供稿人：嚴(yán)峻騰、連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2022-10-18
組織工程在人工器官或組織生物的打印過(guò)程中取得了越來(lái)越多的成功。其中水凝膠類(lèi)材料典型的加工制造是基于擠壓的3D打印設(shè)備完成的。而在經(jīng)典3D打印的材料擠壓過(guò)程中，打印頭僅沿笛卡爾坐標(biāo)系的x、y軸進(jìn)行線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)，并在層過(guò)渡處進(jìn)行z軸調(diào)整(x、y軸平行于鑄造平臺(tái)，z軸垂直于鑄造平臺(tái))。因此，使用三軸打印機(jī)，物體通常是在平面層上打印的。
德國(guó)斯圖加特大學(xué)機(jī)床與制造單元控制工程研究所的Frederik.Wulle教授團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了基于磁共振成像的明膠甲基丙烯酰水凝膠在非平面表面的多軸3D打印方法。相關(guān)成果發(fā)表在權(quán)威期刊《Additive Manufacturing》上
該團(tuán)隊(duì)基于目前水凝膠的3D打印僅限于三軸打印機(jī)，三軸打印機(jī)存在固有的缺點(diǎn)，如優(yōu)化平面打印基材、表面質(zhì)量有限、打印懸垂時(shí)需要支撐結(jié)構(gòu)等的前提。開(kāi)發(fā)了水凝膠的多軸3D打印。首先，對(duì)脛骨的MRI掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到光滑的骨表面，然后將其送入曲面切片和路徑規(guī)劃算法，生成由曲面打印路徑組成的非平面層，見(jiàn)圖1。打印路徑被新開(kāi)發(fā)的打印頭轉(zhuǎn)化為基于甲基丙烯酰明膠的3D打印水凝膠，打印頭安裝在一個(gè)七軸運(yùn)動(dòng)學(xué)裝置上，見(jiàn)圖2，也允許打印后將打印的水凝膠油墨UV固化為固體水凝膠。最后比較了3D打印水凝膠與模壓水凝膠的性能。結(jié)果表明，3D打印水凝膠的硬度較模壓水凝膠低，在水中的溶脹平衡度較高。表明了多軸3D打印技術(shù)在水凝膠加工方面的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也提出了了三軸和多軸3D打印相關(guān)的交聯(lián)化學(xué)和水凝膠油墨配方等開(kāi)放性研究問(wèn)題。
圖1通過(guò)偏移切片生成層(左);在+x邊的鑲嵌表面和前11個(gè)在-x邊在一個(gè)表面截面上生成路徑(右)。
圖2：數(shù)控印刷機(jī)的控制架構(gòu)(左);七軸運(yùn)動(dòng)學(xué)上的主動(dòng)過(guò)程(右)。