一种跨尺度圆截面流道的3D打印工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种跨尺度圆截面流道的3D打印工艺，设计跨尺度圆截面流道网络的拓扑结构以及各流道直径；对喷头的打印路径进行规划，并根据各段流道的截面尺寸匹配对应的热熔融电喷印打印工艺参数；将热熔性打印材料引入到具有加热单元的打印喷头内进行加热熔化，按照路径规划控制喷头和打印平台进行运动，同时根据设定的打印工艺参数在洁净的硅胶基底上挤出热熔性材料，待热熔性材料迅速冷却固化，得到具有跨尺度圆截面的流道网络阳模；在流道网络阳模上方打印液态硅胶材料并加热固化作为密封层；在流道网络阳模出入口对应位置对密封层进行打孔，利用化学试剂溶解或加热熔化去除热熔性材料阳模，即得。

【技术实现步骤摘要】
一种跨尺度圆截面流道的3D打印工艺
本专利技术属于3D打印领域，具体涉及一种跨尺度圆截面流道的3D打印工艺。
技术介绍
随着人类在医学、军事、航空航天等领域的不断探索和进步，新型的、微型化的、超精密的复杂零件有着越来越重大的需求，而近几年迅速发展的3D打印技术凭借其特有的加工方式为复杂结构的研究提供了一个极好的平台，从而使立体结构与功能设计摆脱加工困难的禁锢，还可用于体外模型的构建和临床诊断等。其中，电喷印技术是一种新兴开发的加工制造技术，利用高压电场的作用，将有机或无机材料溶液进行纺丝拉制、沉积，从而实现特殊的应用。基于电喷印技术的新应用不断涌现，在医学研究、微纳制造工艺设备等方面不断出现新的突破。在医学研究方面，关于心血管疾病的诊断、治疗及发病机理的研究均有待进一步的提高。因此，了解其疾病机理及药物治疗效能对降低疾病相关的猝死起至关重要的作用。随着发病率的提高，对各种人工血管的需求也与日俱增，跨尺度圆截面流道的研究对于人工血管的发展有十分重要的意义。然而，传统制造人工血管的方法难以得到复杂且精细的血管，比如真实血管所具有的多变血管直径。在微纳制造工艺设备领域中，微流控技术是以微管道为网络连接微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测元件等具有光、电和流体输送功能的器件，最大限度地把采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等分析功能集成在芯片上的微系统。受限于经典软光刻工艺只能加工平面结构的缺陷，微流道常规设计为矩形截面。然而，圆截面流道有助于球状细胞的输运、挤压变形，对于模拟细胞在血管内的流体动力学以及提高微流道内细胞检测的灵敏度等具有重要意义。已经公开的专利技术专利CN108554467A中，涉及了一种制作三维微流控芯片的方法，该专利技术选用水溶性材料，基于3D打印技术加工出微流控芯片内部三维流道的中空模型；通过蘸水并迅速烘干处理，降低中空模型的外表面粗糙度；再对聚二甲基硅氧烷进行二次浇筑，待固化后，利用热水浴使水溶性材料溶解，得到具有三维通道结构的微流控芯片。然而，单工艺的3D打印使得该方法加工繁琐，生产效率较低，且仍旧为矩形截面流道的常规设计。已经公开的专利技术专利CN106859814A中，涉及了一种3D打印制造人造血管的方法，该专利技术通过用3D打印机将血管模型打印出来形成血管模具，内核与外模之间的填充蜡，利用控制内外壳之间的空间来控制血管壁的厚度。通过将热水与微小固体颗粒连续流经血管模具内部起到打磨作用。但对圆截面的变化直径的加工仍未提及。综上所述，尽管圆形截面的对称性便于理论分析与建模仿真计算，现阶段仍然缺少一种3D打印工艺来实现跨尺度圆形截面加工的有效方法。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种一种跨尺度圆截面流道的3D打印工艺，用以满足圆形截面流道直径可变的要求。为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：一种跨尺度圆截面流道的3D打印工艺，包括如下步骤：(1)设计跨尺度圆截面流道网络的拓扑结构以及各流道直径；(2)根据步骤(1)设计的拓扑结构对喷头的打印路径进行规划，并根据各段流道的截面尺寸匹配对应的热熔融电喷印打印工艺参数；(3)将热熔性打印材料引入到具有加热单元的打印喷头内进行加热熔化，按照步骤(2)所述的路径规划控制喷头和打印平台进行运动，同时根据设定的打印工艺参数在洁净的硅胶基底上挤出热熔性材料，待热熔性材料迅速冷却固化，得到具有跨尺度圆截面的流道网络阳模；(4)在步骤(3)得到的流道网络阳模上方打印液态硅胶材料并加热固化作为密封层；(5)在流道网络阳模出入口对应位置对密封层进行打孔，利用化学试剂溶解或加热熔化去除热熔性材料阳模，即得。具体地，步骤(2)中，所述的电喷印打印工艺参数为喷嘴和基底之间施加的高压电场以及喷头内喷印溶液所受到的压力。优选地，步骤(3)中，所述的热熔性打印材料为石蜡或者ABS。具体地，步骤(3)中，热熔性材料在电场的作用下从电喷印装置喷头处喷射形成具有圆形截面的连续射流，并且在打印平台上迅速冷却固化形成圆截面流道阳模；上述过程中，通过改变电场强度来实时调整连续射流的直径，从而实现具有不同直径的跨尺度流道阳模制造；此外，为了能够获得更大尺寸的圆截面流道，关闭高压电源，通过控制打印喷头内部的压力使热熔融材料从喷头挤出形成具有较大尺寸的圆截面流道阳模。具体地，步骤(3)中，所述的电场由高压直流电源提供，直流电源的两个输出端通过导线连接喷嘴与基底以形成稳定的高压电场。优选地，步骤(5)中，所述的化学试剂为丙酮或二甲苯。具体地，步骤(5)中，所述的加热熔化是采用加热处理将流道阳模熔化后，通过向流道网络的一端口通入高压气体来清除熔化的阳模材料。有益效果：本专利技术3D打印工艺创新之处在于能够进行跨尺度流道加工，该工艺使得效率显著提升，，通过控制高压电场强度等参数调整挤出细丝的直径精确得到具有不同直径的跨尺度圆截面流道；而且打印的质量较高，工艺流程的每一步都可以控制，所以相比传统方法有更好的品质。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做更进一步的具体说明，本专利技术的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。图1为本专利技术跨尺度圆截面流道的3D打印工艺的流程图。图2为实施例打印的跨尺度圆截面流道网络的拓扑结构。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术作详细说明。按照图1所示的工艺流程打印跨尺度圆截面流道，具体步骤如下：(1)设计跨尺度圆截面流道网络的拓扑结构和对应的流道直径。(2)根据步骤(1)设计的拓扑结构对喷头的打印路径进行规划，并根据各段流道的截面尺寸匹配对应的热熔融电喷印打印工艺参数，包括喷嘴和基底之间施加的高压电场以及喷头内喷印溶液所受到的压力等。(3)将热熔性打印材料引入到具有加热单元的打印喷头内进行加热熔化，按照步骤(2)所述的路径规划控制喷头和打印平台进行运动，同时根据设定的打印工艺参数在洁净的硅橡胶基底上挤出热熔融材料制造具有跨尺度圆截面的流道网络阳模；具体为热熔融材料在电场的作用下从电喷印装置喷头处喷射形成具有圆形截面的连续射流，并且在打印平台上迅速冷却固化形成圆截面流道阳模。上述过程中，可以通过改变电场强度来实时调整连续射流的直径，从而实现具有不同直径的跨尺度流道阳模制造。此外，为了能够获得更大尺寸的圆截面流道，可以关闭高压电源，通过控制打印喷头内部的压力使热熔融材料从喷头挤出形成具有较大尺寸的圆截面流道阳模。(4)重复上述不同尺寸的圆截面流道打印步骤，直至完成整个跨尺度圆截面流道网络的阳模打印。(5)在流道阳模的上方打印液态硅橡胶材料并加热固化作为密封层。(6)在流道网络出入口对应位置对密封层进行打孔，利用化学试剂溶解或加热熔化来去除牺牲阳模材料，得到跨尺度圆截面流道网络。图2是根据绘图软件设计的跨尺度圆截面流道网络拓扑结构。采用上述工艺制备具备图2所示网络拓扑结构的跨尺度圆截面流道。...

