一种微细血管管道3D打印路径预测方法技术

本发明专利技术公开一种微细血管管道3D打印路径预测方法，针对喷墨打印过程中液滴的冲击力，对其冲击造成的变形进行预补偿路径计算，得到理想状态的微细血管。该方法首先简化打印微细管为曲梁，然后构建液滴冲击曲梁引起的变形方程组，包括冲击力计算，参与计算参数标定；对该方程组进行求解，求解时首先计算曲梁力矩分布，根据分布力矩，计算曲梁任意位置角度变化情况，根据曲梁任意角度变化情况，计算变形前曲梁位置改变情况，反推出原未变形时曲梁的形状。由于在打印过程中，打印好部分的管道所受重力和浮力相等，考虑冲击力为主要影响曲梁结构变形能更好反映和适应实时情况，该方法得到的轨迹较好地解决了打印过程中大变形导致的打印失败问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于生物制造领域，涉及一种微细血管管道3D打印路径预测方法。
技术介绍
细胞打印是组织工程中新兴的技术，近10年来，国外对细胞打印的进行了初步的研究，对多种类型的细胞打印成形已经进行了实验尝试。目前，细胞打印主要有两种方式，其一是激光直写方式，其二是类似喷墨打印的细胞喷射方式。由于喷墨打印具有低喷射液滴速度、无需加热等优点，如今的喷墨技术也被广泛应用于细胞打印工程中。目前对细胞打印的研究针对的是打印细胞的活性，而对细胞打印方式，缺乏深入的研究，其适用介质的范围，打印时间间隔和打印驱动脉宽等打印控制参数对细胞损伤的影响，以及细胞悬液的密度对打印效果的影响等缺乏详实的分析，缺乏细胞打印过程中细胞受损的理论依据，不但限制了其应用，而且严重阻碍了专用细胞喷射装置的研制，无法实现工程化细胞打印。K.K.Haller对细胞液滴与刚性表面的碰撞作用进行了建模分析，当液滴撞击到表面时，液滴会被压缩和不断的变形；Wei Wang工作团队分析了在气泡膨胀的过程中，细胞液滴的机械负载情况，研究了在液滴形成过程中细胞受损的机理，并且分析了粘度对气泡膨胀过程的影响，然后针对细胞的着落过程，研究了单个细胞液滴与水凝胶之间的碰撞过程；但是上面的建模分析大部分是针对单一液滴或者单个细胞而言的，现实中细胞打印过程是细胞层层堆积的过程，这过程中伴随了多颗打印生物墨滴的着落粘附与碰撞，这些因素造成打印管壁的变形，甚至打印完全失败，因此考虑打印过程中细胞液滴造成的冲击力影响，并根据冲击力引起的变形方程，反推出未变形前的曲线段序列作为打印轨迹，可以得到较为理想的打印形状。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，在微细血管3D打印方面，提出一种打印预补偿路径的方法，该方法考虑液滴喷射造成的冲击、重力、浮力等诸多影响因素，以理想的圆管为目标，并将打印过程中的管壁简化成曲梁模型进行变形求解，最后得到一系列分段曲线作为补偿打印路径。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案包括以下步骤：步骤(1).打印初始参数准备：设定打印微细血管参数，包括打印管道厚度、半径、长度值、材料参数等，根据打印管道厚度，控制打印机输出频率和电压大小，得到相应直径的液滴以及液滴的速度，进而计算液滴造成的冲击力，整合冲击力、浮力、重力，并对其竖直方向和水平方向进行分解，得到作用在打印微细管上水平和竖直方向的受力分析；步骤(2).打印过程简化曲梁方程组构建，以及方程组求解：微细血管在打印过程中进行简化建模，这里将打印过程中的微细管视作曲梁，将整个打印过程沿打印管道圆周方向分为相同长度的分段打印轨迹，以曲梁端部受冲击力进行变形的过程作为微细血管在打印过程中所受力后的变形，然后根据整合的受力分析建立具体方程组，方程组的建立过程：首先根据分段打印轨迹单元的受力平衡，得到平衡方程，然后根据力系等效关系，得到变形后分段打印轨迹的分布载荷方程，最后根据轴向力，得到轴线的伸长率方程。该方程组的求解过程分三步进行，第一步计算在竖直方向力的作用下简化曲梁力矩分布求解；第二步计算在力矩作用下曲梁对应位置发生的角度变形，第三步根据角度变化计算变形后的做标改变值，对得到的坐标值进行拟合，从而推导出变形前形状曲线。重复三步计算，得到若干分段打印轨迹曲线，作为若干打印预测路径。步骤(3).预测轨迹的形成：按照角度关系由小到大排列上述步骤(2)若干分段打印轨迹曲线，得到预测微细血管打印轨迹。