用于軟材料的可破解、多功能和模塊化的擠壓3D打印機(jī)

導(dǎo)讀：三維打印的出現(xiàn)提高了制造的自由度，可以從各種各樣的軟性和功能性材料的組合中快速創(chuàng)建任意結(jié)構(gòu)的物體，徹底改變了不同的研究領(lǐng)域，包括食品、組織工程，以及軟性電子和機(jī)器人技術(shù)。在不同的軟材料3D打印模式中，基于擠壓的打印可以說是使用最廣泛，因?yàn)樗�具有廣泛的材料兼容性、低材料用量、低浪費(fèi)和空間控制構(gòu)造的特性。然而，擠壓式3D打印的持續(xù)創(chuàng)新需要克服成本障礙和現(xiàn)有商業(yè)系統(tǒng)的有限適應(yīng)性。雖然已目前經(jīng)報(bào)道了幾個(gè)開源的、定制的擠壓式打印機(jī)，但可打印的材料和結(jié)構(gòu)仍然受限。



2022年7月，來自劍橋大學(xué)的研究者們?cè)凇禨cientific Reports》上發(fā)表了一篇題為《A hackable, multi‑functional, and modular extrusion 3D printer for soft materials》（《適用于軟質(zhì)材料的可破解、多功能、模塊化的擠壓式3D打印機(jī)》）的研究。

研究介紹
為了普及多功能擠壓打印技術(shù)，研究者門開發(fā)了一種用于軟材料的多打印頭和高度可定制的基于擠壓的 3D 打印機(jī)的。并將其命名為“Printer.HM”，其中 HM 代表 Hackable 和 Multi-functional。除了傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (CAD)-G 代碼輸入之外，Printer.HM 還可以輕松接受不同的幾何輸入，例如坐標(biāo)、方程式和圖片。

建立一個(gè) Printer.HM 的總成本在900英鎊到1900英鎊之間（安裝時(shí)間在 2-4 小時(shí)之間，不包括部件的打印時(shí)間），這具體取決于所配備的程序的數(shù)量。的●Printer.HM 可以與各種液態(tài)和軟質(zhì)材料，具有廣泛的打印兼容性；
●并且可以執(zhí)行各類操作，包括液體分配，多材料打印、變速打印和非平面打印等。
●憑借“Printer.HM”的模塊化設(shè)計(jì)和使用機(jī)械臂作為運(yùn)動(dòng)控制，用戶可以根據(jù)個(gè)人的實(shí)驗(yàn)需求輕松組裝和重新配置設(shè)置，并擴(kuò)展其功能。

總體而言， Printer.HM 的可破解、可擴(kuò)展和經(jīng)濟(jì)性的特性，可以促進(jìn)擠壓3D打印技術(shù)的廣泛發(fā)展，促進(jìn)利用軟、生物和可持續(xù)材料的研究和創(chuàng)新。

結(jié)果與討論

基于機(jī)械臂的模塊化擠壓打印機(jī)
“Printer.HM”是一種基于擠壓的3D打印機(jī)，可以作為商業(yè)生物打印機(jī)的一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且可破解的替代品。打印機(jī)的核心部分由分配模塊（即四個(gè)定制的活塞驅(qū)動(dòng)打印頭）組成，和一個(gè)平臺(tái)，其運(yùn)動(dòng)控制由機(jī)械臂提供。此處使用由機(jī)械臂控制的可移動(dòng)內(nèi)置板，而不是一組 3 軸龍門線性平臺(tái)，具有緊湊性和易于組裝的優(yōu)點(diǎn)。Printer.HM 的估計(jì)構(gòu)建體積約為490立方厘米，受機(jī)械臂最大有效載荷能力的限制。


△Printer.HM 的特點(diǎn)：在一個(gè)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)多功能。

由于軟材料的打印能力關(guān)鍵取決于油墨的流變性和交聯(lián)性，“Printer.HM”配備了附加輔助工具，包括注射器加熱器、階段加熱器和用于輔助印刷的 UV 模塊水凝膠。加熱器能夠?qū)⑤d物臺(tái)和注射器的溫度從室溫控制到  60°C。定制設(shè)計(jì)了各種平臺(tái)以適應(yīng)不同尺寸的接收基板或容器，包括標(biāo)準(zhǔn)載玻片、培養(yǎng)皿（90、55 和 35 毫米）和矩形容器（40 和 30 毫米）�！癙rinter.HM”的打印頭由簡(jiǎn)單的機(jī)械部件構(gòu)成，例如絲杠、每步點(diǎn)膠分辨率為 0.8 μm 的微步進(jìn)電機(jī)和線性導(dǎo)軌，以提高穩(wěn)定性和緊湊性。打印頭的注射器支架是 3D 打印的，可以根據(jù)用戶的實(shí)驗(yàn)定制不同尺寸的點(diǎn)膠工具。作為概念驗(yàn)證，研究人員還定制了打印頭以適應(yīng)與大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用兼容的 3 毫升或 1 毫升注射器。

