CN113524660A - 一种高通量阵列式3d液滴打印方法 - Google Patents

一种高通量阵列式3d液滴打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高通量阵列式3D液滴打印方法。为解决逐点打印方式制备悬浮液滴面临的打印速率低、生产耗时长等问题，本发明采用阵列式喷头，通过增加阵列毛细针头数量可有效提高液滴的打印速率；打印过程中通过给阵列式喷头施加微小振动，可主动调控液滴与水凝胶基体间剪切效应，保持水凝胶基体不受破坏，使阵列液滴同步均匀挤出，实现悬浮液滴的高通量稳定打印；结合喷头阵列通孔排布间距和图案设计，能够对液滴大小和空间位置进行精准控制，实现液滴的最优排列，提高油/水相比例，根据实际需求制备具有特定形状的三维模型。本发明提出的方法简便易行，可用于批量生产，在食品、医药、化妆品等领域具有广泛应用前景。

Description

一种高通量阵列式3D液滴打印方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种高通量阵列式3D液滴打印方法。
背景技术
3D液滴打印是基于传统熔融沉积式3D打印与微流控液体进给机构相结合的新型打印技术。3D液滴打印通过在剪切变稀基体中打印液体，可得到悬浮液滴，在材料设计、产品开发等方面展现出了巨大潜力。以化妆品为例，3D打印悬浮液滴可以精确的控制液滴的大小和空间位置，为产品的开发设计提供了广阔的空间。
但是3D打印悬浮液滴面临一个重要问题，就是打印速度太低。由于每个液滴都需要针头移动到相应位置，然后挤出液体，打印一瓶产品往往需要几个小时。一种解决该问题的有效方案是采取并排阵列式打印喷头，一次性在多个位置同时打印液滴，这样可以极大缩短打印时间。例如采用4×4阵列针头，打印效率可以提高16倍，单瓶产品打印时间可降至数分钟。
然而在实际情况中，并排阵列式打印喷头并不能很好地在剪切变稀基体里打印液滴。主要存在两个问题：一是由于水凝胶基体具有一定粘度，并排阵列式打印喷头会带动基体整体移动，破坏液滴的空间位置排布。二是单个液滴挤出时会在其周围产生局域的粘度梯度，当液滴阵列式挤出时会产生相互干扰的局域环境，难以保证所有液滴从打印喷头同步脱落和大小均一。
发明内容
为解决以上问题，本发明采用阵列式针管作为3D打印喷头并附加微小振动，该微振动振幅较小(0.1-1mm)，不会影响液滴的空间位置；且频率较快(80-240Hz)，能够提供足够的剪切速率使每个液滴和针管周围的基体呈现流体状，当提升阵列式3D打印喷头时，不会对基体造成影响，同时可以避免阵列液滴之间的相互干扰，保证所有液滴可从打印喷头同步挤出和稳定脱落。因此，通过主动调控液滴与水凝胶基体之间的剪切效应，既可保持水凝胶基体不受破坏，又可高通量得到大小均一的液滴阵列。另外，通过增加阵列针管数量可调节液滴打印的增速；通过调节喷头上的阵列针孔的排布间距和液滴尺寸可优化水/油相体积比；通过设计阵列针孔的排布图形可得到特定三维图案模型。
本发明的技术方案如下：
本发明首先提供了一种利用阵列式3D液滴打印机高通量制备悬浮液滴的方法，所述阵列式3D液滴打印机包括三维移动打印系统和阵列式微振动打印喷头；所述的三维移动打印系统包括X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴升降平台、压力控制进给机构和水相基体；X轴移动机构、Y轴移动机构用于实现所述阵列式微振动打印喷头在XY平面内的移动；所述的Z轴升降平台用于调控阵列式微振动打印喷头在Z轴方向上的移动；所述的压力控制进给机构用于调控液体原料的定量挤出；所述水相基体为剪切变稀性质水凝胶；所述阵列式微振动打印喷头用于实现挤出液体与喷头的有效分离和悬浮液滴的高通量制备，阵列式微振动打印喷头通过导管与压力控制进给机构相连；
