生物3D打印機(jī)氣動(dòng)擠料系統(tǒng)協(xié)同控制研究

袁方敏,于尚紅

(鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,河南 鄭州 451100)

3D打印是增材制造領(lǐng)域的一個(gè)分支,通過(guò)將三維模型層層分割、逐層制造、層層粘接的方式,實(shí)現(xiàn)三維立體模型的打印制造,可快速制造復(fù)雜三維模型,提供個(gè)性化制作方案[1]. 生物3D打印是3D打印中發(fā)展?jié)摿薮蟮膽?yīng)用領(lǐng)域,將生物材料、細(xì)胞、生長(zhǎng)因子等材料通過(guò)3D打印的方式,構(gòu)建成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形態(tài)各異的組織工程支架、器官[2-4]. 目前,生物3D打印已成為國(guó)內(nèi)外科研工作者追捧的熱點(diǎn)研究方向.

生物3D打印機(jī)是生物3D打印研究的必備基礎(chǔ)設(shè)備,廣泛應(yīng)用的主要由擠出式生物打印、激光式生物打印和噴墨式生物3種形式[5]. 其中擠出式生物打印技術(shù)是利用氣壓將細(xì)胞或生物材料連續(xù)擠出纖維線(xiàn)條,通過(guò)移動(dòng)打印頭在三維空間內(nèi)的移動(dòng),實(shí)現(xiàn)細(xì)胞或生物材料按照規(guī)劃軌跡定向排列,形成需要的支架或組織,適用于各種粘度溶液和凝膠的打印,尤其對(duì)于高粘度液體打印有更加突出的優(yōu)勢(shì)[6-8]. 2010年韓國(guó)Ahn團(tuán)隊(duì)采用擠出式3D打印機(jī)打印培養(yǎng)出皮膚組織[9];徐銘恩團(tuán)隊(duì)利用自研生物擠出式打印機(jī)成功打印出肝單元和人耳軟骨組織等[10].

擠出式生物3D打印機(jī)的擠出方式主要有推桿擠出式、螺桿擠出式、氣動(dòng)擠出式. 因制作簡(jiǎn)單、成本低廉,市面上大多數(shù)擠出式生物3D打印機(jī)采用氣動(dòng)擠出方式,通過(guò)控制氣壓大小調(diào)節(jié)生物材料的擠出速度[11]. 本文詳細(xì)介紹了可適用4種打印頭交替工作的氣動(dòng)擠出系統(tǒng)組成,并對(duì)打印過(guò)程中氣動(dòng)擠料與打印頭移動(dòng)協(xié)同控制展開(kāi)研究.

圖1 擠出式生物3D打印機(jī)系統(tǒng)組成Fig.1 Extruded bio-3D printer system composition

1 氣動(dòng)擠料系統(tǒng)組成

1.1 擠出式生物3D打印機(jī)組成

擠出式生物3D打印機(jī)主要由三軸移動(dòng)系統(tǒng)、氣動(dòng)擠料系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、針頭定位系統(tǒng)、電控系統(tǒng)及上位機(jī)系統(tǒng)組成,如圖1所示:

工作過(guò)程如下:首先將三維模型導(dǎo)入上位機(jī)系統(tǒng),通過(guò)設(shè)置打印速度、切片層高、填充方式等參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行切片處理,形成打印頭運(yùn)行軌跡規(guī)劃;切片完成后選擇打印頭、裝料、并通過(guò)針頭定位系統(tǒng)完成打印頭定位,打印頭運(yùn)行至打印原點(diǎn)位置;啟動(dòng)溫控系統(tǒng),將打印材料加熱至能夠穩(wěn)定擠出的溫度;設(shè)置氣壓值,然后通過(guò)試擠功能調(diào)節(jié)材料擠出速度,同時(shí)保證將打印針頭內(nèi)填滿(mǎn)打印材料;啟動(dòng)連續(xù)打印,在氣動(dòng)擠料與打印頭移動(dòng)的控制下完成模型打印.

1.2 氣動(dòng)擠料系統(tǒng)組成

氣動(dòng)擠料系統(tǒng)是擠出式生物3D打印機(jī)的核心控制系統(tǒng),其氣壓控制精度是影響打印過(guò)程中擠料速度穩(wěn)定性的重要因素之一,特別是對(duì)于低壓下就可擠出的打印材料,氣壓穩(wěn)定性對(duì)其擠出速度穩(wěn)定性的影響更大. 針對(duì)4路打印頭交替工作所需氣動(dòng)擠料系統(tǒng),設(shè)計(jì)了如圖2所示氣動(dòng)控制原理. 設(shè)計(jì)的氣動(dòng)擠料系統(tǒng)主要由氣動(dòng)兩聯(lián)件、干燥器、比例壓力閥、中卸式三位四通換向閥、壓力傳感器,氣動(dòng)適配器等元件組成.