能夠自由定制打印路徑很重要，因?yàn)樗�直接控制打印�?gòu)造的屬性，商業(yè)和現(xiàn)有的基于擠壓的定制打印機(jī)通常采用 CAD 模型/G 代碼作為描述打印設(shè)計(jì)。這些系統(tǒng)中缺乏幾何輸入選項(xiàng)可能會(huì)限制設(shè)計(jì)自由度和打印路徑的可定制性，特別是對(duì)于致動(dòng)器結(jié)構(gòu)。因此，printer.HM 被設(shè)計(jì)為接受四種不同的幾何輸入來創(chuàng)建具有不同特征的打印。它們是坐標(biāo)、方程、G 代碼和圖片。

總體而言，“Printer.HM”的模塊化設(shè)計(jì)允許用戶根據(jù)他們的實(shí)驗(yàn)要求和資源限制重新配置設(shè)置，并鼓勵(lì)研究界通過設(shè)計(jì)新模塊來擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。作為概念驗(yàn)證，建造了四個(gè)打印頭。這個(gè)設(shè)備齊全的四打印頭系統(tǒng)的總成本約為1900英鎊，而單個(gè)打印頭系統(tǒng)的成本約為 900 英鎊。與商業(yè)生物打印機(jī)相比，顯著節(jié)約了成本。

打印能力
與現(xiàn)有的開源打印機(jī)相比，與“Printer.HM”相關(guān)的輔助工具集極大地增強(qiáng)了其構(gòu)建不同材料和幾何組合的能力。研究人員通過使用 Pluronic F127 打印線條圖案進(jìn)一步展示了“Printer.HM”的打印分辨率。該測(cè)試使用文獻(xiàn)中常用的 Pluronic F127 進(jìn)行。使用未優(yōu)化的操作參數(shù)設(shè)置，使用“Printer.HM”實(shí)現(xiàn)的中值 Pluronic F127 特征約為 150 μm，這與基于擠壓的生物打印7中通常獲得的分辨率相當(dāng) .。


△圖2 打印線條實(shí)驗(yàn)

使用多功能幾何輸入進(jìn)行打印
使用不同幾何輸入制造的各種構(gòu)造都有自己的優(yōu)勢(shì)，具體取決于結(jié)構(gòu)要求。作為幾何輸入的最普通形式，坐標(biāo)對(duì)于創(chuàng)建簡(jiǎn)單的線性或規(guī)則模式特別有用，例如一維通道。同時(shí)，方程輸入可以創(chuàng)建無縫的單筆曲線圖案，但它不適用于方程無法描述的復(fù)雜圖案。簡(jiǎn)單的管狀結(jié)構(gòu)可以通過圓方程輕松生成，而無需準(zhǔn)備 CAD 文件。另一方面，3D CAD模型可以很好地描述3D復(fù)雜對(duì)象，這是3D打印中使用的標(biāo)準(zhǔn)幾何格式。最后，圖片輸入可以通過手繪圖案的照片或任何繪圖軟件創(chuàng)建的圖片來創(chuàng)建自定義圖案。通過利用圖片輸入選項(xiàng)，可以輕松制作用戶設(shè)計(jì)的圖案，例如類似電路和血管的圖案。


△多功能幾何輸入選項(xiàng)可通過 ( a ) 坐標(biāo)、( b ) 方程、( c ) CAD 模型（然后將其轉(zhuǎn)換為 G 代碼）和 ( d ) 圖片幾何圖形創(chuàng)建具有不同特征的打印。

為了進(jìn)一步說明打印路徑可定制性的好處，特別是對(duì)于軟機(jī)器人應(yīng)用程序，研究人員展示了通過利用各向異性打印路徑創(chuàng)建由 pH 響應(yīng)水凝膠制成的軟變形系統(tǒng)。使用異質(zhì)打印路徑創(chuàng)建的2D結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出各向異性膨脹響應(yīng)并變形為花朵形狀。操作靈活性并不局限于此處提供的四個(gè)幾何輸入。由于控制程序完全可以破解，用戶可以自由修改程序以獲得前所未有的設(shè)計(jì)。