所述方法包括以下步骤：
1)选取符合打印图案需求的阵列式微振动打印喷头，将喷头通过导管与压力控制进给机构连接；
2)选取具有剪切变稀性质的材料溶解于水中，得到具有一定粘度的透明水凝胶作为水相基体，选取单一或混合油性液体作为油相；
3)通过X轴移动机构、Y轴移动机构控制阵列式微振动打印喷头在XY平面内的移动，通过Z轴升降平台控制阵列式微振动打印喷头在Z轴方向上的移动，从而使3D打印机上的阵列式打印喷头在水相基体中按设定轨迹运动，实现悬浮液滴的三维打印；
4)调节压力控制机构的推进距离，使喷头定量挤出油相液体，在喷头微小振动下原位剪切油相，得到分散到水相中的液滴；
所述的设定轨迹是阵列式微振动喷头在打印液滴过程中停顿在一个打印位置，然后调节压力控制机构挤出定量体积的油相液体，等待油相液体挤出后，阵列式喷头再移动到下一打印位置；整个过程中，阵列式喷头始终处于微振动状态。
作为本发明的优选方案，所述阵列式微振动打印喷头装置通过以下步骤得到：
绘制阵列式喷头的三维通孔排列图案，通过3D打印技术制备阵列式通孔模型；将毛细针管插入阵列通孔中，实现3D液滴打印的平行放大；将微振动器贴附于通孔模型侧面，用于调节打印过程中液滴与水凝胶基体间剪切效应，实现液滴均匀稳定脱落。
优选的，所述微振动器可以为1034纽扣贴片式马达振动微型直流电机。
作为本发明的优选方案，所述的压力控制机构为注射泵或蠕动泵。
作为本发明的优选方案，所述阵列式3D液滴打印机还包括箱体用于盛装水相基体，所述的箱体放置在Z轴升降平台上，阵列式打印喷头位于所述箱体上方并部分浸入水相基体中，Z轴升降平台调节阵列打印喷头出口在水相基体中在Z轴方向的高度。
作为本发明的优选方案，所述的剪切变稀性质的材料可以为卡波姆或黄原胶，控制水凝胶(水相基体)粘度约为15-30Pa·s。
作为本发明的优选方案，所述的油性液体可以为蚕丝油、茶树油、羊绒酯或维生素E中的一种或者几种混合。
作为本发明的优选方案，所述3D打印技术可以为熔融沉积式3D打印或光固化3D打印。
作为本发明的优选方案，所述毛细管针管可以为玻璃毛细针管或不锈钢毛细针管。
作为本发明的优选方案，所述的毛细针管出口直径为0.1-2mm。
作为本发明的优选方案，所述的微振动的振幅为0.1-1mm，振动频率为80-240Hz。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明提出一种基于阵列式微振动3D液滴打印机高通量制备悬浮微液滴方法，该方法简便易行，微液滴尺寸均一，位置可精准设计，打印速率可调控。
(2)传统剪切方法制备的液滴体系，液滴的粒径不一、位置无序、液滴易聚并。本发明采用3D打印技术，是以数字化模型文件为基础，结合打印喷头阵列图形，能够对液滴大小和位置进行精准控制，可以根据需求制备出由液滴组成的具有特定三维形状的悬浮微液滴体系。
(3)点打印式3D液滴打印在液滴制备方面速率较低，难以满足商业化大规模需求。本发明利用阵列式微振动打印喷头制备悬浮液滴，可通过增加阵列毛细针头数量调控液滴的打印效率，实现悬浮液滴的高通量制备。
