Advanced Materials Technologies：軟材料的多材料多噴頭自適應(yīng)3D打印

來(lái)源：生物打印與再生工程

墨水直寫(xiě)3D打印是一種基于擠出的3D打印方法，科研人員利用該技術(shù)可以將多種傳統(tǒng)的功能生物材料3D結(jié)構(gòu)化或者圖案化。到目前為止，這種方法主要局限于粘彈性墨水通過(guò)單個(gè)噴頭分層沉積在平面基板上。然而，能夠?qū)⒍喾N材料同時(shí)繪制在任意地形的基質(zhì)上，將有利于許多應(yīng)用，包括結(jié)構(gòu)缺陷修復(fù)、傷口修復(fù)和組織再生等。為了實(shí)現(xiàn)多種材料高通量高保真度地打印，打印噴頭的設(shè)計(jì)及控制至關(guān)重要。最近，科研人員朝著這一目標(biāo)邁出了重要的一步，包括能夠在平面基板上通過(guò)單個(gè)或多個(gè)噴頭進(jìn)行兩種或多種粘彈性墨水之間無(wú)縫切換的打印頭，以及能夠在非平面基底上通過(guò)單個(gè)噴頭形成單一粘彈性墨水圖案的自適應(yīng)打印頭。然而，保形3D打印和多種材料多重噴頭打印頭的集成還沒(méi)有成功。

近日，哈佛大學(xué)Lewis, Jennifer A團(tuán)隊(duì)在Advanced Materials Technologies期刊發(fā)表題為“Multimaterial Multinozzle Adaptive 3D Printing of Soft Materials”的文章，報(bào)道了一種多材料、多噴頭自適應(yīng)3D打印（MMA-3DP）方法，可以在任意3D表面上快速繪制粘彈性墨水的圖案。

相關(guān)論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1002/admt.202101710

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

MMA-3DP方法包括四個(gè)步驟（圖1A）：首先，線輪廓儀掃描感興趣的區(qū)域并在y方向（打印方向）上定期間隔收集800個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的陣列。接下來(lái)，從生成的點(diǎn)云推斷基板形貌，然后為打印頭陣列的每個(gè)噴頭計(jì)算單獨(dú)的打印路徑。最后，這些軌跡被用于引導(dǎo)打印頭，它可以在復(fù)雜的基版形貌上保形地圖案化墨絲。多噴頭打印頭包含16個(gè)噴頭，間隔2.5mm，并以交叉指狀方式定位（圖1B和圖S1A，B）。每組八個(gè)噴頭由墨水容器通過(guò)3D打印歧管提供，這些歧管連接到柔性管以適應(yīng)z方向上的噴頭位移（圖1B和圖S1C）。每個(gè)由彈簧加載的噴頭都連接到齒輪步進(jìn)電機(jī)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為噴頭沿z方向的線性位移，總振幅為Δh = 25mm（圖1C）。這種設(shè)計(jì)的靈感來(lái)自腕管中肌腱的放置，它將力量從前臂肌肉傳遞到多個(gè)指骨。具體而言，通過(guò)將制動(dòng)器從打印頭移開(kāi)，實(shí)現(xiàn)了MMA打印頭內(nèi)多個(gè)噴頭的緊湊布置。這種多噴頭陣列的動(dòng)態(tài)和協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)使MMA打印頭能夠采用符合底層表面形貌的復(fù)雜配置，如在具有平面、正弦曲線或三角形幾何形狀的虛擬基板上所示（圖1D）。使用這種技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)將由水基三嵌段共聚物凝膠組成的模型粘彈性墨水自適應(yīng)地打印到具有隨機(jī)生成形貌的3D打印基板上。觀察到的剪切稀化行為在相關(guān)剪切速率10–50s-1下產(chǎn)生≈ 3–5Pa·s的表觀粘度促進(jìn)其在打印過(guò)程中的流動(dòng)，而其≈ 20kPa的平臺(tái)儲(chǔ)能模量允許圖案化的墨絲在離開(kāi)每個(gè)噴頭時(shí)保持其圓柱形形狀（圖1E）。使用這種自適應(yīng)噴嘴陣列共同打印多個(gè)墨絲，其中每個(gè)噴頭通過(guò)在z方向上獨(dú)立地上下移動(dòng)它們的高度來(lái)符合基板形貌，而MMA打印頭在y方向上以5mm·s-1的速度平移（圖1F），從而保證了較高的圖案保真度（圖1G，H）。