目前微细血管的打印过程还处于实验阶段，主要靠经验来打印模型，本专利技术以打印过程中受到的综合力学进行动态分析，从而补偿打印冲击产生的变形，得到比较理想的打印形状，对微细血管的打印具有重要的指导意义。本专利技术方法简单可靠，很容易上手，便于使用。附图说明图1是本专利技术方法的受力分析图；图2是微细血管打印过程具体算法流程图；图3是一个预测好的打印轨迹实例。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步的分析。由图2所示，本专利技术方法包括如下步骤：步骤(1).根据设定的打印微细血管参数，计算液滴冲击力Fimpact：所述的打印微细血管参数包括打印管道厚度h，打印管道半径r，打印管道长度值b，打印材料弹性模量E。1.1根据打印管道厚度h，控制打印机输出频率和电压大小，得到相应直径为d的液滴以及液滴的速度b，液滴的直径以及速度由现有高速摄像机摄像并计算得到；1.2根据液滴直径d大小，由式(1)计算得到液滴质量：mdrop=ρdrop*43π(d2)3---(1)]]>其中ρdrop为液滴的密度；1.3根据步骤1.2得到的液滴质量mdrop、打印材料弹性模量E，由式(2)计算得到液滴产生的冲击力Fimpact：Fimpact=43(d2)(1/2)E*δz(3/2)---(2)]]>其中液滴半径R＝d/2,δZ为中间变量，因该冲击力Fimpact竖直向下，所以竖直方向微血管受力PV＝Fimpact，水平方向微血管受力PH＝0；步骤(2).根据步骤(1)液滴的冲击力Fimpact，计算圆形微细血管变形量，由变形量反求出变形前轨迹序列,算法的核心思想是把打印过程中的微细血管简化成曲梁结构，由变形后的结果推导出变形前该血管的形状，可以将整个打印过程分段为N段拼接完成的过程，理论上只要所细分的N段无限接近于打印层高，所预测的轨迹也越近于理想状态的圆形；因打印血管是轴对称模型，因此打印过程简化后的力学模型如图1表示：图1中，质量为mdrop带细胞的液滴速度为b,产生的冲击力为Fimpact,在管底部位置A处产生竖直方向的反作用力VY和水平方向的反作用力VZ，及力矩MA；整个打印预测轨迹的算法流程图如图2所示；2.1设定打印过程中的微细血管简化成曲梁结构，将整个打印过程沿打印管道圆周方向分为相同长度的分段打印轨迹，设定打印分段参数为N；N值越大，得到打印轨迹最后结果也越接近理想圆；2.2计算第i段分段打印轨迹序列，设i的初始值为1，执行完下列步骤2.3-2.9后重新赋予i＝i+1，直至i值大于等于N后执行步骤(3)；2.3中间计算参数准备，得到第i段分段打印轨迹的微细血管变形方程组(3)其中1≤i≤N：式中：冲击力作用下圆弧变形量a1=C1*C3C4,a2=C2*C3L*C4,a3=C32L2*C4;]]>C1=bh*k1(δ),C2=bh2*k2(δ),C3=bh3*k3(&delt本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微细血管管道3D打印路径预测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤(1).根据设定的打印微细血管参数，计算液滴冲击力Fimpact：所述的打印微细血管参数包括打印管道厚度h，打印管道半径r，打印管道长度值b，打印材料弹性模量E；1.1根据打印管道厚度h，控制打印机输出频率和电压大小，得到相应直径为d的液滴以及液滴的速度b；1.2根据液滴直径d大小，由式(1)计算得到液滴质量：mdrop=ρdrop*43π(d2)3---(1)]]>其中ρdrop为液滴的密度；1.3根据步骤1.2得到的液滴质量mdrop、打印材料弹性模量E，由式(2)计算得到液滴产生的冲击力Fimpact：Fimpact=43(d2)(1/2)E*δZ(3/2)---(2)]]>其中液滴半径R＝d/2,δZ为中间变量，因该冲击力Fimpact竖直向下，所以竖直方向微血管受力PV＝Fimpact，水平方向微血管受力PH＝0；步骤(2).