Advanced Materials Technologies：软材料的多材料多喷头自适应3D打印

来源：生物打印与再生工程

墨水直写3D打印是一种基于挤出的3D打印方法，科研人员利用该技术可以将多种传统的功能生物材料3D结构化或者图案化。到目前为止，这种方法主要局限于粘弹性墨水通过单个喷头分层沉积在平面基板上。然而，能够将多种材料同时绘制在任意地形的基质上，将有利于许多应用，包括结构缺陷修复、伤口修复和组织再生等。为了实现多种材料高通量高保真度地打印，打印喷头的设计及控制至关重要。最近，科研人员朝着这一目标迈出了重要的一步，包括能够在平面基板上通过单个或多个喷头进行两种或多种粘弹性墨水之间无缝切换的打印头，以及能够在非平面基底上通过单个喷头形成单一粘弹性墨水图案的自适应打印头。然而，保形3D打印和多种材料多重喷头打印头的集成还没有成功。

近日，哈佛大学Lewis, Jennifer A团队在Advanced Materials Technologies期刊发表题为“Multimaterial Multinozzle Adaptive 3D Printing of Soft Materials”的文章，报道了一种多材料、多喷头自适应3D打印（MMA-3DP）方法，可以在任意3D表面上快速绘制粘弹性墨水的图案。

相关论文链接：https://dx.doi.org/10.1002/admt.202101710

实验结果及讨论

MMA-3DP方法包括四个步骤（图1A）：首先，线轮廓仪扫描感兴趣的区域并在y方向（打印方向）上定期间隔收集800个数据点的阵列。接下来，从生成的点云推断基板形貌，然后为打印头阵列的每个喷头计算单独的打印路径。最后，这些轨迹被用于引导打印头，它可以在复杂的基版形貌上保形地图案化墨丝。多喷头打印头包含16个喷头，间隔2.5mm，并以交叉指状方式定位（图1B和图S1A，B）。每组八个喷头由墨水容器通过3D打印歧管提供，这些歧管连接到柔性管以适应z方向上的喷头位移（图1B和图S1C）。每个由弹簧加载的喷头都连接到齿轮步进电机，将旋转运动转换为喷头沿z方向的线性位移，总振幅为Δh = 25mm（图1C）。这种设计的灵感来自腕管中肌腱的放置，它将力量从前臂肌肉传递到多个指骨。具体而言，通过将制动器从打印头移开，实现了MMA打印头内多个喷头的紧凑布置。这种多喷头阵列的动态和协调运动使MMA打印头能够采用符合底层表面形貌的复杂配置，如在具有平面、正弦曲线或三角形几何形状的虚拟基板上所示（图1D）。使用这种技术，该团队将由水基三嵌段共聚物凝胶组成的模型粘弹性墨水自适应地打印到具有随机生成形貌的3D打印基板上。观察到的剪切稀化行为在相关剪切速率10–50s-1下产生≈ 3–5Pa·s的表观粘度促进其在打印过程中的流动，而其≈ 20kPa的平台储能模量允许图案化的墨丝在离开每个喷头时保持其圆柱形形状（图1E）。使用这种自适应喷嘴阵列共同打印多个墨丝，其中每个喷头通过在z方向上独立地上下移动它们的高度来符合基板形貌，而MMA打印头在y方向上以5mm·s-1的速度平移（图1F），从而保证了较高的图案保真度（图1G，H）。

片

图1 多材料多喷头自适应3D打印（MMA-3DP）平台。A）用于自适应3D打印的4步工作流程示意图。B）自适应多喷头系统的CAD表示。C）喷头驱动装置的CAD图。D）演示对三种基底模型的多重轮廓适应性：平面（上）、正弦（中）、三角形（下）。E）模型三嵌段共聚物墨水的流变学表征。左：表观粘度随剪切速率的函数关系。右：存储（G`实心圆）和损耗（G``空心圆）模量作为剪应力的函数。F）模型三嵌段共聚物墨水（染成红色和蓝色）在具有随机生成地形的复杂基底表面上的保形打印的光学图像。G、H）单墨层保形打印后的基底光学图像。（比例尺：10mm）。

接下来，该团队通过改变打印参数和喷头设计来量化不同打印模式对图案保真度的影响。首先，使用≈ 275kPa的最佳压力结合MMA打印头在具有正弦形貌的基板上平移时将每个喷头保持在1.8mm的高度，产生离散的墨丝（图2A）。然后将压力和喷头高度分别提高到≈ 300kPa和2.25mm时，相邻的细丝在这个波浪形基板的顶部形成一个连续的层（图2B）。同时由于这种模型墨水的粘弹性，可以逐层打印多层（图2C，D）。16个喷头中的每一个都在打印方向上具有相同的速度分量，基板形貌的变化会导致整个多喷头阵列上的喷头尖端速度不均匀，这在没有单独流量控制的情况下会导致沉积的细丝横截面积的变化。同样，在倾斜的表面上沉积时，由于x方向上每个喷头之间的固定间距，会产生不同的丝间距。为了量化这些偏差，墨丝根据三种基本操作模式沉积：“纯滚动”，其中喷头阵列在整体恒定高度上前进，同时与水平面形成滚动角φ，以及两种“纯俯仰”模式（向上和向下），其中喷头水平对齐并沿平面向上或向下移动，与下面的水平参考平面形成俯仰角θ（图2E）。该团队观察到在所有条件下（图2F-H）归一化横截面积a和丝间距离d与基于几何和质量守恒考虑的理论预测非常一致，定义如下：

a=cos(θ)                      (1)

d =d0/cos(φ)                (2)

