極坐標(biāo)線投影光固化連續(xù) 3D 打印：實現(xiàn)管狀結(jié)構(gòu)高效精準(zhǔn)制造

來源：EFL生物3D打印與生物制造

在制造領(lǐng)域，管狀結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛，像生物醫(yī)學(xué)中的管狀移植物、航空航天的燃料管等。但傳統(tǒng)制造方法在生產(chǎn)特定管狀結(jié)構(gòu)時困難重重。制造精細(xì)特征的管狀移植物時，聚合物材料易因受熱或機(jī)械應(yīng)力變形；制造多材料管狀結(jié)構(gòu)，如血管，需要復(fù)雜的微流控技術(shù)；且血管壁薄，制造難度極大。3D打印技術(shù)雖為管狀結(jié)構(gòu)制造帶來新契機(jī)，但現(xiàn)有技術(shù)仍存在諸多不足。例如，傳統(tǒng)擠出式打印對細(xì)胞剪切應(yīng)力大，影響細(xì)胞活性；數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)打印長管狀物體精度欠佳，打印徑向多材料結(jié)構(gòu)時切換樹脂耗時耗成本；旋轉(zhuǎn)擠出打印分辨率低，難以滿足微尺度血管制造需求。  

在此背景下，來自北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院的樊瑜波教授/李介博副教授團(tuán)隊聯(lián)合校內(nèi)外機(jī)械、材料等課題組展開合作研究。他們開發(fā)了一種基于旋轉(zhuǎn)芯軸的DLP打印裝置——極坐標(biāo)線投影光固化成型（PLLP）技術(shù)。該技術(shù)通過極坐標(biāo)線投影和旋轉(zhuǎn)芯軸同步運動，實現(xiàn)連續(xù)打印，還建立了切片算法和樹脂切換系統(tǒng)，用于打印徑向多材料管狀結(jié)構(gòu)。相關(guān)工作以“Polar - coordinate line - projection light - curing continuous 3D printing for tubular structures”為題發(fā)表在《International Journal of Extreme Manufacturing》上，為管狀結(jié)構(gòu)的制造提供了高效、高精度的新方案。北京航空航天大學(xué)北京生物醫(yī)學(xué)工程高精尖創(chuàng)新中心、生物力學(xué)與力生物學(xué)教育部重點實驗室、生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院是第一單位，樊瑜波教授，李介博副教授以及材料科學(xué)與工程學(xué)院的王志堅教授、機(jī)械工程及自動化學(xué)院的燕鑫副教授，和北京大學(xué)口腔醫(yī)院的韓建民主任是論文的通訊作者。

研究內(nèi)容
1. PLLP系統(tǒng)示意圖，通過搭建PLLP實驗裝置，研究其打印過程和原理，以及相關(guān)參數(shù)對打印效果的影響。結(jié)果表明，該裝置能實現(xiàn)連續(xù)打印，通過控制光固化時間、狹縫寬度等參數(shù)，可精準(zhǔn)控制打印精度和層厚，最小可控層厚為50μm，θ方向打印精度可達(dá)10μm，且打印的管狀結(jié)構(gòu)表面更光滑。

圖1. PLLP系統(tǒng)示意圖。  

2. PLLP的狹縫分辨率，運用Zemax軟件模擬投影通過狹縫后的光場分布，并進(jìn)行實際打印實驗，對比不同狹縫寬度下打印的管狀結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，狹縫寬度決定θ方向打印精度，10μm狹縫能實現(xiàn)更高精度打??；與商業(yè)DLP打印相比，PLLP在打印相同尺寸管狀結(jié)構(gòu)時，表面更光滑，波動更小。

圖2. PLLP的狹縫分辨率。  

3. PLLP與商業(yè)DLP完美圓形打印對比，建立數(shù)值模型模擬兩種打印方法的應(yīng)力分布，并進(jìn)行機(jī)械壓縮力測試實驗，研究PLLP和商業(yè)DLP打印的管狀結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能差異。結(jié)果表明，PLLP打印的管狀結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布更均勻，抗壓強度更高，在相同壓縮距離下，其抗壓強度約為商業(yè)DLP打印管的1.4 - 2倍，且能打印更薄壁的管狀結(jié)構(gòu)，保持良好的柔韌性。

圖3. PLLP與商業(yè)DLP完美圓形打印對比。  

4. 多材料夾芯管結(jié)構(gòu)的壓力測試，設(shè)計并打印不同材料組合的夾芯管結(jié)構(gòu)，進(jìn)行壓力測試實驗和模擬壓縮實驗，研究多材料打印對管狀結(jié)構(gòu)性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，多材料組合能發(fā)揮不同材料優(yōu)勢，提高結(jié)構(gòu)的抗壓強度和韌性，如T1 + 2結(jié)構(gòu)在抗壓性能上優(yōu)于單一材料結(jié)構(gòu)，變形和應(yīng)力分布更合理。

圖4. 多材料夾芯管結(jié)構(gòu)的壓力測試。  

5. PLLP的附著打印演示和打印速度表征，通過在不同條件下進(jìn)行打印實驗，對比PLLP與其他3D打印技術(shù)，研究PLLP的打印速度和適用結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，PLLP在打印薄壁、細(xì)長管狀結(jié)構(gòu)時速度優(yōu)勢明顯，如打印特定尺寸的單層管狀移植物可在100s內(nèi)完成，且其打印速度和分辨率與其他技術(shù)相比在特定條件下具有競爭力。

圖5. PLLP的附著打印演示和打印速度表征。  

6. PLLP的多材料打印演示，進(jìn)行多種多材料打印實驗，測試不同結(jié)構(gòu)的壓縮性能，研究PLLP在多材料打印方面的能力和優(yōu)勢。結(jié)果顯示，PLLP可實現(xiàn)單/多層多材料打印，通過不同材料組合能調(diào)整結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能，如“肉 + 骨骼”結(jié)構(gòu)兼具高彈性和高強度，在人工血管等領(lǐng)域有應(yīng)用潛力。

圖6. PLLP的多材料打印演示。

研究結(jié)論
本研究提出了一種名為PLLP的新型連續(xù)3D打印技術(shù)，該技術(shù)基于線投影原理。PLLP的旋轉(zhuǎn)打印特性使得每次固化后，旋轉(zhuǎn)的芯軸能自動將固化部分從UV透明窗口移開，實現(xiàn)自動連續(xù)打印，避免了復(fù)雜技術(shù)儀器的使用，也不存在UV透明窗口上方無法固化的區(qū)域。在PLLP系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)芯軸為打印提供支撐，使得打印單分辨率壁厚的管材成為可能。研究成功打印出直徑6mm、壁厚50μm、高6mm的管材，且極坐標(biāo)θ方向的分辨率可達(dá)10μm。此外，PLLP能實現(xiàn)不同材料的無縫替換打印，無需額外支撐即可成型。值得一提的是，利用該技術(shù)打印高度2.5cm、內(nèi)半徑1.5mm的管狀移植物僅需100s。這些優(yōu)勢使PLLP有望減少部分生物可降解管狀移植物、牙科產(chǎn)品和航空航天應(yīng)用的制造時間和成本。

文章來源：
https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad3c7f