這將是此研究要考慮的重點和難點。

3.1 打印路徑規(guī)劃

首先根據(jù)需求用三維建模軟件SolidWorks建立打印模型，生成STL文件后導(dǎo)入切片軟件進(jìn)行切片處理，設(shè)置層高、絲間距、打印速度等參數(shù)后生成機器可以識別的代碼，驅(qū)動六軸電機按照規(guī)劃的路徑運動。由于要打印3種不同的材質(zhì)，生成的路徑信息包括兩方面內(nèi)容：(1)三軸的空間運動信息；(2)三噴頭打印信息。

設(shè)計的三噴頭系統(tǒng)共有六個軸，為了方便控制，將路徑文件中的六軸坐標(biāo)信息定義為X、Y、Z、U、V、W，三維空間信息用X、Y、Z來表示，與單噴頭打印系統(tǒng)一致，U、V、W為3個噴頭的控制信息，并且三軸通過螺紋連接鎖緊在噴頭掛板上。為了區(qū)別坐標(biāo)指令和打印指令，重新定義了打印指令，material: U、material: V、material: W、material:Stop為一組指令，分別代表3個電機驅(qū)動U軸、V軸、W軸的供料裝置進(jìn)行不同材料打印和3種材料的停止。當(dāng)噴頭控制程序中出現(xiàn)其中一個指令便一直有效，直到后面出現(xiàn)這組另一指令取消才有效。

在產(chǎn)生的路徑文件中，不但有XYZ的空間位置坐標(biāo)信息，也有打印噴頭的切換信息，通過上述設(shè)計，最終得到的路徑文件信息為：

Xspeed: 0.1 //設(shè)定X的運動速度

Yspeed: 0.1

Zspeed: 0.1

X0,

Y0,

Z0，//XYZ到達(dá)設(shè)定的原點

material: U //切換至第一種材料并持續(xù)打印，關(guān)閉另外兩種材料的打印。

materialUSpeed: 0.01 //設(shè)定第一種材料的擠出速度

X5, Y0 //打印機從原點持續(xù)打印至(5，0)處

X13,Y0…

X13,Y8

material: V

materialVSpeed: 0.01

Z1//Z軸從原點處抬升至1 mm處

X13,Y0

X11,Y0

…

X5,Y0

material: W

materialWSpeed: 0.01

Z2

X13,Y0

X13,Y2

…

X13,Y8

Z5

material：Stop//停止所有材料的打印，打印完成。

3.2 打印控制

固高GTS-800運動控制器是固高公司開發(fā)的一種八軸運動控制器，可以實現(xiàn)八軸高速的點位運動，廣泛應(yīng)用于機器人和3D打印，滿足此研究的六軸控制。由自行編寫的計算機端上位機控制程序和底層GTS-800固高運動控制器組成，兩者可以互相傳遞信息。設(shè)定打印參數(shù)、路徑文件信息的裝載都由上位機控制程序完成，隨后路徑信息下發(fā)至GTS-800固高運動控制器，其按照設(shè)定規(guī)劃運動控制模塊和多噴頭控制模塊，兩者產(chǎn)生的反饋信息也會被傳回。

系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)框圖Fig.4 System block diagram

上位機控制界面包括手動模式和自動模式。手動模式控制噴頭到達(dá)合適的循環(huán)打印起點，主要包括伺服電機的伺服開關(guān)、六軸JOG運動控制、絕對運動控制、增量運動控制、打印速度控制、回零點、裝載G代碼配置文件。自動模式主要包括運動程序的啟動和停止。

上位機控制軟件界面如圖5所示。

圖5 上位機控制軟件界面Fig.5 Interface of PC control software

固高GTS-800運動控制器通過上位機控制軟件傳遞的信息控制伺服驅(qū)動器和步進(jìn)驅(qū)動器，驅(qū)動器再發(fā)脈沖給電機完成設(shè)定的運動從而實現(xiàn)多噴頭的打印。GTS-800運動控制器接收到硬件的反饋信息，經(jīng)處理再傳給上位機控制軟件。

控制流程如圖6所示。

圖6 控制流程Fig.6 Control flow

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 多噴頭打印測試

采用花瓣形噴頭切換機構(gòu)將單噴頭的多次切換轉(zhuǎn)換成內(nèi)部花瓣形流道的切換從而實現(xiàn)多噴頭的自由切換，始終只有公共流道噴頭為打印噴頭，從根本上避免了常見線性布置多噴頭打印中出現(xiàn)的單個噴頭切換產(chǎn)生的干涉碰撞問題，也很好地避免了流涎現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性，實現(xiàn)了共點打印從而實現(xiàn)多噴頭的打印。

