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

來源：生物打印與再生工程

墨水直寫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可以將多種傳統(tǒng)的功能生物材料3D結構化或者圖案化。到目前為止，這種方法主要局限于粘彈性墨水通過單個噴頭分層沉積在平面基板上。然而，能夠將多種材料同時繪制在任意地形的基質上，將有利于許多應用，包括結構缺陷修復、傷口修復和組織再生等。為了實現(xiàn)多種材料高通量高保真度地打印，打印噴頭的設計及控制至關重要。最近，科研人員朝著這一目標邁出了重要的一步，包括能夠在平面基板上通過單個或多個噴頭進行兩種或多種粘彈性墨水之間無縫切換的打印頭，以及能夠在非平面基底上通過單個噴頭形成單一粘彈性墨水圖案的自適應打印頭。然而，保形3D打印和多種材料多重噴頭打印頭的集成還沒有成功。

近日，哈佛大學Lewis, Jennifer A團隊在Advanced Materials Technologies期刊發(fā)表題為“Multimaterial Multinozzle Adaptive 3D Printing of Soft Materials”的文章，報道了一種多材料、多噴頭自適應3D打�。∕MA-3DP）方法，可以在任意3D表面上快速繪制粘彈性墨水的圖案。

相關論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1002/admt.202101710

實驗結果及討論

MMA-3DP方法包括四個步驟（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個數(shù)據(jù)點的陣列。接下來，從生成的點云推斷基板形貌，然后為打印頭陣列的每個噴頭計算單獨的打印路徑。最后，這些軌跡被用于引導打印頭，它可以在復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）。每組八個噴頭由墨水容器通過3D打印歧管提供，這些歧管連接到柔性管以適應z方向上的噴頭位移（圖1B和圖S1C）。每個由彈簧加載的噴頭都連接到齒輪步進電機，將旋轉運動轉換為噴頭沿z方向的線性位移，總振幅為Δh = 25mm（圖1C）。這種設計的靈感來自腕管中肌腱的放置，它將力量從前臂肌肉傳遞到多個指骨。具體而言，通過將制動器從打印頭移開，實現(xiàn)了MMA打印頭內多個噴頭的緊湊布置。這種多噴頭陣列的動態(tài)和協(xié)調運動使MMA打印頭能夠采用符合底層表面形貌的復雜配置，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，該團隊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地打印到具有隨機生成形貌的3D打印基板上。觀察到的剪切稀化行為在相關剪切速率10–50s-1下產生≈ 3–5Pa·s的表觀粘度促進其在打印過程中的流動，而其≈ 20kPa的平臺儲能模量允許圖案化的墨絲在離開每個噴頭時保持其圓柱形形狀（圖1E）。使用這種自適應噴嘴陣列共同打印多個墨絲，其中每個噴頭通過在z方向上獨立地上下移動它們的高度來符合基板形貌，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3D打�。∕MA-3DP）平臺。A）用于自適應3D打印的4步工作流程示意圖。B）自適應多噴頭系統(tǒng)的CAD表示。C）噴頭驅動裝置的CAD圖。D）演示對三種基底模型的多重輪廓適應性：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表征。左：表觀粘度隨剪切速率的函數(shù)關系。右：存儲（G`實心圓）和損耗（G``空心圓）模量作為剪應力的函數(shù)。F）模型三嵌段共聚物墨水（染成紅色和藍色）在具有隨機生成地形的復雜基底表面上的保形打印的光學圖像。G、H）單墨層保形打印后的基底光學圖像。（比例尺：10mm）。

接下來，該團隊通過改變打印參數(shù)和噴頭設計來量化不同打印模式對圖案保真度的影響。首先，使用≈ 275kPa的最佳壓力結合MMA打印頭在具有正弦形貌的基板上平移時將每個噴頭保持在1.8mm的高度，產生離散的墨絲（圖2A）。然后將壓力和噴頭高度分別提高到≈ 300kPa和2.25mm時，相鄰的細絲在這個波浪形基板的頂部形成一個連續(xù)的層（圖2B）。同時由于這種模型墨水的粘彈性，可以逐層打印多層（圖2C，D）。16個噴頭中的每一個都在打印方向上具有相同的速度分量，基板形貌的變化會導致整個多噴頭陣列上的噴頭尖端速度不均勻，這在沒有單獨流量控制的情況下會導致沉積的細絲橫截面積的變化。同樣，在傾斜的表面上沉積時，由于x方向上每個噴頭之間的固定間距，會產生不同的絲間距。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”，其中噴頭陣列在整體恒定高度上前進，同時與水平面形成滾動角φ，以及兩種“純俯仰”模式（向上和向下），其中噴頭水平對齊并沿平面向上或向下移動，與下面的水平參考平面形成俯仰角θ（圖2E）。該團隊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與基于幾何和質量守恒考慮的理論預測非常一致，定義如下：

a=cos(θ)                      (1)

d =d0/cos(φ)                (2)

