CN113427766A - 一种生物墨水3d打印直线元素的工艺参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物墨水3D打印直线元素的工艺参数优化方法，步骤为：S1、通过对3D打印工艺分析，确定影响生物墨水3D打印直线元素效果的工艺参数；S2、定义生物墨水3D打印直线元素的尺寸误差及其测量方法；S3、通过筛选试验获得各工艺参数的可打印范围；S4、通过交互作用试验确定田口法正交试验表；S5、完成田口法正交试验，对尺寸误差采用信噪比分析获得最优工艺参数；该工艺参数优化方法能够方便、快速准确、可靠地得到试用不同生物墨水和/或挤出式3D打印机在进行生物墨水3D打印直线元素时的最优工艺参数组合。

Description

一种生物墨水3D打印直线元素的工艺参数优化方法

技术领域

本发明涉及生物墨水3D打印技术领域，特别涉及一种生物墨水3D打印直线元素的工艺参数优化方法。

背景技术

生物墨水被定义为包含生物组分或生物材料的混合物凝胶，一般采用3D打印进行加工。近年来，由植物组分(纤维素，木质素等)制备的生物墨水得益于价低、无毒无害、可持续性、来源充足以及机械性能良好等优点受到了学术界、生物界和工业界的广泛关注被成功应用于组织培养、康复工程等医学领域以及电池、传感器、记忆材料等工业领域。生物墨水的广泛应用对生物墨水3D打印的工艺参数优化提出了高要求。生物墨水3D打印工艺参数的设置对最终成型零件的精度和质量起到至关重要的作用，且生物墨水3D打印对生物墨水、3D打印机没有通识性，不同的生物墨水在相同的3D打印机上打印时最优参数不同，相同的生物墨水在不同的3D打印机上打印时最优参数不同。若在不合适的工艺参数下进行生物墨水3D打印则容易出现气孔、不连续、尺寸精度低等缺陷。因此，工艺参数的优化是生物墨水3D打印的基础和必不可少的工作。在利用生物墨水通过3D打印成型为零件的过程中，3D打印而成的直线元素是最基本的工艺元素，高精度的直线元素是最终成型零件精度和质量的保证。因此，生物墨水3D打印直线元素的工艺参数优化是生物墨水3D打印工艺参数优化中最基本最重要的一步。

然而，目前对生物墨水3D打印的工艺研究还只集中于通过实验法确定生物墨水3D打印的可打印参数范围。现有技术的通过实验法确定生物墨水3D打印的可打印参数范围的方法只能提供生物墨水3D打印工艺参数的一个可选范围而不是一个明确的优化参数组合，导致生物墨水3D打印的直线元素质量不一，且很难达到最优质量。因此，在实际工程应用中，尚缺乏一种方便、快速准确、可靠的生物墨水3D打印直线元素的工艺参数优化方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够方便、快速准确、可靠地得到不同生物墨水和/或不同挤出式3D打印机在进行生物墨水3D打印直线元素工艺中的最优工艺参数组合的生物墨水3D打印直线元素的工艺参数优化方法。

为此，本发明技术方案如下：

一种生物墨水3D打印直线元素的工艺参数优化方法，步骤如下：

S1、通过对3D打印工艺分析，确定影响生物墨水3D打印直线元素效果的工艺参数；

S2、定义生物墨水3D打印直线元素的尺寸误差及其测量方法；

S3、通过筛选试验获得各工艺参数的可打印范围；

S4、通过交互作用试验确定田口法正交试验表；

S5、完成田口法正交试验，对尺寸误差采用信噪比分析获得最优工艺参数。

进一步地，步骤S1的实施步骤为：

S101、基于生物墨水3D打印直线元素的工艺过程，确定喷嘴底部到基板的距离h、活塞的速度v_p和喷嘴直线运动速度v_n为三个可以人为设定的变量，影响3D打印工艺效果；

S102、由于活塞的速度v_p和喷嘴直线运动速度v_n这两个工艺参数之间存在关联关系，因此替换上述两个工艺参数为喷嘴直线运动速度v_n和挤出系数E；其中，

式中，D_s为挤出式3D打印内挤出装置中的针管内径，D_n为挤出式3D打印内挤出装置中的喷嘴内径；

S103、最终确定影响生物墨水3D打印直线元素效果的工艺参数为：喷嘴直线运动速度v_n，挤出系数E，和喷嘴底部到基板的距离h。

进一步地，在步骤S2中，定义在生物墨水3D打印直线元素上的各采样点处的直线元素宽度与全部N个采样点处的直线元素宽度的平均线宽之间的偏差值为生物墨水3D打印直线元素的尺寸误差；其中，N个采样点沿生物墨水3D打印直线元素的长度方向均布设置。