圖2 氣動(dòng)擠料系統(tǒng)原理圖Fig.2 Pneumatic extrusion system principle diagram

氣動(dòng)兩聯(lián)件用于控制輸入氣源的壓力,并對(duì)氣體進(jìn)行過(guò)濾,防止雜質(zhì)進(jìn)入打印頭;干燥器用于去除氣體中的水分,避免水分稀釋打印材料濃度;比例壓力閥采用FESTO品牌的高精度閉環(huán)調(diào)壓閥,用于控制各打印頭擠出氣壓,調(diào)壓精度可達(dá)2%;1個(gè)中卸式三位四通換向閥用于控制兩個(gè)打印頭之間的切換,確保 1個(gè)打印頭在加壓擠出時(shí),另一個(gè)打印頭處于泄壓狀態(tài),通過(guò)兩路比例閥及換向閥動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)4個(gè)打印頭之間的擠料切換;各打印頭均設(shè)有壓力傳感器,用于檢測(cè)打印頭內(nèi)氣壓,作為打印頭移動(dòng)控制的輸入信號(hào).

圖3 氣動(dòng)擠料電控系統(tǒng)圖Fig.3 Pneumatic extrusion electric control system diagram

1.3 氣動(dòng)擠料電控系統(tǒng)組成

氣動(dòng)擠料控制系統(tǒng)是以STM32F407單片機(jī)和基于LABVIEW的上位機(jī)界面為控制核心,搭配電源模塊、模擬量輸出板、繼電器等元件實(shí)現(xiàn)壓力顯示和精準(zhǔn)壓力控制. 上位機(jī)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)壓力設(shè)置和實(shí)時(shí)壓力顯示,通過(guò)USB串口將指令發(fā)送至單片機(jī);單片機(jī)處理器負(fù)責(zé)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理及指令控制,通過(guò)PWM脈沖信號(hào)控制模擬量輸出板輸出控制電壓,實(shí)現(xiàn)比例調(diào)壓閥壓力控制,同時(shí)控制繼電器通斷實(shí)現(xiàn)電磁換向閥的控制,通過(guò)比例調(diào)壓閥和電磁換向閥的協(xié)同控制,實(shí)現(xiàn)不同打印頭的氣壓控制;壓力傳感器將檢測(cè)信號(hào)反饋至單片機(jī),用于現(xiàn)實(shí)打印頭的運(yùn)動(dòng)控制.

2 氣動(dòng)擠料過(guò)程模型建立與仿真

氣動(dòng)擠料技術(shù)主要是通過(guò)控制打印頭內(nèi)外壓差來(lái)實(shí)現(xiàn)生物材料纖維形態(tài)的擠出速度控制,擠料速度除了受到壓差影響之外,還與打印頭針頭內(nèi)徑、打印材料性質(zhì)等因素有關(guān). 本文以海藻酸鈉作為打印材料進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明.

圖4 不同流體剪切應(yīng)變速度與剪切應(yīng)力關(guān)系曲線(xiàn)Fig.4 The relationship between shear strain rate andshear stress for different fluids

圖5 打印針頭簡(jiǎn)化模型Fig.5 Printing a simplified model of the needle

2.1 氣動(dòng)擠料過(guò)程數(shù)學(xué)模型搭建

流體按剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變是否成比例關(guān)系可分為牛頓流體和非牛頓流體,非牛頓流體按粘度函數(shù)與時(shí)間的關(guān)系又分為時(shí)變性非牛頓流體和非時(shí)變性非牛頓流體,非時(shí)變性非牛頓流體又分為塑性流體、假塑性流體和膨脹性流體[12],不同流體剪切速率與剪切應(yīng)力的關(guān)系曲線(xiàn)如圖4所示:

我們研究的生物材料大多屬于假塑性流體,假塑性流體也被稱(chēng)為剪切稀化流體,其剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變速度符合冪律函數(shù)關(guān)系. 為研究打印過(guò)程中各打印參數(shù)之間的相互關(guān)系,將打印針頭簡(jiǎn)化為圖5所示模型[13].

根據(jù)均勻流動(dòng)方式,求得針管管壁處切應(yīng)力:

(1)

根據(jù)公式(1)可求得針頭內(nèi)流體速度分布方程為:

(2)

式中,u為針頭內(nèi)任一點(diǎn)流速,r為流體單位半徑.

根據(jù)針頭內(nèi)壁處流速為0 的邊界條件,通過(guò)積分得到速度分布方程為:

(3)

通過(guò)對(duì)流體速度積分,得到針頭任意截面處的流量為:

(4)

式中,Q為針頭任意截面處流量.

