極坐標線投影光固化連續3D打印：實現管狀結構高效精準制造
在制造領域，管狀結構應用廣泛，像生物醫學中的管狀移植物、航空航天的燃料管等。但傳統制造方法在生產特定管狀結構時困難重重。制造精細特征的管狀移植物時，聚合物材料易因受熱或機械應力變形；制造多材料管狀結構，如血管，需要復雜的微流控技術；且血管壁薄，制造難度極大。3D打印技術雖為管狀結構制造帶來新契機，但現有技術仍存在諸多不足。例如，傳統擠出式打印對細胞剪切應力大，影響細胞活性；數字光處理（DLP）技術打印長管狀物體精度欠佳，打印徑向多材料結構時切換樹脂耗時耗成本；旋轉擠出打印分辨率低，難以滿足微尺度血管制造需求。
在此背景下，來自北京航空航天大學生物與醫學工程學院的樊瑜波教授/李介博副教授團隊聯合校內外機械、材料等課題組展開合作研究。他們開發了一種基于旋轉芯軸的DLP打印裝置——極坐標線投影光固化成型（PLLP）技術。該技術通過極坐標線投影和旋轉芯軸同步運動，實現連續打印，還建立了切片算法和樹脂切換系統，用于打印徑向多材料管狀結構。相關工作以“Polar - coordinate line - projection light - curing continuous 3D printing for tubular structures”為題發表在《International Journal of Extreme Manufacturing》上，為管狀結構的制造提供了高效、高精度的新方案。北京航空航天大學北京生物醫學工程高精尖創新中心、生物力學與力生物學教育部重點實驗室、生物與醫學工程學院是第一單位，樊瑜波教授，李介博副教授以及材料科學與工程學院的王志堅教授、機械工程及自動化學院的燕鑫副教授，和北京大學口腔醫院的韓建民主任是論文的通訊作者。
研究內容
1. PLLP系統示意圖，通過搭建PLLP實驗裝置，研究其打印過程和原理，以及相關參數對打印效果的影響。結果表明，該裝置能實現連續打印，通過控制光固化時間、狹縫寬度等參數，可精準控制打印精度和層厚，最小可控層厚為50μm，θ方向打印精度可達10μm，且打印的管狀結構表面更光滑。
2. PLLP的狹縫分辨率，運用Zemax軟件模擬投影通過狹縫后的光場分布，并進行實際打印實驗，對比不同狹縫寬度下打印的管狀結構。結果顯示，狹縫寬度決定θ方向打印精度，10μm狹縫能實現更高精度打印；與商業DLP打印相比，PLLP在打印相同尺寸管狀結構時，表面更光滑，波動更小。
3. PLLP與商業DLP完美圓形打印對比，建立數值模型模擬兩種打印方法的應力分布，并進行機械壓縮力測試實驗，研究PLLP和商業DLP打印的管狀結構的機械性能差異。結果表明，PLLP打印的管狀結構應力分布更均勻，抗壓強度更高，在相同壓縮距離下，其抗壓強度約為商業DLP打印管的1.4 - 2倍，且能打印更薄壁的管狀結構，保持良好的柔韌性。
4. 多材料夾芯管結構的壓力測試，設計并打印不同材料組合的夾芯管結構，進行壓力測試實驗和模擬壓縮實驗，研究多材料打印對管狀結構性能的影響。結果發現，多材料組合能發揮不同材料優勢，提高結構的抗壓強度和韌性，如T1 + 2結構在抗壓性能上優于單一材料結構，變形和應力分布更合理。
5. PLLP的附著打印演示和打印速度表征，通過在不同條件下進行打印實驗，對比PLLP與其他3D打印技術，研究PLLP的打印速度和適用結構。結果表明，PLLP在打印薄壁、細長管狀結構時速度優勢明顯，如打印特定尺寸的單層管狀移植物可在100s內完成，且其打印速度和分辨率與其他技術相比在特定條件下具有競爭力。
6. PLLP的多材料打印演示，進行多種多材料打印實驗，測試不同結構的壓縮性能，研究PLLP在多材料打印方面的能力和優勢。結果顯示，PLLP可實現單/多層多材料打印，通過不同材料組合能調整結構的機械性能，如“肉 + 骨骼”結構兼具高彈性和高強度，在人工血管等領域有應用潛力。
研究結論
本研究提出了一種名為PLLP的新型連續3D打印技術，該技術基于線投影原理。PLLP的旋轉打印特性使得每次固化后，旋轉的芯軸能自動將固化部分從UV透明窗口移開，實現自動連續打印，避免了復雜技術儀器的使用，也不存在UV透明窗口上方無法固化的區域。在PLLP系統中，旋轉芯軸為打印提供支撐，使得打印單分辨率壁厚的管材成為可能。研究成功打印出直徑6mm、壁厚50μm、高6mm的管材，且極坐標θ方向的分辨率可達10μm。此外，PLLP能實現不同材料的無縫替換打印，無需額外支撐即可成型。值得一提的是，利用該技術打印高度2.5cm、內半徑1.5mm的管狀移植物僅需100s。這些優勢使PLLP有望減少部分生物可降解管狀移植物、牙科產品和航空航天應用的制造時間和成本。
文章來源：
https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad3c7f
(責任編輯：admin)
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