一粒3 d打印机:设备设计和工艺参数优化

文摘

小说丸3 d打印机首次开发,及其结构构造了三个主要部分组成。这个设备中使用的材料是聚已酸内酯(PCL),这是称赞其良好特性的生物制造和化学工业。三个基本参数有重要影响印刷的直径纤维使用L系统研究₉(3⁴)正交设计表。使用熔融沉积造型(FDM)方法,一些产品与这台机器印刷。结果表明,步进电机的速度最重要影响印刷纤维的直径。最优参数,步进电机的速度是1.256毫米³年代⁻¹喷嘴移动速度的9.6毫米⁻¹,1.1毫米的高度和喷嘴之间的平台。缺陷和空白,扭曲和表面质量差被发现与不同的工艺参数组合。通过使用发达颗粒3 d打印机,pre-step细丝可以避免,这将带来便利FDM 3 d印刷。

1。介绍

聚已酸内酯(PCL)是广泛应用于组织工程,包括工程和自然科学(1]。生物材料和制造方法发达时,使用了关注(2- - - - - -4]。PCL的良好的生物相容性和与其他聚合物的兼容性,使其良好的支架材料,特别是在生物制造和化学工业5,6]。高等人伪造nanofibrous PCL支架与3 d可控几何形状进行细胞细胞增殖并创建一个优秀的环境通过电纺的(7]。Didaskalou等人介绍了一个可持续的膜基合成分离平台拆分organocatalysis,使膜的重要组件(8]。王等人产生了PCL /骨应用碳纳米管支架extrusion-additive制造业,和被证明是更有利的优势PCL的化学、物理和生物的观点(9]。肖等人使用乳液冻干准备四种类型的多孔支架和调查的优缺点不同重量比率的PCL / PMCL为了维持人类诱导肝细胞(10]。雪等人结合PCL与铁膜₃O₄纳米粒子通过电纺的技术,并显示其有益的亚甲蓝的潜力高的催化剂可回收性(11]。PCL的降解特性,认为Ponjavic等人介绍了Poly-ethylene氧化物(PEO)作为中央或横向PCL链段,研究了共聚物水解和生物降解性能12]。PCL结合聚乳酸(PLA),林等人与单层改进的键的强度,调温过渡方法(13]。一般来说,PCL并扮演着重要的角色在组织工程,生物,化学,然而,它仍然需要合适的生产流程,如电纺和挤压加法制造。

作为一种添加剂制造技术、3 d印刷、数字模型转换成物理对象,具有在制造功能材料和结构(14]。选择性激光熔化(SLM),熔融沉积造型(FDM)和选择性激光烧结(SLS)是三个主要的3 d打印技术。过程优势的低成本、高速度、和方便,FDM关注叠加热塑性聚合物,在喷嘴加热并挤压到上一层或平台,一层一层地。通常,FDM可以满足各种机械结构多样化的要求使用通过结合不同的材料。例如,康等人发明了一个集成的组织器官打印机使用cell-laden与可降解聚合物水凝胶(PCL)制造稳定,宏观组织结构的任何形状(15]。Rao等人研究了闭环回收的潜力的解放军用FDM [16]。壮族等人用FDM结合解放军准备一系列的塑料物品各向异性电阻和热分布(17]。格里菲斯等人做了一个实验设计方法的优化能源和废物在3 d打印,并证明了积极的结果(18]。此外,改善机械性能,应该考虑一些必要的参数:层厚度、宽度、纤维的取向,差距(19]。的趣事和赵改善打印的分辨率纤维和印刷增厚或弯曲模式通过优化挤出速度、喷嘴的移动速度和喷嘴的高度高于平台(20.]。然而,土层变形,触感的扭曲,表面质量和力学性能仍然疲软需要解决(21,22]。克服的困难有限数量的热塑性材料出现在FDM(也是一个挑战19]。

多种聚合物被用于3 d打印,因为他们很容易获得,这也是在FDM使用聚合物有效。解放军和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)是常用的聚合物,通常作为丝为下一步做准备。PCL疲弱的熔体强度意味着它不能被挤压成细丝。因此,纯PCL总是不符合传统FDM工艺的要求(3,22]。一些生物材料不良影响从制作成细丝的步骤23]。另一方面,与纤维相比,塑料颗粒有低成本的优势,生产过程更容易,更自由的尺寸定制。然而,很少有关于微型颗粒3 d打印机的信息。Goyanes等人粉材料使药物产品使用3 d打印(24]。和怀等人介绍了挤压设备解放军颗粒聚合物产品。提到的结构和温度控制系统的设计(25]。在此,我们首先开发了一个小球3 d打印机使用纯PCL为3 d印刷颗粒。然后一些参数,如挤压速度,移动速度的喷嘴,喷嘴高度,为了更好地优化印刷经验的纤维通过正交试验使用L₉(3⁴)正交设计表。此外,开发3 d打印机可以使用更多的材料除了PCL,及其印刷产品的能力更准确、高效地将与进一步发展成为现实。