根據(jù)Q=V*A,得到穩(wěn)態(tài)時(shí)針頭內(nèi)流速為:

(5)

式中,V為針頭內(nèi)纖維線(xiàn)條擠出流速.

從公式(5)可知,纖維線(xiàn)條的擠出速度與流變系數(shù)、稠度系數(shù)、壓差、針頭長(zhǎng)度、針頭半徑都有關(guān)系. 為得到較好打印效果,需要時(shí)刻控制打印頭移動(dòng)速度與纖維線(xiàn)條的擠出流速保持一致.

圖6 擠出速度與壓差、針頭內(nèi)徑關(guān)系圖Fig.6 The relationship between extrusion speed,pressuregauge and needle inner diameter

2.2 氣動(dòng)擠料過(guò)程仿真分析

為進(jìn)一步研究纖維線(xiàn)條擠出速度與壓差、針頭內(nèi)徑、針頭長(zhǎng)度等參數(shù)的關(guān)系,選擇質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)3%的海藻酸鈉溶液作為打印材料,并采用流變儀設(shè)備檢測(cè)出海藻酸鈉溶液的稠度系數(shù)為35.44 Nsn/m2,流變系數(shù)為0.331. 根據(jù)以往實(shí)際打印經(jīng)驗(yàn),生物材料3D打印速度一般控制在20 mm/s以下,打印針頭規(guī)格選擇30G～22G,氣體壓差控制在1 bar以?xún)?nèi). 因氣體壓縮速度極快,故不考慮氣體壓縮過(guò)程. 采用matlab軟件進(jìn)行仿真,得到纖維線(xiàn)條擠出速度與壓差、針頭內(nèi)徑的三維關(guān)系圖,如圖6所示:

從仿真結(jié)果可以看出,對(duì)同一規(guī)格打印針頭,纖維線(xiàn)條擠出速度隨著氣體壓差的增大而增大,且呈指數(shù)關(guān)系;相同氣體壓差條件下,纖維線(xiàn)條擠出速度隨著針頭內(nèi)徑的增大而增大. 當(dāng)采用23G不銹鋼針頭打印,在氣體壓差為0.63 bar時(shí),纖維線(xiàn)條擠出速度達(dá)到10.56 mm/s,與打印實(shí)驗(yàn)設(shè)置條件相似,證明了氣動(dòng)擠出系統(tǒng)搭建數(shù)學(xué)模型的正確性.

根據(jù)氣動(dòng)擠出系統(tǒng)原理圖,建立基于AMESim-MATLAB軟件的聯(lián)合仿真模型,4路打印頭氣動(dòng)擠出系統(tǒng)組成元件相同,取其中1路氣動(dòng)回路建立仿真模型即可,仿真模型如圖7、圖8所示:

圖7 基于AMESim軟件氣動(dòng)擠出系統(tǒng)仿真模型Fig.7 Simulation model of pneumatic extrusion system based on AMESim software

圖8 基于MATLAB軟件氣動(dòng)擠出系統(tǒng)仿真模型Fig.8 Simulation model of pneumatic extrusion system based on MATLAB software

氣動(dòng)擠料系統(tǒng)選用VPPM-6L系列比例閥,該閥壓力控制精度為±1%,為模擬氣壓真實(shí)控制情況,仿真模型疊加一個(gè)壓力波動(dòng)補(bǔ)償信號(hào);設(shè)置針頭長(zhǎng)度18 mm,針頭內(nèi)徑為0.3 mm,比例閥輸出氣壓為1.6 bar,即壓差為0.6 bar;設(shè)定電磁換向閥在1 s時(shí)吸合. 得到打印頭內(nèi)外壓差曲線(xiàn)和纖維線(xiàn)條擠出速度曲線(xiàn),如圖9、圖10所示:

圖9 打印頭內(nèi)外壓差曲線(xiàn)Fig.9 Differential pressure curve inside andoutside the print head

圖10 纖維線(xiàn)條擠出目標(biāo)速度曲線(xiàn)Fig.10 Fiber line extrusion target speed curve

圖11 氣動(dòng)擠料與打印頭移動(dòng)協(xié)同控制圖Fig.11 Synergistic control diagram of pneumaticextrusion and print head movement

從打印頭壓力曲線(xiàn)可以看出,打印頭內(nèi)壓力在1.16 s時(shí)初次達(dá)到設(shè)定值0.6 bar,整個(gè)仿真過(guò)程壓力波動(dòng)在0.594 bar和0.606 bar之間;通過(guò)仿真得到了纖維線(xiàn)條擠出的目標(biāo)速度曲線(xiàn),可以看出纖維線(xiàn)條擠出目標(biāo)速度在8.85 mm/s和9.39 mm/s之間波動(dòng),平均速度為9.12 mm/s,控制精度約為 ±3%,纖維線(xiàn)條擠出目標(biāo)速度的控制誤差被進(jìn)一步放大.

