基于挤出沉积技术的多喷头打印机研制(2) -中国组织工程研究杂志社投稿

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基于挤出沉积技术的多喷头打印机研制(2)

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超低温沉积工作台结构如图2所示。

图2 沉积工作台结构示意图

当冷却液温度降到设定温度,超低温状态的冷却液沿进口方向流入沉积工作台,沿水槽进行循环流动带走沉积工作台热量,再从出口流出进外循环机被重新制冷,完成循环冷却,实现沉积工作台超低温状态。材料从喷头中被挤出至沉积工作台上时,超低温状态使打印材料瞬间被冷冻成型,保持三维结构形貌,防止出现变形、坍塌、融化等缺陷[10]。

2.3 喷头切换结构设计

在打印机Z轴主运动之外,笔者对每一个喷头再搭配一个运动系统来控制喷头在Z轴方向上运动,实现Z轴自由运动。常见的丝杆装置包含梯形丝杆和滚珠丝杆。梯形丝杆加工简单、成本低,但丝杆螺母与丝杆之间配合间隙大,会导致重复定位精度不高;滚珠丝杆采用研磨工艺对丝杆进行精密加工,丝杆螺母内部装有滚珠,与丝杆之间发生滚动,可极大程度上减小间隙误差,提高重复定位精度,满足打印精度要求。

为减少切换结构数量,本研究重新设计并采用了一种双向滚珠丝杆,其结构如图3所示。

图3 双向滚珠丝杆结构图

双向滚珠丝杆上下螺纹旋向相反,中间一小段采用光滑过渡,隔开上下螺纹,每段螺纹搭配一个丝杆螺母进行配套传动。丝杆两端采用轴承座固定在打印机上,其中一端通过联轴器与步进电机输出轴相连。步进电机通电产生旋转,带动双向滚珠丝杆进行旋转,此时上、下两部分安装的丝杆螺母则在相反或相向方向(根据实际安装情况)进行直线运动,这样便将沿丝杆轴线方向上的两个直线运动通过一个双向滚珠丝杆结构来实现。每个打印喷头与双向滚珠丝杆的上、下螺母其中一个通过连接件进行固定连接,便可实现打印喷头Z轴自由运动。双向丝杆定位精度达0.018 mm,满足打印精度要求。

2.4 控制系统设计

本研究控制系统由PC端控制软件和底层MPC08运动控制卡组成。PC端控制软件为本实验室自主开发设计软件,包含模型编辑、切片处理、手动调试以及自动打印4个部分。模型编辑可对导入三维模型进行伸缩变换以及旋转等操作,让使用者对打印模型进行可视化修改;切片处理主要对三维模型进行切片,将三维模型转换成二维结构,生成打印路径文件,同时还具有路径文件导入功能;手动调试主要完成三维平台手动运动控制,进行坐标原点和加工原点的设置;自动打印主要进行打印参数设置,包括XYZ三轴运动速度、喷头切换速度、多喷头相对位置参数、气压保压时间等参数设置。MPC08运动控制卡与PC端构成主从式控制结构,根据PC端传输来的控制信息,包括脉冲信号、方向信号、电磁阀启停信号,控制电机的运转和电磁阀的开闭,完成运动控制和气体通断控制。另外,还可以接收硬件系统中的反馈信息,包括原点信号、限位信号、减速信号等,处理之后传输给PC端,实现回原点、保护等功能。

3 测试及结果分析

3.1 喷头温控测试

测试设定温度低于室温时进行制冷功能测试,高于室温时进行加热功能测试。温度到达设定温度后,记录温度控制器温度示数变化范围,每个测试设定温度重复测量3次,取温度变化范围最大值为温度正负误差值。通过测试,本研究设计的冷热一体喷头可实现温度控温范围为8 ℃～60 ℃,制冷功能误差不超过2 ℃,加热功能误差不超过1.5 ℃。

3.2 多喷头打印测试及结果分析

3.2.1 多喷头打印过程

本研究采用双向滚珠丝杆装置作为多喷头生物3D打印机的喷头切换结构,在打印过程中通过对打印喷头的调用切换,将多喷头打印过程转化成单喷头的多次组合打印,有效防止了打印喷头与三维模型之间发生干涉碰撞的可能性,实现了多喷头打印。喷头从左至右依次为:第一喷头、第二喷头、第三喷头、第四喷头。

多喷头打印过程如图4所示。

图4 多喷头打印过程示意图

图4中,初始时刻,两个5 mL打印喷头和两个10 mL打印喷头通过打印机Z轴主运动运行到初始位置;控制软件接收到路径文件,第一喷头被调用,步进电机通电转动,带动双向滚珠丝杆进行旋转,两个丝杆螺母分别往相反或相向方向(根据实际安装情况)沿Z轴进行直线运动,带动相对应的打印喷头进行Z轴切换,直至第一喷头下降到设定高度,第二喷头由于双向滚珠丝杆运动副的相对作用向上位移同等距离,此时第一喷头处于4个喷头Z轴方向最低位置,与其他喷头形成高度差,进行三维模型打印工作;当第一喷头完成打印,第二喷头被调用,步进电机反向旋转,带动双向滚珠丝杆反向旋转,丝杆螺母与第一次运动方向相反方向运动,直至第二喷头下降到设定高度,第一喷头向上位移同等距离,此时第二喷头处于4个喷头最低位置,与其他喷头形成高度差,进行三维模型打印工作;每一个喷头都被通过同样控制方式进行调用;直至全部三维模型打印完毕,所有喷头恢复到初始状态;该切换结构保证每次被调用的打印喷头均处于4个喷头最低位置,已完成部分三维模型与未被调用喷头有相应的高度差,保证不会有干涉碰撞产生,实现多喷头打印。

文章来源：《中国组织工程研究》网址: http://www.zgzzgcyj.cn/qikandaodu/2021/0611/1639.html