进一步地，步骤S2中，生物墨水3D打印直线元素的尺寸误差的测量方法为：

1)在生物墨水3D打印完成的直线元素下方放置一把直尺，并使直尺平行于该直线元素，以作为直线元素的尺寸参考；然后，利用相机以相机镜头竖直向下垂直于3D打印机基板的方式采集包含有直线元素和直尺的照片；

2)在相片处理软件中打开照片，并在照片中的直线元素上沿直线方向以Δl的间隔距离设置N个采样点，以放在直线元素下方的直尺作为尺寸参考，测量得到各采样点处直线元素的线宽w_i(i＝1,2,...,N)；

3)根据公式：

计算直线元素上N个采样点处测量的多个线宽值的平均线宽

4)根据公式：

计算每个采样点上生物墨水3D打印的直线元素的尺寸误差；式中，e_i是第i个采样点上生物墨水3D打印的直线元素的尺寸误差。

进一步地，为保证充分考虑到生物墨水3D打印过程的不均匀性，相邻采样点5间距Δl应满足：Δl≤2mm。

进一步地，步骤S3的具体实施步骤为：

S301、确定喷嘴直线运动速度v_n的可打印范围：

1)设置喷嘴底面距离基板20mm，挤出系数E为1，喷嘴直线运动速度v_n的取值范围及取值间隔，并根据公式：

计算得到对应的活塞的速度v_p；

2)设置喷嘴固定不动，按步骤1)计算得到的不同活塞的速度v_p来控制活塞运动，获得不同活塞的速度v_p下的3D打印直线元素，观察生物墨水在空气中的成型纤维，选择成型纤维稳定、连续、无突变的结果对应的活塞的速度v_p所对应的喷嘴直线运动速度v_n的条件，从而确定喷嘴直线运动速度v_n的可打印范围；

S302、确定挤出系数E和喷嘴底部到基板的距离h的可打印范围：

1)根据步骤S301所得喷嘴直线运动速度v_n的可打印范围，设置喷嘴直线运动速度v_n为可打印范围的中位值；设置挤出系数E在筛选试验中的经验取值范围及取值间隔；设置喷嘴底部到基板的距离h的经验取值范围及取值间隔；

2)首先基于步骤1)的设置确定h的取值为其经验取值范围的中位值，并根据挤出系数E在筛选试验中的经验取值范围及取值间隔进行若干组打印并对应得到若干条3D打印直线元素；然后选择直线元素稳定、连续、无突变的结果为挤出系数E的可打印范围；

3)首先基于步骤2)的结果确定挤出系数E的取值为其新取值范围的中位值，并根据步骤1)的设置的确定的喷嘴底部到基板的距离h的取值范围及取值间隔，进行若干组打印并对应得到若干条3D打印直线元素；然后选择直线元素稳定、连续、无突变的结果为喷嘴底部到基板的距离h的可打印范围。

进一步地，步骤S4的具体实施步骤为：

S401、将经过步骤S3获得的各项工艺参数按照可打印范围的最小值，中间值和最大值分别设置为水平一、水平二和水平三；

S402、对步骤S1确定的三个工艺参数进行交互作用试验，以根据交互试验结果计算得到试验参数总自由度DOF_total确定适用的正交试验表；

S4021、将不在交互作用分析中的工艺参数固定为水平二的取值，将在交互作用分析中的两个工艺参数一个分别在水平一、水平二和水平三的取值进行变化、而另一个在水平一和水平三的取值进行变化，并通过3D打印得到不同参数设置下的直线元素；

S4022、基于步骤S2测量并计算每条直线元素的平均线宽；

S4023、根据步骤S4022计算得到的各试验条件的平均线宽，依次针对v_n×E绘制以E为横坐标、平均线宽为纵坐标的交互作用图，针对v_n×h绘制以h为横坐标、平均线宽为纵坐标的交互作用图，针对E×h绘制以h为横坐标、平均线宽为纵坐标的交互作用图；进而依据各交互作用图进行交互作用分析，以确定两个参数是否有交互作用：

