基于MAM和PAM的多喷头3D打印系统研究

摘要

由于近年来的高速发展，增材制造（俗称3D打印）已经成为了目前最热门的研究方向之一，而在机械制造（金属打印）和临床医学（生物打印）等方面尤为突出。骨组织工程是当前公认为最有发展前景的治愈骨缺损的方法，支架又是其中的关键。因此，越来越多的研究者开始研究具有生物活性的仿生支架制备方法，目前大多数的制备方法都是通过3D打印技术或者3D打印与其他技术相结合的方式。然而，骨组织工程的不断发展，对仿生骨支架也提出了更高的要求，目前主流的3D打印技术已经很难满足要求，因此研究者们不断探索新的方法来制备更加仿生的骨组织支架。
　　本研究以电机挤出沉积技术（Motor Assisted Microsyringe，MAM）和气动挤出技术（Pressure Assisted Microsyringe，PAM）为基本打印方式，为满足骨组织工程支架结构和成分仿生两方面的要求，对制备技术进行了升级优化，开发出适合骨组织工程“软硬”材料（成分仿生）协调打印的多喷头体系，为实现高仿生的骨组织工程支架制备奠定了坚实的基础。
　　首先，本文分析了主流的打印喷头，根据骨组织工程对打印工艺的需求，提出了采用电机挤出沉积技术和气动挤出技术作为打印喷头构建多喷头打印系统，并详细分析了多喷头打印平台的构建方案。
　　其次，对电机挤出沉积技术进行详细分析，设计其机械结构、动力供给以及控制方案，详细分析了挤出速度控制方案，并根据实际需求添加温控以及其他模块实现更多材料体系的打印。通过其单喷头打印测试验证系统的稳定性以及可靠性。
　　其后，对气动挤出技术进行了详细研究。完成了气路系统的设计和关键器件的选型；对电路进行设计优化，根据实际的需求设计放大电路，保证电路系统的最优；根据打印过程中料筒内材料所受压力变化曲线，确定气压的响应时间，确定打印最小液滴的气压加载时间；通过针头疏水化处理解决了卫星液滴、流延问题；对气动挤出技术的精度控制、稳定性进行了详细的实验测试。
　　最后，为实现多喷头打印体系的运行，对运动控制系统以及人际交互界面进行了设计。分析了底层控制程序和人机交互界面程序的实现，完成了底层控制程序和界面程序的编写，提出了多材质模型路径规划的实现方法，实现了对电机挤出沉积和气动挤出的控制，完成了多喷头的协调打印，并对多喷头系统的协调性进行了分析测试。
　　本硕士工作已在三套设备中得到实际运用，其中包括本实验室自身，湖北某高校使用以及江西某高校。

目录

声明

1绪论

1.1引言

1.2研究背景

1.3主要研究内容

2多喷头3D打印机方案设计

2.1引言

2.2 打印喷头介绍

2.3多喷头打印系统方案设计

2.4 本章小结

3 MAM打印系统研究

3.1 MAM喷头结构

3.2 MAM喷头温控设计

3.3动力供给系统设计

3.4 MAM控制系统设计

3.5 MAM喷头打印测试

3.6 本章小结

4 PAM打印系统研究

4.1 PAM气路设计

4.2 PAM电路设计

4.3 气压响应分析

4.4液滴打印测试

4.5 本章小结

5 多喷头3D打印系统搭建技术与研究

5.1 三维运动平台

5.2 成形板模块

5.3 运动控制系统

5.4 路径规划

5.5 多喷头协调打印测试

5.6 多喷头打印系统的应用

5.7本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表论文目录