哈佛Lewis：多材料粘彈性墨水在3D打印頭中的控制策略

這一篇文獻(xiàn)是來自生物3D打印界大名鼎鼎的 Lewis 教授，文章主要提出了一種二合一式的打印頭噴嘴，并進(jìn)行建模分析提出了控制策略。

先看一眼最終打印了什么：

是不是挺酷的！
在連續(xù)地?cái)D出打印中，可以在兩種材料中實(shí)現(xiàn)切換，而且從圖中看出，精度還不錯(cuò)，結(jié)構(gòu)尺寸很小，顏色切換很清晰呢！
當(dāng)然，從圖片還可以看出，從紅色向白色的切換還是不能做到完美，在交界處的粉色還是比較明顯的。
上面這張圖里，最右下角的照片寫的是strained，意思是在受拉力情況下的照片，你看，兩種彈性模量不同的材料，打印的整體結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生神奇的效果，下一篇文章呼之欲出了。

這里還有一段視頻，很清晰地展示了材料切換的神奇能力：

怎么做到的呢？

加工了一個(gè)二合一的流道件，兩側(cè)接兩個(gè)注射泵，兩種材料在中心匯合為一，噴嘴有一處獨(dú)特設(shè)計(jì)，將原本的直徑d2=200um，擴(kuò)增到了d3=400um，這里的作用是將材料的界面銳化，如下圖所示：

直徑增大為2倍，則截面積增大為4倍，則過渡長度就能減小為1/4，是不是挺聰明的！

懂行的人可能要問了，這是什么材料，界面這么清晰，看起來應(yīng)該得挺黏吧！
是的！這是基于PDMS的材料，粘度在91Pa s左右，超粘的！下圖中的A和B就是紅和黑兩種材料。

咱們生物3D打印領(lǐng)域，使用的許多水凝膠材料，就是很黏的，有時(shí)甚至要將粘度值調(diào)高一些使得打印容易一些。

非常認(rèn)真地測試了材料的流變性，并得到了非牛頓流體的HB模型參數(shù)：

然后詳細(xì)分析了噴嘴內(nèi)部壓力與流速的具體關(guān)系，建模方法還挺有趣的，是將材料的粘彈性性質(zhì)與噴頭結(jié)構(gòu)對應(yīng)了電氣學(xué)中的電容、電阻，讓壓力對應(yīng)于電壓，讓流量對應(yīng)于電流，所以下圖中看到噴嘴出口處是傳說中的“接地”了：

不過，經(jīng)過大量的計(jì)算、推導(dǎo)之后，得到了一個(gè)簡單控制策略，或者說應(yīng)該是先實(shí)驗(yàn)了這個(gè)預(yù)想的控制策略，再進(jìn)行的公式推導(dǎo)吧。

簡單地說，在由紅向黑切換時(shí)，紅色向回吸一個(gè)值，同時(shí)黑色向下多擠一個(gè)值，就這么簡單。
這種打印模式前景廣闊，值得業(yè)內(nèi)重視。

作者：王赫然
來源：生物3D打印前沿科技

学习