生物3D打印——从形似到神似

系统回顾生物3D打印的提出背景,给出生物3D打印的研究范围,梳理生物3D打印的发展历程. 重点聚焦于回顾操纵细胞的生物3D打印研究,并结合课题组近年来的研究及思考,对生物3D打印的发展进行展望. 更好地结合临床需求,实现从组织结构的仿生制造过渡到功能化的再造是生物3D打印未来取得突破的关键.     

生物3D打印装置及打印模型形貌检测

为了能够实时观测生物3D打印全过程,并对打印模型的形貌进行检测及重建,设计集成式生物3D打印机检测系统. 通过开发具备视频监测功能的打印喷头,实现对打印模型的在线检测. 采用色散共焦位移测量技术,通过对打印模型X、Y轴的位置信息及Z轴的高度信息进行扫描得到测量数据,并结合MountainsMap实现打印模型的形貌重建. 使用LabVIEW完成上位机操作系统的设计,建立G-code与打印模型的映射关系,实现打印轨迹的可视化,确保在程序运行到当前代码段时打印模型的准确性. 通过实验验证生物3D打印机的在线检测功能,对网格状及凸台模型的表面进行形貌检测,结果表明检测系统能够实现对打印模型的形貌检测. 打印模型表面形貌特征的可视化数据为构建精准打印模型提供数据支持,计算机视觉技术为高精度生物3D打印提供有效的检测手段.     

4D打印形状记忆聚合物及其复合材料的研究现状和应用进展

形状记忆聚合物材料是一种在外界环境刺激下可发生形状变化的智能材料,基于这种智能材料的可变形结构在生物医疗、航空航天等诸多领域显示出巨大的应用潜力.4D打印技术的问世为智能材料的进一步发展带来新的机遇,同时为微创医疗、智能机器人、柔性电子等高科技产业开创了全新的和智能化的发展方向.本文首先介绍4D打印技术的兴起和发展,以及5种新兴聚合物打印技术（光辅助打印、磁辅助打印、连续纤维打印、容积3D打印、多材料多喷头打印）的研发;其次从热、电、磁、光驱动4个方面综述了近几年4D打印形状记忆聚合物及其复合材料的研究进展及潜在应用,总结了适用于4D打印的形状记忆聚合物及其复合材料的制备方式及性能;然后介绍了基于形状记忆聚合物复合材料的4D打印结构在生物医疗、航空航天、智能器件及仿生领域的应用研究;最后指出4D打印在打印技术、打印材料、驱动方式和应用验证4个方面存在的问题及未来发展方向.     

3D打印成型技术及工艺参数优化设计

近年来3D打印技术的逐层堆叠成型原理使其更加灵活,越来越受到人们的重视,成为一个新的研究热点.从成形质量出发,探究熔融沉积成型3D打印技术的最优工艺参数,重点介绍设备工艺原理和工艺流程,总结了打印温度、打印速度、打印层高、填充角度和填充密度对成形质量的影响,通过对试样的力学性能和样件质量分析,得到了3D打印技术的工艺参数优化方案.并以氧气瓶模型设计为实例说明可以通过3D打印参数完善不同制件的应用需求.     

3D打印软体机器人及其传感器

软体机器人主要是由柔性材料制成,它模仿了软体生物如章鱼、蛇、蠕虫等. 由于软体机器人能够任意改变自身的形状与尺寸,其在医疗、野外勘探、物品抓持等方面具有广泛的应用前景. 3D打印作为一种新兴的制造方法,其与软体机器人的结合近年来发展迅速. 首先,介绍典型的3D打印技术及其在软体机器人主体结构制造方面的应用. 然后,讨论软体机器人各类传感器的3D打印研究近况. 最后,总结现有技术的不足之处并探讨该领域的未来发展方向.     

柱坐标式FDM 3D打印机的研制

针对基于笛卡儿坐标系的熔融沉积成型(fused deposition molding,FDM)3D打印机打印旋转体精度低,且速度慢等问题,设计开发了一种基于柱坐标系的FDM 3D打印机.其成型原理和机械结构都借鉴了传统的FDM 3D打印机,并在此基础上将基于笛卡儿坐标系的运动方式改为基于柱坐标系的运动方式.相较于传统FDM 3D打印机,在使用相同的硬件(包括电机、喷头、打印丝材)配置情况下,该设备打印旋转体模型时可以实现更高的打印精度,在某些情况下可以实现更快的打印速度.     