1)若在交互作用图中两条直线平行，则无交互作用；

2)若在交互作用图中两条直线相交或有相交趋势，则存在交互作用；

S4024、根据步骤S4023的交互作用试验结果计算试验参数总自由度DOF_total，以根据试验参数自由度确定正交试验表的适用类型；其中，

单工艺参数的自由度＝水平数-1；

参数A和参数B交互作用的自由度＝(参数A水平数-1)×(参数B水平数-1)；

试验参数总自由度DOF_total为对所有单工艺参数和交互作用的自由度求和；

S4025、根据试验参数自由度确定正交试验表的试验组数T，进而根据T的要求从L₉、L₁₈和L₂₇中选择适用的正交试验表；其中，T≥DOF_total+1。

进一步地，步骤S5的具体实施步骤为：

S501、按照步骤S4获得的如表3所示的田口法正交试验表完成正交试验，获得每组参数设定下的生物墨水3D打印直线元素的尺寸误差；

S502、将各组直线元素的尺寸误差代入至信噪比公式中，得到各组实验结果的信噪比；其中，信噪比公式为：

式中，η为信噪比；N为采样点个数；e_i为每个采样点上尺寸误差；信噪比越高则代表着生物墨水3D打印的直线元素的各个测量点尺寸误差越小，即尺寸精度越高；

S503、基于单一工艺参数，将每个工艺参数在其水平一、水平二和水平三对应的各组试验的信噪比取平均值并绘制平均信噪比图；

S504、由于越高的信噪比代表尺寸精度越高，因此在平均信噪比图中取信噪比最大值对应的工艺参数作为最优工艺参数。

综上所述，该生物墨水3D打印直线元素的工艺参数优化方法通过工艺分析识别生物墨水3D打印直线元素的工艺参数，为工艺参数的优化确定了全面、方便操作设置且能提高参数优化效率的工艺参数，便于试验优化；接着，针对生物墨水3D打印尺寸不稳定性的问题，提出了新的尺寸误差定义与测量方法，全面稳定可靠地评估了生物墨水3D打印直线元素的尺寸误差，确保工艺参数优化的准确性；然后，通过筛选试验获得各个工艺参数的可打印范围，在优化前缩小各工艺参数的选择范围，提高优化效率；随后，不同于全因子试验，采用田口法正交试验，极大地提高了试验效率并且保证数据可靠性；最后，用信噪比分析处理田口法正交试验的数据获得最优工艺参数组合，快速准确地确定最优工艺参数。

基于此，与现有技术相比，本发明的生物墨水3D打印直线元素的工艺参数优化方法能够方便、快速准确、可靠地得到试用不同生物墨水和/或挤出式3D打印机在进行生物墨水3D打印直线元素时的最优工艺参数组合。

附图说明

图1为本发明的生物墨水3D打印直线元素的工艺参数优化方法的流程图；

图2为本发明实施例中使用的挤出式3D打印机示意图；

图3为本发明实施例中使用的挤出式3D打印机中的挤出装置示意图；

图4为本发明实施例中生物墨水3D打印直线元素时喷嘴的运动轨迹示意图；

图5为本发明实施例中通过工艺分析识别生物墨水3D打印直线元素的工艺参数步骤中识别各个参数的示意图；

图6为本发明实施例中用于测量生物墨水3D打印的直线元素尺寸误差所拍摄的照片示意图；

图7为本发明实施例中生物墨水3D打印的直线元素尺寸误差采样点设置的示意图；

图8(a)为本发明实施例中交互作用试验中v_n×E的交互作用图；

图8(b)为本发明实施例中交互作用试验中v_n×h的交互作用图；

图8(c)为本发明实施例中交互作用试验中E×h的交互作用图；

图9(a)为本发明实施例中正交试验v_n的平均信噪比图；

图9(b)为本发明实施例中正交试验E的平均信噪比图；

图9(c)为本发明实施例中正交试验h的平均信噪比图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

如图1所示，该生物墨水3D打印直线元素的工艺参数优化方法，步骤如下：

S1、通过对3D打印工艺分析，确定生物墨水3D打印直线元素的工艺参数；

具体地，该步骤S1的具体操作如下：

采用如图2所示的挤出式3D打印机进行生物墨水的直线元素打印；，其中，如图2和图3所示，该挤出式3D打印机包括：三轴运动平台1、活塞2、挤出装置3、基板4和生物墨水5；挤出装置3包括针管301和喷嘴302；

将生物墨水3D打印直线元素的工艺过程为：首先，将某生物墨水5放入挤出式3D打印机内的挤出装置3中的针管301内；然后，按如下方式设置打印参数：1)设置喷嘴底部到基板的距离h；2)设置活塞的速度v_p；3)设置喷嘴的运动轨迹为从点A到点B的长度为l的直线(参见附图4)，并设置喷嘴直线运动速度v_n。

根据上述工艺过程需要设定的参数可以确定，喷嘴底部到基板的距离h、活塞的速度v_p和喷嘴直线运动速度v_n是影响3D打印工艺效果的三个工艺参数，也就是本申请需要进行优化的三个工艺参数；同时，由于在挤出式3D打印机在最优参数工况下进行生物墨水3D打印时，活塞的速度v_p与喷嘴直线运动速度v_n具有关联性，因此，若在参数优化试验时不考虑两者的关系分别设置活塞的速度v_p和喷嘴直线运动速度v_n必然会极大地降低参数优化效率。

基于上述分析，为了方便在参数优化试验中设置参数并提高参数优化效率，需要寻找活塞的速度v_p和喷嘴直线运动速度v_n这两个相关的工艺参数之间的关联关系；在本实施例中，将需要优化的该两个工艺参数(活塞的速度v_p和喷嘴直线运动速度v_n)替换为喷嘴直线运动速度v_n和挤出系数E。

