基于挤出沉积技术的多喷头3D打印机研制

针对组织工程中多材质和梯度化生物制品的三维打印问题,对喷头温控功能、沉积工作台制冷功能、喷头切换方式、控制系统等方面进行了研究,提出了一种基于挤出沉积技术的多喷头生物3D打印机。使用半导体制冷片和聚酰亚胺加热膜对喷头进行了温控设计,设计了双向滚珠丝杆切换装置和外循环超低温沉积工作台结构,最后利用羧甲基纤维素钠水凝胶材料在研制完成的多喷头生物3D打印机上进行了多喷头打印测试。测试结果表明:多喷头生物3D打印机实现了多材料和梯度化复杂模型的多喷头三维打印,同时打印精度满足生物组织工程的需求,为实现高仿生三维结构的打印奠定了良好基础。     

3D打印技术在医疗领域的应用进展

首先简单地介绍了医疗领域中所应用的3D打印成型工艺,并从成型精度、材料、成本等方面进行了简单比较,然后重点介绍了3D打印技术在医疗模型、永久植入体、组织工程支架和具有生物功能性的仿生三维结构体等4个应用领域内的最新进展,最后指出了多材质、全彩色、多孔模型及可降解材料是未来医疗领域3D打印技术的发展方向.     

面向3D打印复合工艺的生物CAD/CAM系统及试验研究

3D打印复合成形工艺将3D打印技术与静电纺丝技术相结合,在构建具有多尺度多梯度结构特征的,生物硬组织修复用再生支架方面表现出独特优势。提出一种针对3D打印复合成形工艺的生物CAD/CAM系统构建方法,不仅能实现成形过程的自动监控,保证多工艺的柔性复合,而且能实现从STL模型,到生成加工路径信息,并最终驱动系统硬件进行加工的自动化处理流程。该系统及方法将生物建模软件与生物3D打印复合成形系统有效集成,将CAD过程中无法建模的尺度信息与来自CAD的加工信息有机结合并处理,有效解决了3D打印成形再生支架时,精度受限而无法在支架内部成形微观尺度结构的问题。最后,通过骨组织工程支架的制备试验验证了系统的有效性。     

具有电磁阀微喷功能的3D打印机构建及应用

3D打印技术已经在生物医学、传感器制造等领域得到广泛应用。然而,传统3D打印机由于自身工作方式的不同,适用范围不同,难以同时兼容生物制备和传感器制备。因此,以电磁阀作为3D打印机的喷头,自主设计并构建具有独特工作方式的3D打印机,将高精度液滴分配方式应用于3D结构打印。研究料筒气压、电磁阀开关时间、喷头高度对打印液滴直径的影响,并对点、线、网、面图案的打印质量进行评估;利用所构建的打印机制备具有真皮乳头结构的组织工程皮肤和阵列式柔性压力传感器,测试组织工程皮肤的细胞活性及压力传感器的压-阻转换特性。结果表明,打印液滴直径尺寸与料筒气压、喷头开启时间、喷头高度均成正相关;3D打印机对点、线、网、面图案的打印效果较为理想;可成功应用于具有真皮乳头结构的组织工程皮肤和柔性压力传感器的制备。所构建的3D打印机融合喷墨式打印机和挤出式打印机的优势,对打印墨水有较好的兼容性,具有打印方式简单、打印速度快、成型质量高的优点,对组织工程皮肤及柔性压力传感器的研究具有重要意义,为实现具有感知功能仿生皮肤的制备奠定基础。     

FDM技术中基于层轮廓特征的路径规划方法研究

通过对3D打印技术中目前主流的路径规划方式的研究的基础上,提出了基于层轮廓特征的路径规划方法,即对同一三维模型分层处理后针对不同层截面轮廓特征采用不同的路径规划。运用G代码仿真和3D打印实验验证方法,得到如下结论:采用Hilbert曲线路径规划可提高制件的打印精度;采用三角形分形路径规划可提高制件的打印效率;采用并行栅格路径规划、普通蜂巢路径规划在充盈度、饱满度比较差的截面上可提高成型质量。经过实验数据分析,所选用的路径规划提高了打印精度与打印效率,对熔融沉积成型合理选用路径规划具有借鉴意义。     

多喷头FDM 3D打印机的设计与研究

针对熔融挤压沉积技术的3D打印机喷头数量少、打印色彩单一问题,分析了多喷头3D打印机的整机设计方案,采用滚珠丝杠传动方式规划了打印机的多喷头结构,确保了打印机喷头间不发生干涉。通过研究各喷头坐标位置切换,设计了3D打印机多喷头的控制逻辑算法,实现了工作台在并行喷头间往复切换,并根据送入喷头的丝料颜色差异,利用计算机对其打印过程进行了仿真分析,得到了多色彩三维数据模型。     