根据步骤(1)液滴的冲击力Fimpact，计算圆形微细血管变形量，由变形量反求出变形前轨迹曲线序列：2.1设定打印过程中的微细血管简化成曲梁结构，将整个打印过程沿打印管道圆周方向分为相同长度的分段打印轨迹，设定打印分段参数为N；2.2计算第i段分段打印轨迹序列，设i的初始值为1，执行完下列步骤2.3～2.9后重新赋予i＝i+1，直至i值大于等于N后执行步骤(3)；2.3根据整合的受力分析，建立第i段分段打印轨迹的微细血管变形方程组(3)，其中1≤i≤N：式中：冲击力作用下圆弧变形量a1=C1*C3C4,a2=C2*C3L*C4,a3=C32L2*C4;]]>C1＝bh*k1(δ),C2＝bh2*k2(δ),C3＝bh3*k3(δ),k1(δ)=1δln2+δ2-δ,k2(δ)=1δ2(δ-ln2+δ2-δ),k3(δ)=1δ3(ln2+δ2-δ-δ);]]>其中：PV表示打印过程沿竖直方向微血管受力；PH表示打印过程沿水平方向微血管受力；θ表示变形前分段打印轨迹任意点处角度表达；θ0,θ1表示变形后分段打印轨迹任意点处角度表达；x0表示变形前x方向坐标值表达；y0表示变形前y方向坐标值表达；x表示变形后x方向坐标值表达；y表示变形后y方向坐标值表达；u表示分段打印轨迹圆弧上任意点沿X方向变形量；w表示分段打印轨迹圆弧上任意点沿Y方向变形量；L表示待打印微小血管的长度；C1,C2,C3表示横截面几何性质以及轴线初始曲率相关的几何参数；C4为中间变量值；分别表示在离散力矩位置变化处角度的余弦值和正弦值；ε表示分段打印轨迹角度值；δ表示打印管道厚度与半径的比值；2.4根据方程组(3)中公式计算分段打印轨迹力矩分布值m，在分段打印轨迹上得到n处力矩的有限离散分布，其中n为计算时离散的点的数目：2.5根据分段打印轨迹离散力矩分布方程组(3)中公式计算分段打印轨迹n处力矩分布处角度变化值θ1,从而计算这n处对应变化前的角度计算公式为θ0＝ε‑θ1；2.6根据角度变化值方程组(3)中公式计算得到这n处位置变形前的X方向变形量u；2.7根据角度变化值方程组(3)中公式计算得到这n处位置变形前的Y方向变形量w；2.8根据公式x0＝x‑u,y0＝y‑w,得到变形前n个曲线点坐标集合Z；2.9通过B样条曲线拟合方程2.8得到的曲线点坐标集合Z，得到角度区间为的变形前曲线curvei，将其纳入集合P；步骤(3).按照角度关系由小到大排列曲线集合P中各曲线元素，得到预测微细血管打印轨迹。...

【技术特征摘要】
1.一种微细血管管道3D打印路径预测方法，其特征在于该方法包括
以下步骤：
步骤(1).根据设定的打印微细血管参数，计算液滴冲击力Fimpact：
所述的打印微细血管参数包括打印管道厚度h，打印管道半径r，打印
管道长度值b，打印材料弹性模量E；
1.1根据打印管道厚度h，控制打印机输出频率和电压大小，得到相应
直径为d的液滴以及液滴的速度b；
1.2根据液滴直径d大小，由式(1)计算得到液滴质量：
mdrop=ρdrop*43π(d2)3---(1)]]>其中ρdrop为液滴的密度；
1.3根据步骤1.2得到的液滴质量mdrop、打印材料弹性模量E，由式(2)
计算得到液滴产生的冲击力Fimpact：
Fimpact=43(d2)(1/2)E*δZ(3/2)---(2)]]>其中液滴半径R＝d/2,δZ为中间变量，因该冲击力
Fimpact竖直向下，所以竖直方向微血管受力PV＝Fimpact，水平方向微血管
受力PH＝0；
步骤(2).根据步骤(1)液滴的冲击力Fimpact，计算圆形微细血管变形
量，由变形量反求出变形前轨迹曲线序列：
2.1设定打印过程中的微细血管简化成曲梁结构，将整个打印过程沿
打印管道圆周方向分为相同长度的分段打印轨迹，设定打印分段参数为N；
2.2计算第i段分段打印轨迹序列，设i的初始值为1，执行完下列步
骤2.3～2.9后重新赋予i＝i+1，直至i值大于等于N后执行步骤(3)；
2.3根据整合的受力分析，建立第i段分段打印轨迹的微细血管变形

\t方程组(3)，其中1≤i≤N：
式中：冲击力作用下圆弧变形量a1=C1*C3C4,a2=C2*C3L*C4,a3=C32L2*C4;]]>C1＝bh*k1(δ),C2＝bh2*k2(δ),C3＝bh3*k3(δ),k1(δ)=1δln2+δ2-δ,k2(&delta...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚友平，吕云鹏，陈国金，苏少辉，陈昌，陈慧鹏，刘海强，彭章明，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33