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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

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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91Pa s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。

作者:王赫然
来源:生物3D打印前沿科技


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