基于電機擠出沉積的多噴頭生物3D打印系統

王森森，許燕，周建平，印治濤，張旭婧

(新疆大學機械工程學院，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合打印方向發展[1]，而多材質的打印用單噴頭打印系統難以完成。目前眾多國內外學者將研究重點放在了多噴頭生物3D打印領域。

University of Fribourg的CORINNE JUD團隊以多噴頭打印系統實現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，實現了材質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搭建多材質生物3D打印平臺，通過雙向滾珠絲桿的設計，保證Z軸方向同時只有一個噴頭位于最低點進行打印，實現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，實現了多材質的打印；趙天宇[5]搭建的擠出式生物3D打印的依次共點打印裝置，實現了較低黏度材料的多材質打印。

總結以上研究成果，雖然都實現了多噴頭的打印，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行相同位移、相同的坐標變換，這不但對打印設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切換時會產生流涎現象且難以實現共點打印，導致打印失敗。(2)為了使仿生載藥組織工程骨支架能夠兼備力學性能和生物性能，所用材料的黏度較高，部分可以實現共點打印的設備公共擠出流道過長，難以實現較高黏度的多材質打印。

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

1 打印系統運動方式設計

打印系統共有6個軸，分別為進行空間運動的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。根據不同的組合方式，空間運動的三軸可總結為以下3種不同的類型[6]：(1)X(Y)Z疊加聯動，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軸的上方疊加聯動，如圖1(b)所示。(3)X、Y疊加聯動，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打印系統常見運動方式Fig.1 Common movement in 3D printing system

為了實現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打印系統選擇第1種打印方式。X、Y、Z三軸均采用進口伺服驅動套裝、聯軸器、滾珠絲桿配合的方式，重復定位精度可達到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電機通過聯軸器帶動絲桿上的壓板運動，壓板推進供料裝置出料，如圖2(a)所示。該裝置結構簡單，價格低，易實現。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，將電機的旋轉運動轉換為直線運動，帶動壓板上下運動從而推進供料裝置，但壓板通過一側與供料裝置接觸，容易隨著絲桿的運動產生彎曲變形，導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電機的絲桿來推進供料裝置出料，如圖2(b)所示。在固定電機的側板下方設有滑軌與滑塊，滑塊上固定有一側開螺紋孔的連接件，連接件一側通過螺紋連接鎖緊在滑塊上，另一側以過盈配合與絲桿末端的光滑處連接，電機絲桿旋轉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擠出裝置變形的現象，精度高，可實現較高黏度材料的穩定打印。此研究為了獲得較大且穩定輸出的力矩，保證打印精度，U、V、W三軸均采用定制的貫穿式絲桿步進電機套裝，重復定位精度可達3 μm，滿足打印要求。

圖2 電機擠壓方式

2 打印系統噴頭切換結構設計

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軸聯動，聯動過程中會產生干涉碰撞和流涎現象。另外，還需要通過編程對各個噴頭切換的線性位移進行補償，對設備和噴嘴的精度要求較高，很難避免流涎現象，也很難實現共點打印。

為了避免上述現象和實現共點打印，此研究重新設計了一種花瓣形打印噴頭[8-9]，其結構如圖3所示。花瓣形打印噴頭有3個進口和1個出口，3個噴頭進口上端內壁留有螺紋，打印機上的供料裝置與噴頭流道上端的進口通過螺紋連接鎖緊在一起并用密封膠密封。沿進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，打印材質從公共流道的末端擠出沉積。步進電機旋轉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，實現共點打印。

圖3 花瓣形打印噴頭切換結構

3 控制系統設計

經過分析，傳統的單噴頭打印不需要考慮各個噴頭的切換與配合，路徑規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 打印路徑規劃

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

設計的三噴頭系統共有六個軸，為了方便控制，將路徑文件中的六軸坐標信息定義為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。為了區別坐標指令和打印指令，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個電機驅動U軸、V軸、W軸的供料裝置進行不同材料打印和3種材料的停止。當噴頭控制程序中出現其中一個指令便一直有效，直到后面出現這組另一指令取消才有效。

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

Xspeed: 0.1 //設定X的運動速度

Yspeed: 0.1

Zspeed: 0.1

X0,

Y0,

Z0，//XYZ到達設定的原點

material: U //切換至第一種材料并持續打印，關閉另外兩種材料的打印。

materialUSpeed: 0.01 //設定第一種材料的擠出速度

X5, Y0 //打印機從原點持續打印至(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的一種八軸運動控制器，可以實現八軸高速的點位運動，廣泛應用于機器人和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。設定打印參數、路徑文件信息的裝載都由上位機控制程序完成，隨后路徑信息下發至GTS-800固高運動控制器，其按照設定規劃運動控制模塊和多噴頭控制模塊，兩者產生的反饋信息也會被傳回。

系統框圖如圖4所示。

圖4 系統框圖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合適的循環打印起點，主要包括伺服電機的伺服開關、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動器和步進驅動器，驅動器再發脈沖給電機完成設定的運動從而實現多噴頭的打印。GTS-800運動控制器接收到硬件的反饋信息，經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 實驗結果與分析

4.1 多噴頭打印測試

采用花瓣形噴頭切換機構將單噴頭的多次切換轉換成內部花瓣形流道的切換從而實現多噴頭的自由切換，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的單個噴頭切換產生的干涉碰撞問題，也很好地避免了流涎現象出現的可能性，實現了共點打印從而實現多噴頭的打印。

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三軸調整到打印的初始狀態，將噴頭切換機構調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軸的打印材料以設定的速度流經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用，直至整個模型打印完成。最后X軸、Y軸遠離打印的模型，Z軸遠離打印的模型，這是為了避免打印完成后噴頭觸碰或擠壓成型模型?；ò晷未蛴婎^切換機構、路徑規劃和控制系統三者的配合從根本上解決了線性布置的多噴頭產生的噴頭處于最低點問題、編程中的位置補償問題、各個噴頭切換時產生的流涎問題，噴頭切換過程中也不會出現空行程，提高了多噴頭打印的工作效率，實現多噴頭打印。

圖7 三噴頭打印過程示意

4.2 打印結果分析

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)是一種臨床修復材料[13]，親水性好，可作為生物膠水，但力學性差。

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。打印參數如表1所示。

表1 打印參數Tab.1 Printing parameters

打印結果如圖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象，每兩層打印結束后能正常切換成下一種“材料”，實現共點打印，表示三噴頭中的材質能按照規劃的路徑流經花瓣形噴頭切換機構正常打印，同一模型不同材質的切換過程中不會產生流涎現象和對模型的干涉碰撞。該生物3D打印系統可實現多噴頭正常打印工作。

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

5 結束語

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問題，對噴頭切換結構、打印路徑規劃、控制系統進行研究，提出基于電機擠出沉積技術的多噴頭打印系統，通過花瓣形噴頭切換機構和控制系統的配合實現了多噴頭的打印，解決了打印過程中出現的上述問題，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行驗證，因此，后期的研究重點應該集中在多材料的多噴頭打印。