基于柔性材料的双喷头3D打印技术研究

针对生物凝胶、硅橡胶等柔性材料复杂形状成型困难的问题,提出一种双喷头3D打印方法,实现模具和柔性材料的一体化成型。在深入研究FDM 3D打印原理的基础上,将FDM 3D打印机装置进行改装,设计了一套可以打印两种不同材料的双喷头3D打印装置。其中一个喷头打印PLA等工程塑料,用作支撑和模具;另一个喷头用来打印硅橡胶、生物凝胶等具有流动性和黏性的柔性材料。试验结果表明:该双喷头3D打印装置打印硅橡胶、生物凝胶等柔性材料,能够较好地完成模具和材料一体化成型的打印任务,为生物凝胶、硅橡胶等柔性材料的成型工艺提供了有效的方法。     

基于机械臂的3D打印机控制系统研究

结合3D打印技术,对小型机械臂进行控制系统设计,开发出一种多自由度机械臂3D打印机。首先对机械臂进行正逆运动学求解,然后对路径进行插值计算,最后做轨迹规划,使机械臂实现3D打印功能。该研究提高了打印机运动平稳性和打印精度,打印姿态更为灵活,打印产品具有多样性。     

3D打印机喷头组件的水冷设计及仿真分析

研究3D打印机的打印过程时发现,打印过程中存在喷头堵塞、打印精度低、速度低等问题,其主要原因是导丝管中的热量不能及时传导出去.为了解决喷头组件散热问题,设计出水冷装置模型,首先通过计算得出冷却的理论数据,然后结合傅里叶热传导定律,利用Fluent软件进行仿真分析,得出散热装置的温度数据以及温度分布云图等重要参数,最后仿真和计算相互验证.结果表明:该水冷装置设计合理,能够满足导丝管内降温需求,有利于降低3D打印机喷头堵塞频率,提升打印精度、速度以及成型质量,为进一步优化3D打印机提供了参考.     

基于熔融沉积3D打印机的多色切换模组设计

传统熔融沉积工艺（FDM）3D打印机只能打印单色或双色模型,为了实现多色彩模型三维实体快速成型,对普通FDM双喷头3D打印机的机械结构以及控制逻辑进行深入研究,设计出了一款支持在任意双喷头3D打印机上安装的3D打印机多色切换模组。实际多色打印测试结果表明,基于该设计方案加工的多色切换模组可以精确、稳定地完成多色彩模型三维实体快速成型。实验表明打印温度为180℃,采用200 mm/s的打印速度时,产品打印质量较高为FDM多色3D打印提供了新的实现方法。     

碳纤维长纤3D打印的路径跳转处理

针对碳纤维长纤3D打印复杂模型的路径跳转问题,以三维模型切片处理后的G代码文件为基础,对其进行3D打印跳转点识别;基于三维路径坐标与远端切断装置间的距离关系,实现打印跳转点与纤维切断点的精确匹配,进行连续性纤维远端切断处理。通过不同打印路径的三维模型跳转点与断点的仿真分析,以及碳纤维长纤3D打印系统对单层及多层模型的3D打印测试,验证了路径跳转处理方法对连续纤维复杂模型3D打印成型的可行性。算法为碳纤维长纤3D打印的实现提供基础。     

3D打印喷头的热力学分析与结构优化设计

针对熔融沉积造型3D打印喷头在打印过程中存在的热结构不合理引起打印精度差等问题,采用热力学分析和结构优化设计,解决3D打印过程中由热量导致喷头热变形引起打印精度差和其本身制造成本高的问题。经过仿真分析和实验与应用,验证了熔融沉积造型3D打印喷头结构的合理性,为3D打印技术产业化提供技术理论支持。     

基于多喷头生物3D打印系统的管腔型结构构建

基于多喷头生物3D打印系统和溶芯支撑法,运用超低温打印技术,以胶原为管壁材料,水凝胶F127为溶芯材料构建复合管腔结构,经过京尼平溶液交联及冻干处理后将支架浸泡在1℃的去离子水中以去除溶芯材料,从而获得胶原管腔支架结构;同时探究了以明胶/海藻酸钠为管壁结构,明胶材料为溶芯的管结构制备技术,实验证明明胶作为溶芯材料制备管结构的可行性。制备出了具有较好结构及力学性能的胶原和明胶/海藻酸钠管腔支架结构。该多喷头生物3D打印系统以溶芯工艺的方法,在构建管腔型生物结构方面具有很好的效果,为临床及再生医学提供了重要的制造工艺基础。     

