浙江大學(xué)尹俊等 | 雙級(jí)溫控熔融沉積（FDM）打印的數(shù)值模擬和可打印性分析

來源：生物設(shè)計(jì)與制造BDM

本研究論文聚焦于雙級(jí)溫控熔融沉積打印的數(shù)值模擬和可打印性分析。理想的組織工程支架應(yīng)具有相互連接的孔結(jié)構(gòu)和高孔隙率以確保細(xì)胞的滲透、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的充分?jǐn)U散以及代謝廢物的排出。支架的孔隙必須足夠大以允許細(xì)胞遷移到結(jié)構(gòu)中；同時(shí)，孔隙又必須足夠小以獲得盡可能大的比表面積，促進(jìn)細(xì)胞與支架之間的粘附。因此精確調(diào)控支架孔隙率及孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)于制備理想的組織工程支架具有重要的意義。傳統(tǒng)的FDM打印的聚己內(nèi)酯（PCL）支架的絲徑一般在200 μm以上，比細(xì)胞尺寸（10 μm）要大得多。因此，如何提高分辨率和形狀保真度是制備組織工程支架過程中亟待解決的難題。

鑒于此，浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院尹俊研究員和美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)機(jī)械與航空航天工程系Yong Huang教授提出了一種雙級(jí)溫控工藝，通過在料筒處施加較高的加熱溫度提高熔體流動(dòng)性，同時(shí)在針頭處施加較低的溫度提高擠出材料的成形性，從而制備高精度（約50 μm）和高形狀保真度的支架結(jié)構(gòu)，極大地拓展了熔融沉積打印在組織工程中的應(yīng)用前景。相關(guān)成果以“Numerical simulation and printability analysis of fused deposition modeling with dual-temperature control”為題發(fā)表于Bio-Design and Manufacturing上，浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院霍小丹博士生與張斌研究員為共同第一作者，浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院流體動(dòng)力基礎(chǔ)件與機(jī)電系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一單位。

雙級(jí)溫控FDM工藝
傳統(tǒng)的單級(jí)溫控FDM中只加熱料筒，待熔體溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度后再進(jìn)行擠出打印。由于熔體在流動(dòng)到針頭處時(shí)會(huì)存在一個(gè)降溫的過程，因此針頭處的溫度會(huì)低于預(yù)設(shè)溫度。當(dāng)針頭處溫度太低，會(huì)造成擠出不順暢甚至噴頭堵塞等問題；當(dāng)針頭處溫度太高，會(huì)造成成形精度低等問題。為保持理想的熔體粘度，本研究提出雙級(jí)溫控FMD工藝。通過同時(shí)在料筒和針頭加熱的方式，既保證了材料的流動(dòng)性也改善了纖維沉積的精度（圖1）。由于PCL的粘度由打印溫度以及擠出過程中的剪切速率兩個(gè)變量共同決定，本研究根據(jù)Cross-WLF 模型，確立了 PCL 的本構(gòu)模型，可以很好地描述熔體在打印過程中粘度的變化，從而研究單級(jí)溫控和雙級(jí)溫控這兩種溫度控制方式對(duì)熔體粘度的影響。

圖1 雙級(jí)溫控FDM工藝

可打印性評(píng)價(jià)及機(jī)理探究
本研究通過單絲打印、拐角填充測(cè)試、纖維融合和纖維坍塌等實(shí)驗(yàn)定量分析了雙級(jí)溫控和單級(jí)溫控下PCL的可打印性（圖2），結(jié)合數(shù)值模擬揭示了兩種溫控方式下不同可打印性的物理機(jī)理（圖3）。研究團(tuán)隊(duì)提出的雙級(jí)溫控工藝，能獲得更小的絲徑；同時(shí)，在進(jìn)行的各種可打印性探究實(shí)驗(yàn)中，雙級(jí)溫控FDM出口處溫度、粘度、速度和剪切速率等物理量分布更均勻，形成支架形狀保真度更高，表現(xiàn)出更好的打印性和成形性。

圖2 可打印性評(píng)價(jià)。(a) 單絲打印實(shí)驗(yàn)，比例尺=100 μm；(b) 截面形貌，比例尺=100 μm；(c) 拐角填充實(shí)驗(yàn)，比例尺=200 μm；(d) 纖維融合測(cè)試，比例尺=300 μm；(e) 纖維坍塌測(cè)試，比例尺=600 μm

圖3 可打印性機(jī)理。(a) 出口處物理量分布：(a1) 溫度，(a2) 粘度，(a3) z方向速度，(a4) 剪切速率；(b) 拐角填充實(shí)驗(yàn)中速度分布：(b1) 當(dāng)t = 1 s時(shí)，x方向的速度，(b2) 當(dāng)t = 2.8 s時(shí)，y方向的速度；(c) 纖維融合示意圖；(d) 當(dāng)t =3 s和t =3.5 s時(shí)的粘度分布

雙級(jí)溫控FDM打印結(jié)構(gòu)
本研究利用雙級(jí)溫控工藝成功打印了包括鋸齒線、折線和方孔在內(nèi)的典型的三維結(jié)構(gòu)和不規(guī)則的復(fù)雜模型（圖4），為FDM在組織工程中的應(yīng)用提供了可靠依據(jù)。

圖4 雙級(jí)溫控FDM打印的三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)

小結(jié)
利用熱塑性材料的粘溫特性，本研究提出了一種雙級(jí)溫控工藝，提高了FDM的分辨率和形狀保真度，為精確打印三維空間排列結(jié)構(gòu)提供了全新的思路和途徑，極大地促進(jìn)了FDM打印在組織工程中的應(yīng)用。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（Grant Nos. 52250006，52075482）和浙江大學(xué)上海高等研究院繁星科學(xué)基金（Grant No. SN-ZJU-SIAS-004）的支持。