3 氣動(dòng)擠料與打印頭移動(dòng)協(xié)同控制

生物擠出3D打印過(guò)程可以分解為多層打印的高度疊加,每層打印過(guò)程中打印頭按照規(guī)劃路徑在XY平面內(nèi)以一定速度運(yùn)動(dòng).因氣壓控制響應(yīng)速度和控制精度相對(duì)打印頭移動(dòng)控制精度低,因此設(shè)計(jì)打印頭在XY平面內(nèi)移動(dòng)時(shí),氣壓設(shè)定值不變,通過(guò)壓力閉環(huán)控制打印頭移動(dòng)速度,使打印頭移動(dòng)速度能夠跟隨氣壓微小變化實(shí)時(shí)調(diào)整,確保擠出纖維線(xiàn)條直徑保持較高一致性.

打印頭移動(dòng)按照規(guī)劃路徑,在XY平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)分為X軸運(yùn)動(dòng)、Y軸運(yùn)動(dòng)、XY軸協(xié)同運(yùn)動(dòng)三種情況,協(xié)同控制流程圖如圖11所示.路徑規(guī)劃由上位機(jī)切片軟件完成,單片機(jī)處理器按照壓力傳感器反饋信號(hào),實(shí)時(shí)計(jì)算打印頭在XY平面內(nèi)的移動(dòng)速度,并根據(jù)打印路徑和氣壓值對(duì)打印頭在X、Y兩個(gè)方向進(jìn)行位移解耦和速度解耦,然后單片機(jī)處理器對(duì)X、Y軸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制指令,通過(guò)直線(xiàn)模組運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)打印頭在XY平面內(nèi)的協(xié)同控制.

圖12 自研擠出式打印機(jī)移動(dòng)系統(tǒng)Fig.12 Self-developed extrusion printer mobile system

4 打印實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的氣動(dòng)擠料及打印頭移動(dòng)協(xié)同控制方法是否有效,選用硅酮橡膠和濃度3%的海藻酸鈉溶液作為打印材料,利用自研擠出式生物3D打印機(jī)進(jìn)行打印測(cè)試,自研擠出式打印機(jī)移動(dòng)系統(tǒng)如圖12所示. 首先利用流變儀等設(shè)備檢測(cè)出硅酮橡膠和濃度3%的海藻酸鈉溶液的流變指標(biāo)和稠度系數(shù),然后在上位機(jī)設(shè)定比例閥輸出壓力、針頭長(zhǎng)度、針頭內(nèi)徑、材料流變指標(biāo)和稠度系數(shù),打印頭移動(dòng)速度自適應(yīng). 硅酮橡膠打印時(shí)選擇半球打印模型,3%濃度海藻酸鈉選擇正方體打印模型,為驗(yàn)證打印頭在XY平面運(yùn)動(dòng)解耦控制效果,打印模型內(nèi)部填充采用帶不同角度的直線(xiàn)填充. 點(diǎn)擊開(kāi)始打印進(jìn)行打印實(shí)驗(yàn),打印效果如圖13和圖14所示.

圖13 硅酮橡膠(左)和海藻酸鈉(右)打印過(guò)程Fig.13 Silicone nobble(left)and sodium alginate(right)printing process

圖14 硅酮橡膠(左)和海藻酸鈉(右)打印模型放大圖Fig.14 Enlarged view of the printed models of siliconerubber(left)and sodium alginate(right)

通過(guò)兩種材料打印模型的局部放大圖可以看出,硅酮橡膠及海藻酸鈉打印過(guò)程的控制效果比較理想,打印線(xiàn)條連續(xù),粗細(xì)均勻,說(shuō)明氣動(dòng)擠料和打印頭移動(dòng)配合效果較好,證明了提出的氣動(dòng)擠料與打印頭協(xié)同控制方法的有效性.

5 結(jié)論

文章詳細(xì)介紹了氣動(dòng)擠料系統(tǒng)組成和電控系統(tǒng)組成,并建立了氣動(dòng)擠料過(guò)程數(shù)學(xué)模型,通過(guò)聯(lián)合仿真得到打印頭氣動(dòng)擠料速度與打印頭內(nèi)外壓差、針頭內(nèi)徑的關(guān)系,以及氣動(dòng)擠料系統(tǒng)工作時(shí)打印頭移動(dòng)目標(biāo)速度. 然后提出了氣動(dòng)擠料及打印頭移動(dòng)的協(xié)同控制方法,并通過(guò)打印實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了協(xié)同控制方法的有效性.