连续碳纤维复合材料3D打印的切片方向调控

三维模型切片处理是3D打印的前提。由于连续碳纤维复合材料各向异性的特点,分层处理前,根据成型样件力学性能的方向性要求,对三维模型切片方向进行调控是获得满足成型性能需求的碳纤维3D打印零部件的保证。在三维拓扑重建的基础上,通过力学方向约束下的坐标矩阵变换算法实现三维模型切片处理的方向性调控;采用变换矩阵空间后的切平面相交法进行等层厚分层处理,实现连续碳纤维复合材料3D打印成型路径方向规划。通过不同模型多方向切片处理实验证明算法的有效性。     

生物3D打印技术的新研究进展

离体构建生物组织和器官一直以来都是医学界和工程界共同面临的重要难题.由于三维组织结构成型复杂、微环境控制难度大、商业应用下的生产效率和可重复性等因素限制,传统制造方法很难实现生物组织和器官的有效构建.医学模型和生物相容性支架打印技术已发展较为成熟,但相对固定的加工工艺限制了其在活性生物材料打印领域的拓展;4D生物打印技术的概念提出较晚,重点在于产品的可编程性变形,但有关响应性材料的研究仍然较少.采用生物活性物质和生物兼容性材料作为打印墨水的生物3D打印技术,在复杂内部型腔和外部结构的构建方面优势凸显,可以实现器官组织的个性化定制,并高效生成三维活性构建体,在组织工程中的应用潜力巨大.着眼于生物3D打印中关键技术的发展态势,重点分析面向不同器官组织和功能性支架的生物3D打印机理及应用现状,并探讨其在发展过程中需要面临的挑战和仍需注重解决的问题,希望能为后续生物3D打印技术研究工作的大规模推进提供参考.     

基于OpenSceneGraph的3D打印切片软件的设计

现有的3D打印的切片软件大多是基于STL文件格式进行设计的,对于其他的三维模型文件的兼容性较差。针对以上现状,设计了基于OpenSceneGraph(OSG)三维渲染引擎的3D打印切片软件。该软件利用OSG实现人机交互界面的设计、三维模型的读入、分层处理算法研究、等距偏置路径规划算法设计等,能够处理多种三维模型文件并生成打印代码。随后搭建3D打印实验平台并根据该软件生成的G代码进行打印实验,结果表明该软件生成的G代码满足打印要求。     

六轴3D打印机工作角度补偿算法研究

为了实现机械臂与3D打印机工作坐标系的统一,研究了多角度打印时的角度调整补偿方法,及机械臂末端打印喷头的位置标定方法.通过对软、硬件的开发,制作出了六轴3D打印机模型实物,验证了多角度打印的可行性.     

连续碳纤维复合材料3D打印的成型工艺研究

连续碳纤维复合材料3D打印的成型质量与成型性能受到三维成型过程中温度、速度、层高等多工艺条件及复合材料本身、打印喷头等多物理参数的影响,合理工艺参数的选择是高质量碳纤维三维成型的保证。针对碳纤维长纤复合材料连续性与各向异性的特点,研究了连续碳纤维3D打印的系统构成与工艺模型,分析了三维成型过程中不同工艺参数与成型结果间的影响关系,通过3D打印实验验证理论分析的正确性。研究为连续碳纤维复合材料3D打印合理工艺条件的选择提供了依据。     

碳纤维长纤3D打印的连续性路径规划算法

碳纤维长纤复合材料3D打印过程中,由于纤维连续性的特点,需要对其成型路径进行合理规划,减少断点跳转。传统三维模型切片处理的方式是顺序往返直线填充,所生成路径的跳转点较多,不适合连续性纤维3D打印。针对问题,提出方向可调的"Z"字填充算法,采用填充角度动态可调的平行线扫描填充方式,并将相关联交线按照奇偶原则连接,减少跳转,实现路径连续最大化。不同形状三维模型切片处理实验表明新算法能够减少3D打印路径跳转率60%以上,满足长纤维3D打印连续性的要求,为碳纤维长纤3D打印的应用奠定了基础。     

基于STM32的大行程FDM3D打印机控制器设计

针对目前市场上流行的通用FDM 3D打印机打印精度差、行程短等问题,分析了影响其最终成型精度的因素,并针对材料热胀冷缩效应、打印喷头吐丝宽度以及机械结构运动特性对打印件最终成型精度的影响,在现有3D打印机控制器的基础上增加了空气加热器、多路温度检测接口及双步进电动机加编码器的闭环同步双驱动功能,设计了一套功能更为完善的基于STM32的大行程FDM 3D打印机控制器。经编程调试验证,控制器工作稳定可靠,散热特性良好,能满足通用大行程3D打印机的基本要求。