U、V、W三軸上的噴頭分別為定義為第一、二、三打印噴頭。多噴頭的打印過程如圖7所示，通過JOG模式分別將U、V、W三軸調(diào)整到打印的初始狀態(tài)，將噴頭切換機構(gòu)調(diào)整到距低溫沉積平臺合適的位置，編譯好的G代碼配置文件被裝載，在上位機軟件選取自動模式，自動打印開始，U軸的貫穿式絲桿電機開始勻速運動帶動絲桿推進(jìn)U軸的供料裝置中的打印材料，V軸和W軸供料裝置中的材料在各自電機絲桿末端連接件的壓力作用下使U軸的打印材料以設(shè)定的速度流經(jīng)自身花瓣形的流道和公共流道，最后沉積在低溫平臺上。U軸打印完成后，V軸和W軸以同樣的方式被調(diào)用，直至整個模型打印完成。最后X軸、Y軸遠(yuǎn)離打印的模型，Z軸遠(yuǎn)離打印的模型，這是為了避免打印完成后噴頭觸碰或擠壓成型模型。花瓣形打印噴頭切換機構(gòu)、路徑規(guī)劃和控制系統(tǒng)三者的配合從根本上解決了線性布置的多噴頭產(chǎn)生的噴頭處于最低點問題、編程中的位置補償問題、各個噴頭切換時產(chǎn)生的流涎問題，噴頭切換過程中也不會出現(xiàn)空行程，提高了多噴頭打印的工作效率，實現(xiàn)多噴頭打印。

圖7 三噴頭打印過程示意

4.2 打印結(jié)果分析

羥基磷灰石(HA)是天然骨組織中最重要的無機礦物鹽，生物相容性好，可降解，但純HA支架韌性差、難塑形，常與其他材料復(fù)合獲得理想的植入式骨支架替代物[10-12]。聚乙烯醇(PVA)是一種臨床修復(fù)材料[13]，親水性好，可作為生物膠水，但力學(xué)性差。

作者以溶液濃度為15%的PVA，VPVA:mHA=1.5 mL∶1 g的材料作為打印測試材料，打印測試的模型如圖8所示。

圖8 三噴頭打印模型Fig.8 Three nozzle printing model

規(guī)劃模型的長×寬為13 mm×13 mm，絲間距為1.8 mm，層高為0.9 mm，共6層。打印材料分別染上黑色、紅色和白色來代表3種“不同材料”，U、V、W軸的供料裝置中裝有不同的材料,每種材料打印兩層，打印完成后將打印出的樣品模型冷凍干燥后觀察。打印參數(shù)如表1所示。

表1 打印參數(shù)Tab.1 Printing parameters

打印結(jié)果如圖9所示，可見：打印模型與測試模型一致。打印模型孔隙清晰可見，“三種材料”各自打印了兩層，層與層搭接良好，絲材纖維均勻，無絲材堆積或者絲材斷裂現(xiàn)象，每兩層打印結(jié)束后能正常切換成下一種“材料”，實現(xiàn)共點打印，表示三噴頭中的材質(zhì)能按照規(guī)劃的路徑流經(jīng)花瓣形噴頭切換機構(gòu)正常打印，同一模型不同材質(zhì)的切換過程中不會產(chǎn)生流涎現(xiàn)象和對模型的干涉碰撞。該生物3D打印系統(tǒng)可實現(xiàn)多噴頭正常打印工作。

圖9 打印結(jié)果Fig.9 Printing results：(a)vertical view；(b)left view

5 結(jié)束語

針對仿生載藥組織工程骨支架打印過程中存在的干涉碰撞、流涎以及共點打印的實現(xiàn)問題，對噴頭切換結(jié)構(gòu)、打印路徑規(guī)劃、控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，提出基于電機擠出沉積技術(shù)的多噴頭打印系統(tǒng)，通過花瓣形噴頭切換機構(gòu)和控制系統(tǒng)的配合實現(xiàn)了多噴頭的打印，解決了打印過程中出現(xiàn)的上述問題，提高了打印效率，為仿生載藥人工組織工程骨支架的高效打印提供了一種較好的方式。

文中的多噴頭實驗僅使用了單種材料，并未對實際模型中多材料打印進(jìn)行驗證，因此，后期的研究重點應(yīng)該集中在多材料的多噴頭打印。