2。实验

2.1。材料

PCL(卡帕^™6400)是购自Perstorp有限公司(上海,中国),分子量为37000、59℃熔化温度。提供的材料以颗粒形式,大约。3毫米的小球。熔体流动速率(MFR)从27到71克/ 10分钟不等。

2.2。打印机的结构

图1(一个)显示工作系统的流程图。在图所示的打印机1(一)三个部分。由步进电机上部(42 hb47pl020r-tk0模型)和安装支架,用于维持电机和打印机连接到3 d移动平台。中间部分是由耦合,定制螺丝,柱子和颗粒存储。定制的螺杆的参数表中列出1。考虑必要的需要,不同的颗粒可以挤压设备,考虑到非标准螺丝。下半部分包含挤压筒、小喷嘴( )和加热块。除了挤压筒,加热块和小喷嘴是铜做的,支架,柱子和颗粒存储都是铝。小喷嘴和桶使用螺纹连接,而其他部分使用针使无形的连接图1(b)。

2.3。实验的过程

在挤压之前,PCL丸在35℃真空烘箱干12 h。喂养PCL丸进入存储后,步进电机把螺丝送球到在适当的速度,加热区温度是65℃,这有点高于熔化温度。如图2,球穿过球区,玻璃化转变区,和熔化层,然后的熔融挤压PCL是纤维堆积一层一层地形成图等产品3。打印模式取决于切片软件生产的刀位点。和一些输入工艺参数如行间距(0.6毫米),和填充率(100%)设置适当让实验结果更清晰。

当温度将低于熔化温度,PCL很难挤压玻璃化转变时期。如果高,PCL将聚集在喷嘴的出口。最优的温度范围窄,必须考虑的滞后。产品印刷更成功,加热温度是暂时搁置,进一步的研究将专注于它。换句话说,步进电机的速度 ,喷嘴的移动速度 ,和高度从喷嘴到平台的主要因素,影响印刷质量的纤维。步进电机的速度是由电动机驱动的细分数量决定的,可以提供超过三个级别的速度。喷嘴的移动速度和高度从喷嘴到平台依赖于3 d移动平台。所有这三个参数给出了不同影响印刷纤维的直径。因为体积守恒定律,当步进电机的速度变得更快,直径变大。喷嘴的移动速度越快,越薄的纤维。从喷嘴高度平台打印纤维作为扰动,这种扰动的影响复位。和一些工作的趣事有相似之处(这一部分20.]。使用三种不同的发动机在控制这三个参数分别,它们之间的相互作用是微不足道的。

在实验中,一个方形环(50毫米×50毫米)是印刷,每条边的直径测量和记录。实验进行的室温23℃,和所有的戒指都先后没有第二喂球。每个环测量三次,以确保结果的可靠性。在得到最优参数组合,几个长方体(10毫米×10毫米)印刷比较不同参数组合的质量。

2.4。实验设计表

适当的实验设计有助于实验和结果更加信息化,Szekely等人使用液相色谱串联质谱(质/ MS)方法辅助优化和鲁棒性测试(26,27]。Karakocak等人用中心组合设计和响应面方法在bioimaging [28]。和丰田等人做了一个流程优化的申请liposomalization吸收FK506 [29日]。实验需要一个简洁的设计过程中,准确的结果,一个简单的方法来重复这个实验。但上述三个因素作为多个影响因素时进行实际实验。全析因设计和部分因子设计是在多因素实验中两种主要的方法。然而很难完成一个完整的阶乘设计,特别是当实验的样品太大了,节省时间和精力。部分因子试验,正交试验设计(OED)是广泛应用于多因素试验。利用其正交性,一些代表点选择代表必要的实验样本中所有的阶乘实验。此外,牛津英语词典》提供了一个有用的方法来预测部分的全因子实验通过分析实验(30.,31日]。使用牛津英语词典》有三个主要优点:(1)均匀分布的数据点,(2)减少实验的数量,(3)轻松地分析实验结果与范围的贡献分析和方差分析(方差分析)。在《牛津英语词典》应用于优化工艺参数。

正如上面提到的,主要影响因素影响印刷纤维的直径在挤压过程中步进电机的速度、喷嘴的移动速度,高度从喷嘴到平台。考虑到实际情况,每个影响因素由三个层次组成。表2显示所有的三个影响因素及其水平。印刷纤维的直径,在这个平台上被选中的测试指标。和这个实验使用L₉(3⁴)表。表3显示的标题设计正交试验。表4显示所有的每一个实验的因素,而空白列将访问错误根据正交设计理论。

