用于软材料的可破解、多功能和模块化的挤压3D打印机

导读：三维打印的出现提高了制造的自由度，可以从各种各样的软性和功能性材料的组合中快速创建任意结构的物体，彻底改变了不同的研究领域，包括食品、组织工程，以及软性电子和机器人技术。在不同的软材料3D打印模式中，基于挤压的打印可以说是使用最广泛，因为它具有广泛的材料兼容性、低材料用量、低浪费和空间控制构造的特性。然而，挤压式3D打印的持续创新需要克服成本障碍和现有商业系统的有限适应性。虽然已目前经报道了几个开源的、定制的挤压式打印机，但可打印的材料和结构仍然受限。



2022年7月，来自剑桥大学的研究者们在《Scientific Reports》上发表了一篇题为《A hackable, multi‑functional, and modular extrusion 3D printer for soft materials》（《适用于软质材料的可破解、多功能、模块化的挤压式3D打印机》）的研究。

研究介绍
为了普及多功能挤压打印技术，研究者门开发了一种用于软材料的多打印头和高度可定制的基于挤压的 3D 打印机的。并将其命名为“Printer.HM”，其中 HM 代表 Hackable 和 Multi-functional。除了传统的计算机辅助设计 (CAD)-G 代码输入之外，Printer.HM 还可以轻松接受不同的几何输入，例如坐标、方程式和图片。

建立一个 Printer.HM 的总成本在900英镑到1900英镑之间（安装时间在 2-4 小时之间，不包括部件的打印时间），这具体取决于所配备的程序的数量。的●Printer.HM 可以与各种液态和软质材料，具有广泛的打印兼容性；
●并且可以执行各类操作，包括液体分配，多材料打印、变速打印和非平面打印等。
●凭借“Printer.HM”的模块化设计和使用机械臂作为运动控制，用户可以根据个人的实验需求轻松组装和重新配置设置，并扩展其功能。

总体而言， Printer.HM 的可破解、可扩展和经济性的特性，可以促进挤压3D打印技术的广泛发展，促进利用软、生物和可持续材料的研究和创新。

结果与讨论

基于机械臂的模块化挤压打印机
“Printer.HM”是一种基于挤压的3D打印机，可以作为商业生物打印机的一种经济实惠且可破解的替代品。打印机的核心部分由分配模块（即四个定制的活塞驱动打印头）组成，和一个平台，其运动控制由机械臂提供。此处使用由机械臂控制的可移动内置板，而不是一组 3 轴龙门线性平台，具有紧凑性和易于组装的优点。Printer.HM 的估计构建体积约为490立方厘米，受机械臂最大有效载荷能力的限制。


△Printer.HM 的特点：在一个平台上实现多功能。

由于软材料的打印能力关键取决于油墨的流变性和交联性，“Printer.HM”配备了附加辅助工具，包括注射器加热器、阶段加热器和用于辅助印刷的 UV 模块水凝胶。加热器能够将载物台和注射器的温度从室温控制到  60°C。定制设计了各种平台以适应不同尺寸的接收基板或容器，包括标准载玻片、培养皿（90、55 和 35 毫米）和矩形容器（40 和 30 毫米）。“Printer.HM”的打印头由简单的机械部件构成，例如丝杠、每步点胶分辨率为 0.8 μm 的微步进电机和线性导轨，以提高稳定性和紧凑性。打印头的注射器支架是 3D 打印的，可以根据用户的实验定制不同尺寸的点胶工具。作为概念验证，研究人员还定制了打印头以适应与大多数实验室应用兼容的 3 毫升或 1 毫升注射器。

能够自由定制打印路径很重要，因为它直接控制打印构造的属性，商业和现有的基于挤压的定制打印机通常采用 CAD 模型/G 代码作为描述打印设计。这些系统中缺乏几何输入选项可能会限制设计自由度和打印路径的可定制性，特别是对于致动器结构。因此，printer.HM 被设计为接受四种不同的几何输入来创建具有不同特征的打印。它们是坐标、方程、G 代码和图片。

总体而言，“Printer.HM”的模块化设计允许用户根据他们的实验要求和资源限制重新配置设置，并鼓励研究界通过设计新模块来扩展系统的功能。作为概念验证，建造了四个打印头。这个设备齐全的四打印头系统的总成本约为1900英镑，而单个打印头系统的成本约为 900 英镑。与商业生物打印机相比，显著节约了成本。

打印能力
与现有的开源打印机相比，与“Printer.HM”相关的辅助工具集极大地增强了其构建不同材料和几何组合的能力。研究人员通过使用 Pluronic F127 打印线条图案进一步展示了“Printer.HM”的打印分辨率。该测试使用文献中常用的 Pluronic F127 进行。使用未优化的操作参数设置，使用“Printer.HM”实现的中值 Pluronic F127 特征约为 150 μm，这与基于挤压的生物打印7中通常获得的分辨率相当 .。