【技术保护点】
1.一种跨尺度圆截面流道的3D打印工艺，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)设计跨尺度圆截面流道网络的拓扑结构以及各流道直径；/n(2)根据步骤(1)设计的拓扑结构对喷头的打印路径进行规划，并根据各段流道的截面尺寸匹配对应的热熔融电喷印打印工艺参数；/n(3)将热熔性打印材料引入到具有加热单元的打印喷头内进行加热熔化，按照步骤(2)所述的路径规划控制喷头和打印平台进行运动，同时根据设定的打印工艺参数在洁净的硅胶基底上挤出热熔性材料，待热熔性材料迅速冷却固化，得到具有跨尺度圆截面的流道网络阳模；/n(4)在步骤(3)得到的流道网络阳模上方打印液态硅胶材料并加热固化作为密封层；/n(5)在流道网络阳模出入口对应位置对密封层进行打孔，利用化学试剂溶解或加热熔化去除热熔性材料阳模，即得。/n

【技术特征摘要】
1.一种跨尺度圆截面流道的3D打印工艺，其特征在于，包括如下步骤：
(1)设计跨尺度圆截面流道网络的拓扑结构以及各流道直径；
(2)根据步骤(1)设计的拓扑结构对喷头的打印路径进行规划，并根据各段流道的截面尺寸匹配对应的热熔融电喷印打印工艺参数；
(3)将热熔性打印材料引入到具有加热单元的打印喷头内进行加热熔化，按照步骤(2)所述的路径规划控制喷头和打印平台进行运动，同时根据设定的打印工艺参数在洁净的硅胶基底上挤出热熔性材料，待热熔性材料迅速冷却固化，得到具有跨尺度圆截面的流道网络阳模；
(4)在步骤(3)得到的流道网络阳模上方打印液态硅胶材料并加热固化作为密封层；
(5)在流道网络阳模出入口对应位置对密封层进行打孔，利用化学试剂溶解或加热熔化去除热熔性材料阳模，即得。


2.根据权利要求1所述的跨尺度圆截面流道的3D打印工艺，其特征在于，步骤(2)中，所述的电喷印打印工艺参数为喷嘴和基底之间施加的高压电场以及喷头内喷印溶液所受到的压力。


3.根据权利要求1所述的跨尺度圆截面流道的3D打印工艺，其特征在于，步骤(3)中，所述的热熔性打印材...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐文来，冯迪，王广华，李子淇，
申请(专利权)人：南京智能高端装备产业研究院有限公司，南京师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32