多功能于一平臺(tái)
憑借可定制的控制程序，“Printer.HM”的操作是用戶可修改和多功能的。研究人員證明了可以使用“Printer.HM”進(jìn)行自動(dòng)分配、變速打印和非平面打印等操作。例如，液體處理在生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)中始終扮演著不可或缺的角色。細(xì)胞懸浮液滴會(huì)自動(dòng)分配到培養(yǎng)皿上。液滴的分配體積可通過擠出流量和分配持續(xù)時(shí)間來控制。通過簡(jiǎn)單地設(shè)置不同的點(diǎn)膠時(shí)間，就可以得到不同大小的液滴。此功能可能有助于自動(dòng)化懸滴法以生產(chǎn)細(xì)胞球體并在打印對(duì)象中分配活性成分。


△Printer.HM 的多種功能。

結(jié)論
擠壓3D打印是一種用于制造軟組織結(jié)構(gòu)和仿生軟致動(dòng)器的有前途的方法。然而，商業(yè)打印機(jī)通常成本高昂，不允許進(jìn)行大量定制并以相對(duì)較高的容量運(yùn)行，可能與許多生物材料不兼容，例如基于蛋白質(zhì)的材料。這些限制極大地阻礙了技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新及其廣泛采用，特別是在資源有限的社區(qū)。為了解決這些限制，研究人員在此展示了一款經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且高度可定制的開源擠壓 3D 打印機(jī) Printer.HM，它配備了多個(gè)打印頭、加熱器和用于軟材料打印的 UV 模塊。該打印機(jī)由簡(jiǎn)單的機(jī)械部件和易于采購和制造的 3D 打印部件制成。機(jī)械臂被用作運(yùn)動(dòng)控制，因?yàn)樗�具有緊湊和易于組裝的優(yōu)點(diǎn)。Printer.HM 價(jià)格實(shí)惠（四打印頭系統(tǒng) 1900 英鎊），并且與小型生物應(yīng)用所需的更小尺寸注射器兼容。值得注意的是，“Printer.HM”中提供的非傳統(tǒng)幾何輸入選項(xiàng)可以制作具有獨(dú)特設(shè)計(jì)的打印件。使用圖片幾何輸入，沒有 CAD 經(jīng)驗(yàn)的用戶可以輕松自定義打印路徑，這對(duì)于控制刺激響應(yīng)水凝膠的變形行為特別有益。盡管該系統(tǒng)具有低成本和定制特性，但“Printer.HM”在各種粘度范圍內(nèi)（20 mPa s–1.5 kPa s)。此外，該系統(tǒng)能夠執(zhí)行一系列非常規(guī)任務(wù)，例如變速打印和非平面打印。

在“Printer.HM”中還是有可以改進(jìn)的地方：

●首先，“Printer.HM”中使用的移動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可能會(huì)損害在空中打印的低粘度物體的保真度。為了減少潛在影響，在打印低粘度材料的精細(xì)結(jié)構(gòu)時(shí)，可以使用非常慢的載物臺(tái)速度。

●其次，“Printer.HM”不包括有助于打印蛋白質(zhì)墨水的冷卻系統(tǒng)和防止墨水意外滲出的墨水回縮機(jī)制。縮回機(jī)構(gòu)將在未來的工作中受到關(guān)注，這可以通過設(shè)置機(jī)械驅(qū)動(dòng)的打印頭電機(jī)的反向旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)，以進(jìn)一步提高打印保真度。

●還有，打印軟性材料，如水凝膠，一般不需要高的加熱溫度（即>60℃），基于擠壓的打印的特征分辨率通常>100微米 。

因此，盡管 Printer.HM 具有比商業(yè)系統(tǒng)更低的機(jī)械分辨率和更窄的加熱范圍，但其獲得了令人滿意的打印性能。此外，系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)使系統(tǒng)易于重新配置和擴(kuò)展。用戶可以在未來的開發(fā)中將新功能（例如微流體打印頭、冷卻器等）整合到“Printer.HM”中�？傊�，此研究的工作建立了一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的 3D 擠壓打印機(jī)，具有可定制性和多合一功能，并有可能促進(jìn)、軟機(jī)器人、食品和環(huán)保材料加工等領(lǐng)域的發(fā)展。