参见附图5，E的识别如下：挤出式3D打印内挤出装置中针管的内径为D_s，喷嘴内径为D_n，在打印过程中生物墨水在喷嘴底面的平均速度为v_e。当挤出式3D打印机在最优参数组合条件下工作时，喷嘴直线运动速度v_n与生物墨水在喷嘴底面的平均速度为v_e满足公式：

v_n＝C₁·v_e，

其中，C₁是喷嘴直线运动速度v_n关于生物墨水在喷嘴底面的平均速度为v_e的放大系数；

同时，通过质量守恒原理，得到活塞的速度v_p与生物墨水在喷嘴底面的平均速度为v_e的关系公式：

其中，D_s和D_n分别为挤出式3D打印内挤出装置中的针管内径和喷嘴内径，两者为挤出式3D打印机的固有参数；C₂为活塞的速度v_p关于生物墨水在喷嘴底面的平均速度为v_e的放大系数；

联立上述两个公式，得到新公式：

其中，E为挤出系数，E＝C₂/C₁；

从新公式中可知，当确定了挤出系数E和喷嘴直线运动速度v_n，即可确定活塞的速度v_p；因此，为方便工艺参数的设置并提高参数优化效率，将活塞的速度v_p和喷嘴直线运动速度v_n这两个相关的工艺参数识别为挤出系数E和喷嘴直线运动速度v_n；

最终，通过上述工艺分析得到生物墨水3D打印直线元素的工艺参数共为3个，包括：1)喷嘴直线运动速度v_n，2)挤出系数E，3)喷嘴底部到基板的距离h。

S2、定义生物墨水3D打印直线元素的尺寸误差及其测量方法；

尺寸精度由尺寸误差决定，尺寸误差越小则尺寸精度越高；因此，为获得最优化的工艺参数，尺寸精度需要达到最高，即尺寸误差最小。

基于此，考虑到由于生物墨水在打印过程中处于凝胶状态所造成得尺寸不稳定性，该步骤S2的具体实施过程如下：

S201、定义生物墨水3D打印直线元素的尺寸误差；

针对设计长度为l的直线元素来说，在3D打印过程中，喷嘴直线运动的长度为l，沿直线元素长度方向设置采样点均匀分布的间距为Δl，则采样点个数计算公式为：

式中，[·]为向下取整符号；在本实施中，Δl＝2mm，以保证充分考虑到生物墨水3D打印过程的不均匀性；

定义在每个采样点上，测量得到的3D打印的直线元素的线宽与平均线宽之间的偏差值为生物墨水3D打印直线元素的尺寸误差；

S202、计算生物墨水3D打印直线元素的尺寸误差，其步骤如下：

S2021、如图6所示，在生物墨水3D打印完成的直线元素6下方放置一把直尺7，并使直尺7平行于该直线元素，以作为直线元素的尺寸参考；然后，利用相机以相机镜头竖直向下垂直于挤出式3D打印机基板4的方式采集包含有直线元素6和直尺7的照片；

S2022、如图7所示，在相片处理软件中打开照片，并在照片中的直线元素上沿直线方向以Δl＝2mm的间隔距离设置N个采样点，以放在直线元素6下方的直尺7作为尺寸参考，测量得到各采样点处直线元素的线宽w_i(i＝1,2,...,N)；

S2023、根据公式：

计算直线元素6上N个采样点处测量的多个线宽值的平均线宽

S2034、根据公式：

计算每个采样点上生物墨水3D打印的直线元素6的尺寸误差；式中，e_i是第i个采样点上生物墨水3D打印的直线元素6的尺寸误差；

S3、通过筛选试验获得工艺参数的可打印范围；

S301、确定喷嘴直线运动速度v_n的可打印范围，其具体实施步骤为：

1)设置喷嘴固定不动；设置喷嘴底面距离基板20mm，以避免生物墨水在空气中的成型纤维过早碰到基板；设置挤出系数E为1；设定喷嘴直线运动速度v_n从1mm/s变化到20mm/s，变化间隔为2mm/s；进而，根据公式：

计算得到对应的活塞的速度v_p；

2)保持喷嘴固定不动，按计算得到的不同活塞的速度v_p来控制活塞运动，获得不同活塞的速度v_p下的3D打印直线元素，观察生物墨水在空气中的成型纤维，选择成型纤维稳定、连续、无突变的结果对应的活塞的速度v_p所对应的喷嘴直线运动速度v_n的条件，从而确定喷嘴直线运动速度v_n的可打印范围；

在本实施例中，喷嘴直线运动速度v_n的可打印范围为5mm/s～15mm/s；

S302、确定挤出系数E和喷嘴底部到基板的距离h的可打印范围，其具体实施步骤为：

1)参数设置：

①根据步骤S301所得喷嘴直线运动速度v_n的可打印范围为5mm/s～15mm/s，设置喷嘴直线运动速度v_n为可打印范围的中位值，即v_n＝10mm/s，以降低最值的影响；