片

圖1 多材料多噴頭自適應(yīng)3D打印（MMA-3DP）平臺(tái)。A）用于自適應(yīng)3D打印的4步工作流程示意圖。B）自適應(yīng)多噴頭系統(tǒng)的CAD表示。C）噴頭驅(qū)動(dòng)裝置的CAD圖。D）演示對(duì)三種基底模型的多重輪廓適應(yīng)性：平面（上）、正弦（中）、三角形（下）。E）模型三嵌段共聚物墨水的流變學(xué)表征。左：表觀粘度隨剪切速率的函數(shù)關(guān)系。右：存儲(chǔ)（G`實(shí)心圓）和損耗（G``空心圓）模量作為剪應(yīng)力的函數(shù)。F）模型三嵌段共聚物墨水（染成紅色和藍(lán)色）在具有隨機(jī)生成地形的復(fù)雜基底表面上的保形打印的光學(xué)圖像。G、H）單墨層保形打印后的基底光學(xué)圖像。（比例尺：10mm）。

接下來(lái)，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)改變打印參數(shù)和噴頭設(shè)計(jì)來(lái)量化不同打印模式對(duì)圖案保真度的影響。首先，使用≈ 275kPa的最佳壓力結(jié)合MMA打印頭在具有正弦形貌的基板上平移時(shí)將每個(gè)噴頭保持在1.8mm的高度，產(chǎn)生離散的墨絲（圖2A）。然后將壓力和噴頭高度分別提高到≈ 300kPa和2.25mm時(shí)，相鄰的細(xì)絲在這個(gè)波浪形基板的頂部形成一個(gè)連續(xù)的層（圖2B）。同時(shí)由于這種模型墨水的粘彈性，可以逐層打印多層（圖2C，D）。16個(gè)噴頭中的每一個(gè)都在打印方向上具有相同的速度分量，基板形貌的變化會(huì)導(dǎo)致整個(gè)多噴頭陣列上的噴頭尖端速度不均勻，這在沒(méi)有單獨(dú)流量控制的情況下會(huì)導(dǎo)致沉積的細(xì)絲橫截面積的變化。同樣，在傾斜的表面上沉積時(shí)，由于x方向上每個(gè)噴頭之間的固定間距，會(huì)產(chǎn)生不同的絲間距。為了量化這些偏差，墨絲根據(jù)三種基本操作模式沉積：“純滾動(dòng)”，其中噴頭陣列在整體恒定高度上前進(jìn)，同時(shí)與水平面形成滾動(dòng)角φ，以及兩種“純俯仰”模式（向上和向下），其中噴頭水平對(duì)齊并沿平面向上或向下移動(dòng)，與下面的水平參考平面形成俯仰角θ（圖2E）。該團(tuán)隊(duì)觀察到在所有條件下（圖2F-H）歸一化橫截面積a和絲間距離d與基于幾何和質(zhì)量守恒考慮的理論預(yù)測(cè)非常一致，定義如下：

a=cos(θ)                      (1)

d =d0/cos(φ)                (2)

正如預(yù)期的那樣，在純滾動(dòng)模式下，細(xì)絲的橫截面積與φ無(wú)關(guān)。在純俯仰模式下，相對(duì)于θ的細(xì)絲間距也是如此。鑒于z方向上噴頭位移的高精度，絲間距和橫截面積的實(shí)驗(yàn)值與理論預(yù)測(cè)的變化，主要?dú)w因于單個(gè)噴頭的輕微橫向游隙以及管道和歧管系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)阻力的微小差異。對(duì)于橫滾、向上俯仰和向下俯仰模式，橫截面積值與模型的平均差異分別小于5.2%、7.7%和7.2%。同樣，細(xì)絲間距的平均差異分別不超過(guò)1%、1.2%和1.3%。根據(jù)等式（1和2），17.75°的側(cè)傾角和18.20°的俯仰角將導(dǎo)致d和a分別變化5%。定性地，滾動(dòng)印刷模式引入了細(xì)絲橫截面的輕微歪斜，其幅度與卷角φ本身相同（圖2Hii）。向上俯仰模式使細(xì)絲形狀保持相對(duì)不變，盡管直徑減小了（圖2Hiii），而向下俯仰模式傾向于導(dǎo)致噴頭在細(xì)絲的頂部表面上留下一個(gè)凹坑，以獲得較大的θ值（圖2Hiv）。為了糾正在較大的俯仰角值下細(xì)絲變薄的問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)MMA打印頭的未來(lái)迭代將包含對(duì)墨水體積流量的單獨(dú)控制。此外，噴頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和供墨系統(tǒng)都將小型化，以提高圖案分辨率。

圖2 多材料多噴頭技術(shù)自適應(yīng)3D打�。∕MA-3DP）的不同墨水沉積和打印模式。A,B）通過(guò)在具有正弦變化形貌的基材上對(duì)三嵌段共聚物油墨（染成藍(lán)色和紅色）進(jìn)行自適應(yīng)3D打印觀察到的圖案特征的油墨沉積模式和相應(yīng)光學(xué)圖像（邊緣視圖）的示意圖。C、D）（B）中下圖所示的10層物體的光學(xué)圖像（側(cè)視圖）。E）使用的三種打印模式的示意圖。F）印刷油墨細(xì)絲的歸一化橫截面積a作為基材傾斜角的函數(shù)。G）絲間距離d作為基板傾斜角的函數(shù)。H）使用不同打印模式創(chuàng)建的細(xì)絲對(duì)的代表性橫截面輪廓（從明場(chǎng)照片中提�。�。（比例尺：B為10mm，H為1mm）。