正如预期的那样，在纯滚动模式下，细丝的横截面积与φ无关。在纯俯仰模式下，相对于θ的细丝间距也是如此。鉴于z方向上喷头位移的高精度，丝间距和横截面积的实验值与理论预测的变化，主要归因于单个喷头的轻微横向游隙以及管道和歧管系统内流动阻力的微小差异。对于横滚、向上俯仰和向下俯仰模式，横截面积值与模型的平均差异分别小于5.2%、7.7%和7.2%。同样，细丝间距的平均差异分别不超过1%、1.2%和1.3%。根据等式（1和2），17.75°的侧倾角和18.20°的俯仰角将导致d和a分别变化5%。定性地，滚动印刷模式引入了细丝横截面的轻微歪斜，其幅度与卷角φ本身相同（图2Hii）。向上俯仰模式使细丝形状保持相对不变，尽管直径减小了（图2Hiii），而向下俯仰模式倾向于导致喷头在细丝的顶部表面上留下一个凹坑，以获得较大的θ值（图2Hiv）。为了纠正在较大的俯仰角值下细丝变薄的问题，该团队MMA打印头的未来迭代将包含对墨水体积流量的单独控制。此外，喷头驱动机构和供墨系统都将小型化，以提高图案分辨率。

图2 多材料多喷头技术自适应3D打印（MMA-3DP）的不同墨水沉积和打印模式。A,B）通过在具有正弦变化形貌的基材上对三嵌段共聚物油墨（染成蓝色和红色）进行自适应3D打印观察到的图案特征的油墨沉积模式和相应光学图像（边缘视图）的示意图。C、D）（B）中下图所示的10层物体的光学图像（侧视图）。E）使用的三种打印模式的示意图。F）印刷油墨细丝的归一化横截面积a作为基材倾斜角的函数。G）丝间距离d作为基板倾斜角的函数。H）使用不同打印模式创建的细丝对的代表性横截面轮廓（从明场照片中提取）。（比例尺：B为10mm，H为1mm）。

为了集成停止和启动功能，该团队将两个带有电磁阀的8通空气歧管集成到他们的多喷头打印头中，以分别控制16个独立墨水容器中的加压空气供应（图3A）。目标体素化设计以二进制图像的形式输入，并离散为相距2.5mm（或叉指打印模式下为1.25mm）的线阵列（图3B）。为了提高打印保真度，需要单独校正每个喷头的轨迹，并协调墨水沉积的时间，以便在打印给定的细丝之前距离δd处，每个喷头在开始向下平移之前悬停在表面上方的“安全”距离δh处。（图3C，“校正”（C）模式）。δh和δd的值范围分别在3和5毫米以及1和3毫米之间，具体取决于油墨的流变性和印刷参数，即喷头尺寸、印刷速度和使用的压力。在将喷头向上平移之前，该团队还在每个打印的细丝末端实现了喷头高度的轻微下降，以确保正确的细丝终止。总之，对喷头轨迹的这些修改导致更高的图案保真度（图3D，（C）模式）。为了展示单独控制（开/关）来自MMA打印头内每个喷头的墨水流量的能力，将带有字母“H”的波峰符号的二进制图像处理成16个细丝的三个打印路径，从而形成一个打印区域120×140mm2（图3E、F）。该符号使用上述模型三嵌段共聚物墨水（图3G）以2mm·s-1的打印速度和386.1kPa的压力打印，从而在正弦基板上忠实再现（图3H）。然后，他们将该模型墨水的平坦层沉积在包含沿打印路径放置的障碍物的基板上，以表明这个方法即使在基板表面存在不规则性的情况下也能够忠实地沉积墨水细丝（图3I，J）。

图3 具有开/关墨水流的多材料多喷头自适应3D打印（MMA-3DP)。A）带有16个电磁阀的集成阵列的多喷头打印头的实验装置，用于控制（开/关）即时墨水分配。B）能够将任意图案图案化到具有复杂拓扑结构的基板上的框架图示。C）示意图描述了MMA-3DP用于提高打印质量和增加打印保真度的策略。D）在没有轨迹校正（无校正或“NC”，顶部）和校正（“C”，底部）的情况下，Pluronic F-127墨水的打印挤出物之间的比较。E）波峰图案作为模型模板来说明瓣膜增强型MMA-3DP。F）面向表面保形图案的图像离散化和打印路径提取。G，H）显示Pluronic F-127墨水以感兴趣的图案形式沉积在正弦模型基板表面上的过程的照片（如E所示）。I,J）照片展示了使用阀门启用MMA-3DP避障的过程。（比例尺：D为10mm，H为20mm，J为10mm）。

总结与展望

综上，该团队开发了一种多材料多喷头自适应3D打印平台，用于将粘弹性墨水快速图案化到任意3D表面上。该平台为控制二维和三维软材料的组成和结构开辟了新途径。在未来的具体实施方案中，该团队设想结合有助于核壳打印或主动混合的喷头设计，以进一步提高这些增材制造结构的复杂性。

参考文献

Uzel, SGM (Uzel, Sebastien G. M.); Weeks, RD (Weeks, Robert D.); Eriksson, M (Eriksson, Michael); Kokkinis, D (Kokkinis, Dimitri); Lewis, JA (Lewis, Jennifer A.). 2022. ” 3D printingadaptive printheadsconformaldirect ink writingsoft materials. ” Advanced Materials Technologies.