②由于理想材料(不可压缩流体材料)在挤出式3D打印机中的挤出系数E设置为1为理论最优参数，但在实际打印过程中生物墨水在挤出过程中相对于理想材料存在材料阻塞、压缩模量较大的问题导致生物墨水的实际挤出量远小于理想材料挤出量，为达到最优的挤出状态，实际的挤出系数E应大于1；因而在筛选试验中，对挤出系数E的可打印范围的筛选经验最小值选择稍小于1即可，经验最大值需较大于1才能保证筛选的全面性，同时根据经验考虑到最大值一般小于4，基于此，设置挤出系数E在筛选试验中的经验取值范围为0.8～4，变化间隔为0.2；

③基于挤出式3D打印机的喷嘴内径为0.84mm，而根据经验喷嘴底部到基板的距离h的可打印范围的最大值稍大于喷嘴内径，最小值一般在0.2mm以上，因此，设置喷嘴底部到基板的距离h的经验取值范围为0.2mm～1mm，变化间隔为0.1mm；

2)基于步骤1)的设置，打印得到不同挤出系数E和不同喷嘴底部到基板的距离h所对应的在基板上成型的直线元素，以进一步缩小各工艺参数的取值范围。

具体地，首先，基于步骤1)确定的挤出系数E的经验取值范围为0.8～4，变化间隔为0.2，设置h的取值为其经验取值范围0.2mm～1mm的中位值，即0.6mm，进行17组3D打印测试；在打印得到的17条直线元素中，选择直线元素稳定、连续、无突变的结果为挤出系数E的可打印范围；在本实施例中，获得的挤出系数E的可打印范围为1～2；

然后，基于上述步骤1)确定的喷嘴底部到基板的距离h的经验取值范围为0.2mm～1mm，变化间隔为0.1mm，设置挤出系数E的取值为其新确认可打印范围1～2的中位值，即1.5，进行9组3D打印测试；在打印得到的9条直线元素中，选择直线元素稳定、连续、无突变的结果为h的可打印范围；在本实施例中，喷嘴底部到基板的距离h的可打印范围为0.2～0.8mm；

在该步骤S3中，通过对各工艺参数根据经验取值范围打印得到的3D打印直线元素，并根据定性观察结果实现的远小于经验取值范围的可打印范围，为下一步具体定量分析确定优化选值范围，提高了下一步定量分析确定最优值的精度，并减少了工作量。

S4、通过交互作用试验确定田口法正交试验表；

该步骤S4的具体实施步骤为：

S401、将经过步骤S3获得的各项工艺参数按照可打印范围的最小值，中间值和最大值分别设置为水平一、水平二和水平三。

基于此，在本实施例中，各个工艺参数的水平设置如下表1所示。

表1：

工艺参数	可打印范围	水平一	水平二	水平三
					v<sub>n</sub>	5～15mm/s	5mm/s	10mm/s	15mm/s
E	1～2	1	1.5	2
					h	0.2～0.8mm	0.2mm	0.5mm	0.8mm

S402、对步骤S1确定的影响3D打印直线元素效果的三个工艺参数进行交互作用试验，以根据交互试验结果计算得到试验参数总自由度DOF_total确定适用的正交试验表；

田口法采用正交试验表来减少试验数量同时保证数据的可靠性和稳定性；具体来说，田口法正交试验表包括L₉(9组正交试验表)、L₁₈(18组正交试验表)和L₂₇(27组正交试验表)；正交试验表的选择取决于工艺参数个数，每个工艺参数的水平和交互作用；

在本申请的生物墨水3D打印直线元素的工艺参数优化中，通过步骤S1确定了影响3D打印直线元素效果的工艺参数共计为三个，并在步骤S401中确定了每个工艺参数有三个水平；因此，正交试验表的确定取决于交互作用试验。

在本实施例中，分别对v_n×E、v_n×h和E×h这三组交互作用进行交互作用试验；具体操作步骤如下：

S4021、将不在交互作用分析中的工艺参数固定为水平二的取值，将在交互作用分析中的两个工艺参数一个分别在水平一、水平二和水平三的取值进行变化、而另一个在水平一和水平三的取值进行变化，并通过3D打印得到不同参数设置下的直线元素；

具体地，如下表3所示，针对v_n×E，将h固定在0.5mm，E在1，1.5和2间变化而v_n在5mm/s和15mm/s间变化，通过3D打印得到6条不同参数设置下的直线元素；针对v_n×h，将E固定在1.5，h在0.2mm，0.5mm和0.8mm间变化而v_n在5mm/s和15mm/s间变化，通过3D打印得到6条不同参数设置下的直线元素；针对E×h，将v_n固定在10mm/s，h在0.2mm，0.5mm和0.8mm间变化而E在1和2间变化，通过3D打印得到6条不同参数设置下的直线元素；