為了集成停止和啟動(dòng)功能，該團(tuán)隊(duì)將兩個(gè)帶有電磁閥的8通空氣歧管集成到他們的多噴頭打印頭中，以分別控制16個(gè)獨(dú)立墨水容器中的加壓空氣供應(yīng)（圖3A）。目標(biāo)體素化設(shè)計(jì)以二進(jìn)制圖像的形式輸入，并離散為相距2.5mm（或叉指打印模式下為1.25mm）的線陣列（圖3B）。為了提高打印保真度，需要單獨(dú)校正每個(gè)噴頭的軌跡，并協(xié)調(diào)墨水沉積的時(shí)間，以便在打印給定的細(xì)絲之前距離δd處，每個(gè)噴頭在開(kāi)始向下平移之前懸停在表面上方的“安全”距離δh處。（圖3C，“校正”（C）模式）。δh和δd的值范圍分別在3和5毫米以及1和3毫米之間，具體取決于油墨的流變性和印刷參數(shù)，即噴頭尺寸、印刷速度和使用的壓力。在將噴頭向上平移之前，該團(tuán)隊(duì)還在每個(gè)打印的細(xì)絲末端實(shí)現(xiàn)了噴頭高度的輕微下降，以確保正確的細(xì)絲終止。總之，對(duì)噴頭軌跡的這些修改導(dǎo)致更高的圖案保真度（圖3D，（C）模式）。為了展示單獨(dú)控制（開(kāi)/關(guān)）來(lái)自MMA打印頭內(nèi)每個(gè)噴頭的墨水流量的能力，將帶有字母“H”的波峰符號(hào)的二進(jìn)制圖像處理成16個(gè)細(xì)絲的三個(gè)打印路徑，從而形成一個(gè)打印區(qū)域120×140mm2（圖3E、F）。該符號(hào)使用上述模型三嵌段共聚物墨水（圖3G）以2mm·s-1的打印速度和386.1kPa的壓力打印，從而在正弦基板上忠實(shí)再現(xiàn)（圖3H）。然后，他們將該模型墨水的平坦層沉積在包含沿打印路徑放置的障礙物的基板上，以表明這個(gè)方法即使在基板表面存在不規(guī)則性的情況下也能夠忠實(shí)地沉積墨水細(xì)絲（圖3I，J）。

圖3 具有開(kāi)/關(guān)墨水流的多材料多噴頭自適應(yīng)3D打�。∕MA-3DP)。A）帶有16個(gè)電磁閥的集成陣列的多噴頭打印頭的實(shí)驗(yàn)裝置，用于控制（開(kāi)/關(guān)）即時(shí)墨水分配。B）能夠?qū)⑷我鈭D案圖案化到具有復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基板上的框架圖示。C）示意圖描述了MMA-3DP用于提高打印質(zhì)量和增加打印保真度的策略。D）在沒(méi)有軌跡校正（無(wú)校正或“NC”，頂部）和校正（“C”，底部）的情況下，Pluronic F-127墨水的打印擠出物之間的比較。E）波峰圖案作為模型模板來(lái)說(shuō)明瓣膜增強(qiáng)型MMA-3DP。F）面向表面保形圖案的圖像離散化和打印路徑提取。G，H）顯示Pluronic F-127墨水以感興趣的圖案形式沉積在正弦模型基板表面上的過(guò)程的照片（如E所示）。I,J）照片展示了使用閥門啟用MMA-3DP避障的過(guò)程。（比例尺：D為10mm，H為20mm，J為10mm）。

總結(jié)與展望

綜上，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種多材料多噴頭自適應(yīng)3D打印平臺(tái)，用于將粘彈性墨水快速圖案化到任意3D表面上。該平臺(tái)為控制二維和三維軟材料的組成和結(jié)構(gòu)開(kāi)辟了新途徑。在未來(lái)的具體實(shí)施方案中，該團(tuán)隊(duì)設(shè)想結(jié)合有助于核殼打印或主動(dòng)混合的噴頭設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步提高這些增材制造結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

參考文獻(xiàn)

Uzel, SGM (Uzel, Sebastien G. M.); Weeks, RD (Weeks, Robert D.); Eriksson, M (Eriksson, Michael); Kokkinis, D (Kokkinis, Dimitri); Lewis, JA (Lewis, Jennifer A.). 2022. ” 3D printingadaptive printheadsconformaldirect ink writingsoft materials. ” Advanced Materials Technologies.