供稿人：嚴峻騰、連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2022-10-18
組織工程在人工器官或組織生物的打印過程中取得了越來越多的成功。其中水凝膠類材料典型的加工制造是基于擠壓的3D打印設(shè)備完成的。而在經(jīng)典3D打印的材料擠壓過程中，打印頭僅沿笛卡爾坐標(biāo)系的x、y軸進行線性運動，并在層過渡處進行z軸調(diào)整(x、y軸平行于鑄造平臺，z軸垂直于鑄造平臺)。因此，使用三軸打印機，物體通常是在平面層上打印的。
德國斯圖加特大學(xué)機床與制造單元控制工程研究所的Frederik.Wulle教授團隊，該團隊開發(fā)了基于磁共振成像的明膠甲基丙烯酰水凝膠在非平面表面的多軸3D打印方法。相關(guān)成果發(fā)表在權(quán)威期刊《Additive Manufacturing》上
該團隊基于目前水凝膠的3D打印僅限于三軸打印機，三軸打印機存在固有的缺點，如優(yōu)化平面打印基材、表面質(zhì)量有限、打印懸垂時需要支撐結(jié)構(gòu)等的前提。開發(fā)了水凝膠的多軸3D打印。首先，對脛骨的MRI掃描數(shù)據(jù)進行處理，得到光滑的骨表面，然后將其送入曲面切片和路徑規(guī)劃算法，生成由曲面打印路徑組成的非平面層，見圖1。打印路徑被新開發(fā)的打印頭轉(zhuǎn)化為基于甲基丙烯酰明膠的3D打印水凝膠，打印頭安裝在一個七軸運動學(xué)裝置上，見圖2，也允許打印后將打印的水凝膠油墨UV固化為固體水凝膠。最后比較了3D打印水凝膠與模壓水凝膠的性能。結(jié)果表明，3D打印水凝膠的硬度較模壓水凝膠低，在水中的溶脹平衡度較高。表明了多軸3D打印技術(shù)在水凝膠加工方面的優(yōu)勢，同時也提出了了三軸和多軸3D打印相關(guān)的交聯(lián)化學(xué)和水凝膠油墨配方等開放性研究問題。
圖1通過偏移切片生成層(左);在+x邊的鑲嵌表面和前11個在-x邊在一個表面截面上生成路徑(右)。
圖2：數(shù)控印刷機的控制架構(gòu)(左);七軸運動學(xué)上的主動過程(右)。