表2：

S4022、基于步骤S2测量并计算每条直线元素的平均线宽；

S4023、根据步骤S4022计算得到的各试验条件的平均线宽，依次针对v_n×E绘制以E为横坐标、平均线宽为纵坐标的交互作用图，针对v_n×h绘制以h为横坐标、平均线宽为纵坐标的交互作用图，针对E×h绘制以h为横坐标、平均线宽为纵坐标的交互作用图；进而依据各交互作用图进行交互作用分析，以确定两个参数是否有交互作用：

1)若在交互作用图中两条直线平行，则无交互作用；

2)若在交互作用图中两条直线相交或有相交趋势，则存在交互作用；

具体地，如图8(a)所示为针对v_n×E绘制的以E为横坐标、平均线宽为纵坐标的交互作用图；如图8(b)所示为针对v_n×h绘制的以h为横坐标、平均线宽为纵坐标的交互作用图；如图8(c)所示为针对E×h绘制的以h为横坐标、平均线宽为纵坐标的交互作用图；从这三组交互作用图中可见，针对v_n×E绘制的交互作用图和针对v_n×h绘制的交互作用图中的两条直线有相交趋势，而针对E×h绘制的交互作用图中的两条直线呈相互平行趋势；因此，v_n×E和v_n×h存在交互作用，E×h不存在交互作用。

S4024、根据步骤S4023的交互作用试验结果计算试验参数总自由度DOF_total，以根据试验参数自由度确定正交试验表的适用类型；其中，

单工艺参数的自由度＝水平数-1；

参数A和参数B交互作用的自由度＝(参数A水平数-1)×(参数B水平数-1)；

试验参数总自由度DOF_total为对所有单工艺参数和交互作用的自由度求和；

在本实施例中，实验参数的自由度分析如下表3所示。

表3：

S4025、根据试验参数自由度确定正交试验表的试验组数T，进而根据T的要求从L₉(9组正交试验表)、L₁₈(18组正交试验表)和L₂₇(27组正交试验表)中选择适用的正交试验表；

其中，正交试验表的试验组数T应满足：T≥DOF_total+1；

在本实施例中，正交试验表的试验组数T≥14+1＝15，因此，最终根据T的要求并基于试验数量最小的原则选择如表4所示的L₁₈(18组正交试验表)作为正交试验的正交试验表；

表4

S5、根据步骤S4确定的正交试验表对应的实验条件获得每组参数设定下的生物墨水3D打印直线元素，并根据步骤S2定义的生物墨水3D打印直线元素的尺寸误差计算方法，得到各直线元素的尺寸误差，以进一步通过信噪比分析获得最优工艺参数；

该步骤S5的具体实施步骤如下：

S501、按照步骤S4获得的如表3所示的田口法正交试验表完成正交试验，获得每组参数设定下的生物墨水3D打印直线元素的尺寸误差；

S502、将各组直线元素的尺寸误差代入至信噪比公式中，得到各组实验结果的信噪比；

其中，信噪比分析采用信号和噪声这两个概念代表希望值(均值)和干扰(标准差)。信噪比分析指标按目标的需求，被分为“望大信噪比”，“望目信噪比”和“望小信噪比”。越高的尺寸精度要求越小的尺寸误差，因此采用“望小信噪比”评定直线元素的尺寸精度；具体地，信噪比公式为：

式中，η为信噪比；N为采样点个数；e_i为每个采样点上尺寸误差；信噪比越高则代表着生物墨水3D打印的直线元素的各个测量点尺寸误差越小，即尺寸精度越高；

S503、基于单一工艺参数，将每个工艺参数在其水平一、水平二和水平三对应的各组试验的信噪比取平均值并绘制平均信噪比图。

在本实施例中，如下表5所示为各工艺参数的信噪比取平均值计算结果。

表5：

对应地，如图9(a)所示为工艺参数v_n的平均信噪比图；如图9(b)所示为工艺参数E的平均信噪比图；如图9(c)所示为工艺参数h的平均信噪比图；由于越高的信噪比代表尺寸精度越高，因此在平均信噪比图中取信噪比最大值对应的工艺参数作为最优工艺参数。

S504、由于越高的信噪比代表尺寸精度越高，因此在平均信噪比图中取信噪比最大值对应的工艺参数作为最优工艺参数；

基于上述分析，分别在图9(a)，图9(b)和图9(c)中分别选择平均信噪比最大值对应的各参数水平即为最优工艺参数组合；具体地，本实施例的生物墨水3D打印直线元素的最优工艺参数组合为：v_n为10mm/s；E为1.5；h为0.2mm。

