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哈佛Lewis:多材料粘弹性墨水在3D打印头中的控制策略

http://www.printing.hc360.com2018年04月16日16:59 来源:生物3D打印前沿科技作者:王赫然T|T

    这一篇文献是来自生物3D打印界大名鼎鼎的Lewis教授,文章主要提出了一种二合一式的打印头喷嘴,并进行建模分析提出了控制策略。

    先看一眼最终打印了什么:

    

    微信截图_20180416113503.png

    是不是挺酷的!

    在连续地挤出打印中,可以在两种材料中实现切换,而且从图中看出,精度还不错,结构尺寸很小,颜色切换很清晰呢!

    当然,从图片还可以看出,从红色向白色的切换还是不能做到完美,在交界处的粉色还是比较明显的。

    上面这张图里,最右下角的照片写的是strained,意思是在受拉力情况下的照片,你看,两种弹性模量不同的材料,打印的整体结构将产生神奇的效果,下一篇文章呼之欲出了。

    这里还有一段视频,很清晰地展示了材料切换的神奇能力:

    

    640.gif

    怎么做到的呢?

    

    微信截图_20180416113517.png

    加工了一个二合一的流道件,两侧接两个注射泵,两种材料在中心汇合为一,喷嘴有一处独特设计,将原本的直径d2=200um,扩增到了d3=400um,这里的作用是将材料的界面锐化,如下图所示:

    

    微信截图_20180416113522.png

    直径增大为2倍,则截面积增大为4倍,则过渡长度就能减小为1/4,是不是挺聪明的!

    懂行的人可能要问了,这是什么材料,界面这么清晰,看起来应该得挺黏吧!

    是的!这是基于PDMS的材料,粘度在91Pas左右,超粘的!下图中的A和B就是红和黑两种材料。

    

    微信截图_20180416113527.png

    咱们生物3D打印领域,使用的许多水凝胶材料,就是很黏的,有时甚至要将粘度值调高一些使得打印容易一些。

    非常认真地测试了材料的流变性,并得到了非牛顿流体的HB模型参数:

    

    微信截图_20180416113533.png

    然后详细分析了喷嘴内部压力与流速的具体关系,建模方法还挺有趣的,是将材料的粘弹性性质与喷头结构对应了电气学中的电容、电阻,让压力对应于电压,让流量对应于电流,所以下图中看到喷嘴出口处是传说中的“接地”了:

    

    微信截图_20180416113538.png

    不过,经过大量的计算、推导之后,得到了一个简单控制策略,或者说应该是先实验了这个预想的控制策略,再进行的公式推导吧。

    

    微信截图_20180416113546.png

    简单地说,在由红向黑切换时,红色向回吸一个值,同时黑色向下多挤一个值,就这么简单。

    这种打印模式前景广阔,值得业内重视。

    

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