3所示。结果与讨论

3.1。死肿胀现象

由于高分子材料的粘弹性,死肿胀现象,一些材料将成为略大于喷嘴的孔径,而挤压出现(32]。物理性质和挤压压力主要是解释这一现象。如图4,死的利率肿胀不同于彼此,因为步进电机的速度不同。为了方便起见,在这个研究中被选为肿胀率。当印刷纤维最终连接到平台,他们的理想化的直径倍喷嘴孔径。这个参数被选为标准计算。

3.2。印刷参数的分析和优化

3.2.1之上。范围分析

经过几次实验,结果填写表格4。和进一步的计算是基于表中的结果4得到的最优参数组合。此外,根据上面的部分,0.6毫米是理想的孔径喷嘴直径是0.5毫米。在分析中, , ,和代表印刷纤维的平均直径和数量水平( )区分不同因素,R的值的范围 , ,和并用于访问每个因素的重要性。的大小R确定每个因素的重要程度越大R价值,更重要的因素。这些结果都显示在表5。依赖于R价值观的重要性因素对于直径跟着这个序列:步进电机的速度>喷嘴>高的移动速度从喷嘴到平台。在图5,打印的直径之间的关系所示的三个因素是纤维和更直观的方法。根据图5选择最小值,应该是最好的组合为了获得最小的差的绝对值。换句话说,最优工艺条件是:步进电机速度为1.256毫米³年代⁻¹喷嘴移动速度的9.6毫米⁻¹和1.1毫米高度从喷嘴到平台。

3.2.2。方差分析

方差分析应用访问的重要性因素(33,34]。表6方差分析的结果显示,以印刷纤维的直径为观察指标。如表所示6, - - - - - -值,均方误差(女士),F以及统计数据,偏差的平方的总和(党卫军)和自由度(DF)由五个基本的价值观。的大小比给定值α显著性水平( )确定如果每个因素有重大影响印刷纤维的直径。统计显著性水平设置如下:∗如果∗∗如果 。P_一个计算在0.01到0.05,这表明改变因素呢对观察到的指数最重要的影响。而和大于0.05,这表明变化的因素B和C有一个观察指数的影响几乎可以忽略不计。总之,方差分析表明,步进电机的速度最重要影响印刷纤维的直径、喷嘴的移动速度只有很小的影响,并从喷嘴高度的平台并没有从本质上影响直径。

3.3。印刷PCL产品

正如上面所讨论的,层厚度、gap、触感的扭曲了,可怜的表面质量明显影响了印刷产品的视觉外观。例如,更深的层厚度,溢出的可能性就会越大。差距不可避免地导致了内部和外部缺陷。非常大或非常小的直径,通过调整三个影响因素的组合,可能导致这些缺陷。在数据6(一)- - - - - -6 (c),几个长方体与2,4,6层显示对比的应用最优参数和其他参数。使用最优参数使产品更顺利,更定期。然后,当打印机用于生产其他形状的结构,如循环和信件,适当的和适当的直径圆插补算法容易产生产品图7。

4所示。结论

小说三维颗粒打印机开发在这项研究中,使它方便使用球团矿3 d印制技术相比传统的灯丝打印机。PCL的颗粒被FDM工艺直接挤压成不同的形状。至于过程窗口,正交实验系统进行了选择最优参数的步进电机的速度、喷嘴的移动速度,高度从喷嘴到平台。根据结果,可以得出以下结论:(1)开发的3 d打印机使用球团矿为原料,有更多的潜在的而不是在FDM丝3 d印刷。(2)由于PCL的粘弹性,出现挤压期间死肿胀现象。因此涉及三个重要的参数来调整打印纤维的直径。(3)根据方差分析,步进电机的速度最重要影响印刷纤维的直径( ,而P属于0.1 - -0.5),其次是喷嘴的移动速度( ,而 )然后从喷嘴高度平台( ,而 )。(4)更大或更小的直径太大可能会导致缺陷如溢出,out-layer翘曲,差距,可怜的表面质量。最终确定最优工艺条件是1.256毫米的步进电机速度³年代⁻¹喷嘴移动速度的9.6毫米⁻¹,1.1毫米的高度从喷嘴到平台。在这种情况下,产品形状的长方体,圆圈和字母比生产nonoptimal参数。作为进一步的前景,这个设备可以应用到不同类型的材料和有可能使产品更快、更准确。一些缺点如喂养困难和稳定仍然存在一些问题。对于下一步的计划,我们将专注于改善结构,温度的控制,扩大各种聚丙烯(PP)等材料。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢金融支持中国国家自然科学基金委员会(51875519号和51821093号和51635006号),以及中国的浙江省自然科学基金(没有。LZ18E050002)。

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