为验证本发明的正确性，将本实施例获得的最优工艺参数组合(v_n为10mm/s；E为1.5；h为0.2mm)作为试验条件进行生物墨水3D打印直线元素的验证试验，将获得直线元素进行尺寸误差信噪比分析，计算得到尺寸误差信噪比结果为：31.06dB。对比上表4中最后一列，最优工艺参数组合条件下的尺寸误差信噪比结果比正交试验表中任意的试验条件下的尺寸误差信噪比结果都大，证明了优工艺参数组合条件下的直线元素的尺寸精度比正交试验表中任意的试验条件下的直线元素尺寸精度要好。因此，验证了本发明所提出方法的正确性。

综上所述，本申请的生物墨水3D打印直线元素的工艺参数优化方法中：首先，通过工艺分析识别生物墨水3D打印直线元素的工艺参数，为工艺参数的优化确定了全面、方便操作设置且能提高参数优化效率的工艺参数，便于试验优化；接着，针对生物墨水3D打印尺寸不稳定性的问题，提出了新的尺寸误差定义与测量方法，全面稳定可靠地评估了生物墨水3D打印直线元素的尺寸误差，确保工艺参数优化的准确性；然后，通过筛选试验获得各个工艺参数的可打印范围，在优化前缩小各工艺参数的经验取值范围，提高优化效率；随后，不同于全因子试验，采用田口法正交试验，极大地提高了试验效率并且保证数据可靠性；最后，用信噪比分析处理田口法正交试验的数据获得最优工艺参数组合，简单快速准确地确定了最优工艺参数。

由此，本发明中的生物墨水3D打印直线元素的工艺参数优化方法能够方便、快速准确、可靠地得到试用不同生物墨水和/或挤出式3D打印机在进行生物墨水3D

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均为保护之列。

Claims (8)

1.一种生物墨水3D打印直线元素的工艺参数优化方法，其特征在于，步骤如下：

S1、通过对3D打印工艺分析，确定影响生物墨水3D打印直线元素效果的工艺参数；

S2、定义生物墨水3D打印直线元素的尺寸误差及其测量方法；

S3、通过筛选试验获得各工艺参数的可打印范围；

S4、通过交互作用试验确定田口法正交试验表；

S5、完成田口法正交试验，对尺寸误差采用信噪比分析获得最优工艺参数。

2.根据权利要求1所述的生物墨水3D打印直线元素的工艺参数优化方法，其特征在于，步骤S1的实施步骤为：

S101、基于生物墨水3D打印直线元素的工艺过程，确定喷嘴底部到基板的距离h、活塞的速度v_p和喷嘴直线运动速度v_n为三个可以人为设定的变量，影响3D打印工艺效果；

S102、由于活塞的速度v_p和喷嘴直线运动速度v_n这两个工艺参数之间存在关联关系，因此替换上述两个工艺参数为喷嘴直线运动速度v_n和挤出系数E；其中，

式中，D_s为挤出式3D打印内挤出装置中的针管内径，D_n为挤出式3D打印内挤出装置中的喷嘴内径；

S103、最终确定影响生物墨水3D打印直线元素效果的工艺参数为：喷嘴直线运动速度v_n，挤出系数E，和喷嘴底部到基板的距离h。

3.根据权利要求1所述的生物墨水3D打印直线元素的工艺参数优化方法，其特征在于，在步骤S2中，定义在生物墨水3D打印直线元素上的各采样点处的直线元素宽度与全部N个采样点处的直线元素宽度的平均线宽之间的偏差值为生物墨水3D打印直线元素的尺寸误差；其中，N个采样点沿生物墨水3D打印直线元素的长度方向均布设置。

4.根据权利要求3所述的生物墨水3D打印直线元素的工艺参数优化方法，其特征在于，在步骤S2中，生物墨水3D打印直线元素的尺寸误差的测量方法为：

1)在生物墨水3D打印完成的直线元素下方放置一把直尺，并使直尺平行于该直线元素，以作为直线元素的尺寸参考；然后，利用相机以相机镜头竖直向下垂直于3D打印机基板的方式采集包含有直线元素和直尺的照片；

2)在相片处理软件中打开照片，并在照片中的直线元素上沿直线方向以Δl的间隔距离设置N个采样点，以放在直线元素下方的直尺作为尺寸参考，测量得到各采样点处直线元素的线宽w_i(i＝1,2,...,N)；