正如預期的那樣，在純滾動模式下，細絲的橫截面積與φ無關。在純俯仰模式下，相對于θ的細絲間距也是如此。鑒于z方向上噴頭位移的高精度，絲間距和橫截面積的實驗值與理論預測的變化，主要歸因于單個噴頭的輕微橫向游隙以及管道和歧管系統(tǒng)內流動阻力的微小差異。對于橫滾、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，細絲間距的平均差異分別不超過1%、1.2%和1.3%。根據(jù)等式（1和2），17.75°的側傾角和18.20°的俯仰角將導致d和a分別變化5%。定性地，滾動印刷模式引入了細絲橫截面的輕微歪斜，其幅度與卷角φ本身相同（圖2Hii）。向上俯仰模式使細絲形狀保持相對不變，盡管直徑減小了（圖2Hiii），而向下俯仰模式傾向于導致噴頭在細絲的頂部表面上留下一個凹坑，以獲得較大的θ值（圖2Hiv）。為了糾正在較大的俯仰角值下細絲變薄的問題，該團隊MMA打印頭的未來迭代將包含對墨水體積流量的單獨控制。此外，噴頭驅動機構和供墨系統(tǒng)都將小型化，以提高圖案分辨率。

圖2 多材料多噴頭技術自適應3D打印（MMA-3DP）的不同墨水沉積和打印模式。A,B）通過在具有正弦變化形貌的基材上對三嵌段共聚物油墨（染成藍色和紅色）進行自適應3D打印觀察到的圖案特征的油墨沉積模式和相應光學圖像（邊緣視圖）的示意圖。C、D）（B）中下圖所示的10層物體的光學圖像（側視圖）。E）使用的三種打印模式的示意圖。F）印刷油墨細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)建的細絲對的代表性橫截面輪廓（從明場照片中提�。�。（比例尺：B為10mm，H為1mm）。

為了集成停止和啟動功能，該團隊將兩個帶有電磁閥的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個獨立墨水容器中的加壓空氣供應（圖3A）。目標體素化設計以二進制圖像的形式輸入，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，需要單獨校正每個噴頭的軌跡，并協(xié)調墨水沉積的時間，以便在打印給定的細絲之前距離δd處，每個噴頭在開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，該團隊還在每個打印的細絲末端實現(xiàn)了噴頭高度的輕微下降，以確保正確的細絲終止�？傊�，對噴頭軌跡的這些修改導致更高的圖案保真度（圖3D，（C）模式）。為了展示單獨控制（開/關）來自MMA打印頭內每個噴頭的墨水流量的能力，將帶有字母“H”的波峰符號的二進制圖像處理成16個細絲的三個打印路徑，從而形成一個打印區(qū)域120×140mm2（圖3E、F）。該符號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地沉積墨水細絲（圖3I，J）。

圖3 具有開/關墨水流的多材料多噴頭自適應3D打印（MMA-3DP)。A）帶有16個電磁閥的集成陣列的多噴頭打印頭的實驗裝置，用于控制（開/關）即時墨水分配。B）能夠將任意圖案圖案化到具有復雜拓撲結構的基板上的框架圖示。C）示意圖描述了MMA-3DP用于提高打印質量和增加打印保真度的策略。D）在沒有軌跡校正（無校正或“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說明瓣膜增強型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避障的過程。（比例尺：D為10mm，H為20mm，J為10mm）。

總結與展望

綜上，該團隊開發(fā)了一種多材料多噴頭自適應3D打印平臺，用于將粘彈性墨水快速圖案化到任意3D表面上。該平臺為控制二維和三維軟材料的組成和結構開辟了新途徑。在未來的具體實施方案中，該團隊設想結合有助于核殼打印或主動混合的噴頭設計，以進一步提高這些增材制造結構的復雜性。

參考文獻

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.