(4)并排阵列式打印喷头并不能很好地在剪切变稀基体里打印液滴：一是由于水凝胶基体具有一定粘度，并排阵列式打印喷头会带动基体整体移动，破坏液滴的空间位置排布。二是单个液滴挤出时会在其周围产生局域的粘度梯度，当液滴阵列式挤出时会产生相互干扰的局域环境，难以保证所有液滴从打印喷头同步脱落和大小均一。本发明通过给阵列式打印喷头贴附微振动器，调节微小振动的频率和幅度来调控液滴与水凝胶基体之间的剪切效应，可保持水凝胶基体不受破坏，实现单层阵列式悬浮液滴的稳定打印。
(5)通过调节喷头上阵列通孔排布间距，结合液滴的挤出体积和空间位置分布，可实现液滴的最优排列，大幅提高油相在悬浮微液滴体系中的比例，最高可达74％。
(6)本发明采用阵列式微振动3D液滴打印方式，可以精准控制微液滴体积和空间位置，可优化油相与水相的比例，喷头阵列图案可根据需求设计，高通量打印由油相液滴组成的具有特定形状的三维模型，具有广泛的市场应用前景。通过选取合适的油相，开发和设计相应产品，例如采用具有抗菌性的茶树油等有益于皮肤的油类，可设计和开发可视化功效性的护肤产品。再例如采用可聚合性油相单体，通过阵列式3D液滴打印设计密堆积结构，液滴间相互连接，聚合固化后可得到由颗粒组成的三维材料模型。
附图说明
图1为阵列式3D液滴打印机高通量制备悬浮微液滴的装置示意图。
图中：1、注射泵，2、导管，3、阵列式打印喷头，4、微振动器，5、XYZ轴步进电机，6、水相基体、7串行接口线。
图2为阵列式打印喷头模型和贴附微振动器阵列式喷头实物图。
图3为不加微振动时阵列式打印制备悬浮液滴的过程和结果示意图。
图中：左侧为不加微振动时阵列液滴打印过程正视图，右侧为不加振动时阵列液滴打印结果侧视图。
图4为阵列式微振动高通量制备的柱状悬浮液滴的过程和结果示意图。
图中：左侧为加微振动时阵列液滴打印过程正视图，右侧为加振动时阵列液滴打印结果侧视图。
图5为阵列式微振动高通量制备的星形和圆形悬浮液滴图案。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明提供了一种阵列式微振动3D液滴打印及其在水凝胶中高通量制备悬浮液滴的系统。该阵列式微振动3D打印系统由注射泵1、导管2、阵列式打印喷头3、微振动器4、XYZ轴步进电机5、水相基体6、串行接口线7组成。通过加载3D打印数字化模型文件，可以控制XYZ轴步进电机5和注射泵1的推进量，精确控制液滴的尺寸和空间位置，结合阵列式喷头3上针孔的数量和排列图案，可高通量打印具有一定形状的三维模型。具体的，使用时，将阵列式打印喷头出口浸没在盛装于水相容器的水凝胶中，打印喷头移动到某个固定位置并停顿，然后注射泵进给定量的油相体积，在微振动剪切力的作用下，油相在打印喷头处形成球状微液滴阵列，等待定量油相全部被挤出，阵列式喷头再移动到下一打印位置。打印过程结束后，得到悬浮在水凝胶中的三维液滴模型。
实施例1：制备由阵列液滴组成的长方柱体悬浮微液滴体系。
采用本发明的方法制备悬浮液滴，具体步骤如下：
(1)将传统的熔融沉积式3D打印机上控制耗材进给的电路通过串行接口连接到注射泵控制系统上。选取嵌套式不锈钢针管制备周期间距为1.5mm的4×4阵列式打印喷头，内管是内径为0.3mm、外径0.6mm、长度为15mm的不锈钢空心毛细针管，外管是内径为1.0mm，外径为1.1mm，长度为9mm的不锈钢空心毛细针管，较硬外针管为较软内针管提供力学支撑。打印喷头针管通过PE管与注射泵连接输送油相液体。