生物三维打印机硬件控制系统研究

提出了一种生物三维打印机硬件控制方法,并基于ATmega2560芯片实现了生物三维打印机的控制. 研究了打印原理及成型工艺,采用 Altium Designer软件绘制了控制系统的硬件电路,包括控制电路的主控单元、运动控制单元、喷头控制单元、加热控制单元、限位开关控制单元、USB数据传输单元等,绘制PCB板并完成硬件电路的焊接及调试工作,提高了生物三维打印精度.     

基于数字光处理技术的3D打印技术

介绍了以数字光处理(digital light processing,DLP)技术发展出的3D打印技术并讨论了其光学系统对成型效果的影响.介绍了现有3D打印技术的种类、光固化快速成型技术以及DLP技术的原理.说明了以DLP技术为核心的3D打印系统的基本结构,具体说明了DLP技术如何运用于快速成型领域.内容包括数字微镜器件(digital micro-mirror device,DMD)的组成和驱动原理、DLP技术中使用的典型光学系统结构,以及它们在3D打印技术中起到的作用.接着,讨论了在3D打印应用中,DLP技术需要注意的问题.内容包括DLP系统适用的光波长、投影幅面的均匀性和成型精度.最后,总结了DLP技术在3D打印领域的优势及不足.     

巧克力3D打印机的机械结构设计

针对当前巧克力3D打印机连续送料难、打印精度低等问题,对现有的各类巧克力3D打印技术进行研究,改善了巧克力3D打印机的机械结构,设计出一款具有连续供料装置的高精度巧克力3D打印机.打印机采用笛卡尔坐标系控制打印喷头的运动,以提高打印精度.此外,采用旋转螺杆代替传统活塞进行送料以保证打印的连续性,并在供料箱和打印喷嘴处设置加热装置用以控制巧克力温度.     

3D打印技术在食品中的应用

3D食品打印作为一种新兴的"增材制造"技术,具有方便、快捷、精度高等优点,满足了人们对个性化、功能性食品的要求,现已广泛应用于食品行业。本文综述了3D食品打印技术的原理、发展历史与现状,重点对食品原料的特性、打印食品的种类及影响打印的因素进行分析,并对3D食品打印技术的发展做出了展望。     

绘图仪式高速激光树脂3D打印设备研制

为了进一步探索3D打印实现方法,提高精度和效率,在绘图仪的结构基础上,结合光固化立体打印技术(SLA)的原理,设计了一种用于树脂材料的绘图仪式3D打印设备(SLP),它拥有绘图仪式的运动结构,激光及聚焦部分可直接做xy二维运动.相对于SLA技术,SLP大幅减小了焦距,所以对光源的要求更低.相比SLA和数字光处理技术(DLP),SLP加工幅面更容易扩大.     

3D打印混凝土打印喷头的研究进展

3D打印混凝土技术是一种利用打印喷头选择性地叠加混凝土材料的成型方法,该技术以数字制造、降维制造、堆积制造、直接制造、快速制造等特点为绿色建筑业发展提供了新思路。3D打印混凝土设备的机械系统具备材料混合、搅拌和挤出打印3个主要功能,主要由混料装置、供料传送装置、打印装置和机架组成。打印喷头是3D打印混凝土设备机械系统的关键部件,不仅要满足均质浆料能够顺利挤出的需求,还应保证打印出的构件不坍塌并具备良好的层间结合强度等。因此,打印喷头的结构设计也是设备研制的重要任务之一。本文系统地总结了国内外3D打印混凝土成型工艺,按照功能特征分类介绍了3D打印混凝土设备的打印喷头,对其结构及工作原理进行了分析。     

基于3D打印的定制脊柱侧弯矫形器设计制造与舒适度评价

针对青少年脊柱侧弯矫正问题,研制一款由3D打印制成的脊柱侧弯矫形器并做出舒适度评价.该方法依据色努矫形原理,建立脊柱侧弯矫形器三维模型,并考虑躯干约束对矫形器进行了有限元仿真分析和结构优化,最后进行模型的分块和3D打印,分析精度误差.依据模糊理论和层次分析法,建立了包括环境、材料、结构、运动4个方面的主观舒适度评价方法.结果表明:3D打印技术可实现定制脊柱侧弯矫形器的制造与生产,并在几何精度和穿戴舒适性上表现良好.     