△图2 打印线条实验

使用多功能几何输入进行打印
使用不同几何输入制造的各种构造都有自己的优势，具体取决于结构要求。作为几何输入的最普通形式，坐标对于创建简单的线性或规则模式特别有用，例如一维通道。同时，方程输入可以创建无缝的单笔曲线图案，但它不适用于方程无法描述的复杂图案。简单的管状结构可以通过圆方程轻松生成，而无需准备 CAD 文件。另一方面，3D CAD模型可以很好地描述3D复杂对象，这是3D打印中使用的标准几何格式。最后，图片输入可以通过手绘图案的照片或任何绘图软件创建的图片来创建自定义图案。通过利用图片输入选项，可以轻松制作用户设计的图案，例如类似电路和血管的图案。


△多功能几何输入选项可通过 ( a ) 坐标、( b ) 方程、( c ) CAD 模型（然后将其转换为 G 代码）和 ( d ) 图片几何图形创建具有不同特征的打印。

为了进一步说明打印路径可定制性的好处，特别是对于软机器人应用程序，研究人员展示了通过利用各向异性打印路径创建由 pH 响应水凝胶制成的软变形系统。使用异质打印路径创建的2D结构表现出各向异性膨胀响应并变形为花朵形状。操作灵活性并不局限于此处提供的四个几何输入。由于控制程序完全可以破解，用户可以自由修改程序以获得前所未有的设计。

多功能于一平台
凭借可定制的控制程序，“Printer.HM”的操作是用户可修改和多功能的。研究人员证明了可以使用“Printer.HM”进行自动分配、变速打印和非平面打印等操作。例如，液体处理在生命科学实验中始终扮演着不可或缺的角色。细胞悬浮液滴会自动分配到培养皿上。液滴的分配体积可通过挤出流量和分配持续时间来控制。通过简单地设置不同的点胶时间，就可以得到不同大小的液滴。此功能可能有助于自动化悬滴法以生产细胞球体并在打印对象中分配活性成分。


△Printer.HM 的多种功能。

结论
挤压3D打印是一种用于制造软组织结构和仿生软致动器的有前途的方法。然而，商业打印机通常成本高昂，不允许进行大量定制并以相对较高的容量运行，可能与许多生物材料不兼容，例如基于蛋白质的材料。这些限制极大地阻碍了技术的持续创新及其广泛采用，特别是在资源有限的社区。为了解决这些限制，研究人员在此展示了一款经济实惠且高度可定制的开源挤压 3D 打印机 Printer.HM，它配备了多个打印头、加热器和用于软材料打印的 UV 模块。该打印机由简单的机械部件和易于采购和制造的 3D 打印部件制成。机械臂被用作运动控制，因为它具有紧凑和易于组装的优点。Printer.HM 价格实惠（四打印头系统 1900 英镑），并且与小型生物应用所需的更小尺寸注射器兼容。值得注意的是，“Printer.HM”中提供的非传统几何输入选项可以制作具有独特设计的打印件。使用图片几何输入，没有 CAD 经验的用户可以轻松自定义打印路径，这对于控制刺激响应水凝胶的变形行为特别有益。尽管该系统具有低成本和定制特性，但“Printer.HM”在各种粘度范围内（20 mPa s–1.5 kPa s)。此外，该系统能够执行一系列非常规任务，例如变速打印和非平面打印。

在“Printer.HM”中还是有可以改进的地方：

●首先，“Printer.HM”中使用的移动平台系统的设计可能会损害在空中打印的低粘度物体的保真度。为了减少潜在影响，在打印低粘度材料的精细结构时，可以使用非常慢的载物台速度。

●其次，“Printer.HM”不包括有助于打印蛋白质墨水的冷却系统和防止墨水意外渗出的墨水回缩机制。缩回机构将在未来的工作中受到关注，这可以通过设置机械驱动的打印头电机的反向旋转来实现，以进一步提高打印保真度。

●还有，打印软性材料，如水凝胶，一般不需要高的加热温度（即>60℃），基于挤压的打印的特征分辨率通常>100微米 。

因此，尽管 Printer.HM 具有比商业系统更低的机械分辨率和更窄的加热范围，但其获得了令人满意的打印性能。此外，系统的模块化设计使系统易于重新配置和扩展。用户可以在未来的开发中将新功能（例如微流体打印头、冷却器等）整合到“Printer.HM”中。总之，此研究的工作建立了一种经济实惠的 3D 挤压打印机，具有可定制性和多合一功能，并有可能促进、软机器人、食品和环保材料加工等领域的发展。