3)根据公式：

计算直线元素上N个采样点处测量的多个线宽值的平均线宽

4)根据公式：

计算每个采样点上生物墨水3D打印的直线元素的尺寸误差；式中，e_i是第i个采样点上生物墨水3D打印的直线元素的尺寸误差。

5.根据权利要求4所述的生物墨水3D打印直线元素的工艺参数优化方法，其特征在于，Δl≤2mm。

6.根据权利要求2所述的生物墨水3D打印直线元素的工艺参数优化方法，其特征在于，步骤S3的具体实施步骤为：

S301、确定喷嘴直线运动速度v_n的可打印范围：

1)设置喷嘴底面距离基板20mm，挤出系数E为1，喷嘴直线运动速度v_n的取值范围及取值间隔，并根据公式：

计算得到对应的活塞的速度v_p；

2)设置喷嘴固定不动，按步骤1)计算得到的不同活塞的速度v_p来控制活塞运动，获得不同活塞的速度v_p下的3D打印直线元素，观察生物墨水在空气中的成型纤维，选择成型纤维稳定、连续、无突变的结果对应的活塞的速度v_p所对应的喷嘴直线运动速度v_n的条件，从而确定喷嘴直线运动速度v_n的可打印范围；

S302、确定挤出系数E和喷嘴底部到基板的距离h的可打印范围：

1)根据步骤S301所得喷嘴直线运动速度v_n的可打印范围，设置喷嘴直线运动速度v_n为可打印范围的中位值；设置挤出系数E在筛选试验中的经验取值范围及取值间隔；设置喷嘴底部到基板的距离h的经验取值范围及取值间隔；

2)首先基于步骤1)的设置确定h的取值为其经验取值范围的中位值，并根据挤出系数E在筛选试验中的经验取值范围及取值间隔进行若干组打印并对应得到若干条3D打印直线元素；然后选择直线元素稳定、连续、无突变的结果为挤出系数E的可打印范围；

3)首先基于步骤2)的结果确定挤出系数E的取值为其新取值范围的中位值，并根据步骤1)的设置的确定的喷嘴底部到基板的距离h的经验取值范围及取值间隔，进行若干组打印并对应得到若干条3D打印直线元素；然后选择直线元素稳定、连续、无突变的结果为喷嘴底部到基板的距离h的可打印范围。

7.根据权利要求2所述的生物墨水3D打印直线元素的工艺参数优化方法，其特征在于，步骤S4的具体实施步骤为：

S401、将经过步骤S3获得的各项工艺参数按照可打印范围的最小值，中间值和最大值分别设置为水平一、水平二和水平三；

S402、对步骤S1确定的三个工艺参数进行交互作用试验，以根据交互试验结果计算得到试验参数总自由度DOF_total确定适用的正交试验表；

S4021、将不在交互作用分析中的工艺参数固定为水平二的取值，将在交互作用分析中的两个工艺参数一个分别在水平一、水平二和水平三的取值进行变化、而另一个在水平一和水平三的取值进行变化，并通过3D打印得到不同参数设置下的直线元素；

S4022、基于步骤S2测量并计算每条直线元素的平均线宽；

S4023、根据步骤S4022计算得到的各试验条件的平均线宽，依次针对v_n×E绘制以E为横坐标、平均线宽为纵坐标的交互作用图，针对v_n×h绘制以h为横坐标、平均线宽为纵坐标的交互作用图，针对E×h绘制以h为横坐标、平均线宽为纵坐标的交互作用图；进而依据各交互作用图进行交互作用分析，以确定两个参数是否有交互作用：

1)若在交互作用图中两条直线平行，则无交互作用；

2)若在交互作用图中两条直线相交或有相交趋势，则存在交互作用；

S4024、根据步骤S4023的交互作用试验结果计算试验参数总自由度DOF_total，以根据试验参数自由度确定正交试验表的适用类型；其中，

单工艺参数的自由度＝水平数-1；

参数A和参数B交互作用的自由度＝(参数A水平数-1)×(参数B水平数-1)；

试验参数总自由度DOF_total为对所有单工艺参数和交互作用的自由度求和；

S4025、根据试验参数自由度确定正交试验表的试验组数T，进而根据T的要求从L₉、L₁₈和L₂₇中选择适用的正交试验表；其中，T≥DOF_total+1。

8.根据权利要求7所述的生物墨水3D打印直线元素的工艺参数优化方法，其特征在于，步骤S5的具体实施步骤为：

S501、按照步骤S4获得的如表3所示的田口法正交试验表完成正交试验，获得每组参数设定下的生物墨水3D打印直线元素的尺寸误差；

S502、将各组直线元素的尺寸误差代入至信噪比公式中，得到各组实验结果的信噪比；其中，信噪比公式为：

式中，η为信噪比；N为采样点个数；e_i为每个采样点上尺寸误差；信噪比越高则代表着生物墨水3D打印的直线元素的各个测量点尺寸误差越小，即尺寸精度越高；

S503、基于单一工艺参数，将每个工艺参数在其水平一、水平二和水平三对应的各组试验的信噪比取平均值并绘制平均信噪比图；

S504、由于越高的信噪比代表尺寸精度越高，因此在平均信噪比图中取信噪比最大值对应的工艺参数作为最优工艺参数。

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