基于热力学分析的FDM3D彩色打印喷头结构优化

基于FDM3D打印技术的前提下，利用品红黄蓝三原色配色原理设计了用于彩色3D打印配色的五进一出打印喷头。针对于熔融沉积3D打印，打印头在打印过程中存在热结构和分布的不合理会影响整个打印过程的精度和打印件的质量。采用热力学分析方法对于设计的五进一出打印喷头的结构进行分析优化，可以更加直观地观测到打印过程中喷头的温度分布，验证了五进一出打印喷头结构的合理性，为基于FDM的彩色3D打印提供了技术理论支持。     

3D打印建造技术的原理与展望

3D打印建造技术是快速成型技术在工程建设领域的应用.介绍了3D打印技术的原理、发展简史和成型方法,分析了3D打印技术的特点,讨论了3D打印建造技术的发展状况和实际效果,揭示了3D打印建造技术在建筑设计、建筑机械、建筑材料和建筑标准等方面需要解决的难题,提出应当制定产业政策扶持3D打印建造技术的发展.     

形状记忆聚合物在4D打印技术下的研究及应用

为了打破传统3D打印的静止约束,增加打印结构的可变形性和可设计性,4D打印的相关研究逐渐兴起. 综述了4D打印技术的发展和原理,总结了熔融沉积技术、立体光固化成型技术、聚合物喷射技术和直写技术这4种常见的打印方式的工作方式以及它们对材料的不同需求. 从外界不同激励的角度,对形状记忆聚合物的变形方式、机理及回复程度等进行分析与总结,对形状记忆聚合物目前存在的关键科学难点和未来的发展方向进行总结. 使用形状记忆聚合物的4D打印形状记忆智能结构在微创生物医学、机器人、柔性电子制造等研究领域已经有了应用,并表现出良好前景.     

生物陶瓷3D打印技术研究进展

本文概述了生物陶瓷3D打印领域的技术研究进展,阐述了生物陶瓷的分类和特点,以及3D打印技术同传统加工工艺相比所具有的优势,综述了国内外专家在成型材料、性能优化和骨建模及成型技术方面所做出的研究,并对其应用和发展前景做了总结.     

热塑性聚氨酯材料柔性外壳3D打印技术

针对全柔性伸缩型机械臂外壳在3D打印过程中产生的不粘连现象,提出了一种通过减少工件自身压缩量从而优化整体打印效果的方法.运用Inventor三维建模软件结合Cura 3D打印软件对柔性臂外壳进行建模,并利用3D打印机对热塑性聚氨酯材料进行3D打印加工.通过观察试件的实际打印效果,对打印过程中所产生的不粘连的失效形式进行了分析与研究,在利用不同参数水平对同一试件进行打印后,发现不同参数均通过影响工件的压缩量而影响最终的打印效果.为减少工件受重力产生的压缩量,分别提出设置温差、增加散热与增加表面支撑等改进方法,并将改进后的打印效果与原打印效果进行了对比.试验结果表明:添加表面支撑的方法对提高打印效果作用最大,可以将总体不粘连率从8.2%下降到2.5%,验证了所提出改进方案的合理性.     

火炸药光固化3D打印成型

针对发射药、推进剂、炸药光固化3D打印技术,按照光固化3D打印技术的特点和应用方向,综述火炸药光固化3D打印技术的研究进展. 概述立体光固化成型技术、数字光处理技术、连续液面制造技术的成型原理以及工艺特点,分析光固化3D打印火炸药研究存在的问题,提出光固化3D打印火炸药采用新型黏合剂的重要性,总结光固化黏合剂的发展方向和趋势,并对火炸药光固化3D打印技术发展方向进行预测. 指出火炸药光固化3D打印技术应按照火炸药的应用背景,对光固化3D打印火炸药用含能黏合剂设计与制备、黏合剂与固体填料表界面作用、工艺适配性、性能精细化表征进行系统化研究,为光固化3D打印技术在火炸药中的应用提供参考.     

工艺参数对3D打印陶瓷零件质量的影响

3D打印技术可用于制造结构复杂、致密度高的陶瓷零件,其工艺参数的选择对零件的加工质量具有重要影响.不同挤出头直径下,挤出速度随着挤出压力的增大而加快,分层厚度与挤出头直径相关,而扫描速度与挤出速度的配合关系会直接影响陶瓷零件的成型精度.试验结果表明:在挤出头长度为5 mm,挤出头直径为0.6 mm,挤出压力为4 kg/cm2,扫描速度为20 mm/s,分层厚度为0.5 mm的打印参数下,能够打印出较理想的陶瓷零件.