(2)将0.5g卡波姆940粉末均匀分散于500ml水中，加入浓度为0.25mol/L氢氧化钠溶液调节pH到7，得到粘度约为15-30Pa·s的透明水凝胶作为水相。选用蚕丝油作为油相。
(3)用玻璃瓶盛放水相，然后玻璃瓶放置在Z轴平台上。
(4)通过编写数字模型文件控制3D打印机工作进程，在打印过程中持续对阵列式打印喷头施加微小振动，振动的频率为110Hz，振幅为0.1mm，得到由油相液滴组成的三维长方柱体模型(如图4所示)，从图4可见，阵列式打印喷头打印的各层液滴排列非常有序。
对比例1：
对比例1的前三个步骤与实施例1完全相同，在步骤(4)中，对比例1与实施例1的区别在于对比例1对阵列式打印喷头不施加振动，其打印结果如图3所示；从图3可见，由于对比例1阵列式打印喷头会带动基体整体移动，破坏液滴的空间位置排布，使得打印出来的液滴阵列的空间排布不规则，上下层之间难以清楚分辨界限。且由于液滴阵列式挤出时会产生相互干扰的局域环境，图3所示液滴从打印喷头脱落的时间并不同步，液滴大小不均一，液滴之间的距离也不相同，无法用该方法得到特定三维图案模型或图案化阵列。
从图3和图4的对比可见，在打印过程中，通过对阵列式打印喷头施加微小振动，可以获得排列层次分明的特定三维图案模型，且液滴之间的尺寸更为均一，液滴之间的距离可控，排列更加有序。
实施例2：制备由阵列液滴组成的星形和圆形悬浮微液滴体系。
采用本发明的方法制备悬浮液滴，具体步骤如下：
(1)利用熔融沉积式3D打印机制备星形和圆形排列阵列式喷头模具。选取内管是内径为0.3mm、外径0.6mm、长度为15mm的不锈钢空心毛细针管，外管是内径为1.0mm，外径为1.1mm，长度为9mm的不锈钢空心毛细针管作为嵌套不锈钢针管，固定于模具圆孔处组装成星形和圆形排列阵列式喷头。
(2)将传统的熔融沉积式3D打印机上控制耗材进给的电路通过串行接口连接到注射泵控制系统上。打印喷头针管通过PE管与注射泵连接输送油相液体。
(3)将0.5g卡波姆940粉末均匀分散于500ml水中，加入浓度为0.25mol/L氢氧化钠溶液调节pH到7得到粘度约为15-30Pa·s的透明水凝胶作为水相。选用蚕丝油作为油相。
(4)通过编写数字模型文件控制3D打印机工作进程，在打印过程中持续对阵列式打印喷头施加微小振动，振动的频率为110Hz，振幅为0.1mm，得到由油相液滴组成的星形和圆形阵列图形，从图5可见，本实施例打印得到的图案阵列与阵列式喷头的图案一致，各液滴之间可以有序排列，可作为图案装饰等应用于食品和化妆品中。

Claims (10)

1.一种利用阵列式3D液滴打印机高通量制备悬浮液滴的方法，所述阵列式3D液滴打印机包括三维移动打印系统和阵列式微振动打印喷头；所述的三维移动打印系统包括X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴升降平台、压力控制进给机构和水相基体；X轴移动机构、Y轴移动机构用于实现所述阵列式微振动打印喷头在XY平面内的移动；所述的Z轴升降平台用于调控水相基体在Z轴方向上的移动；所述的压力控制进给机构用于调控液体原料的定量挤出；所述水相基体为剪切变稀性质水凝胶；所述阵列式微振动打印喷头用于实现挤出液体与喷头的有效分离和悬浮液滴的高通量制备，阵列式微振动打印喷头通过导管与压力控制进给机构相连；
其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)选取符合打印图案需求的阵列式微振动打印喷头，将喷头通过导管与压力控制进给机构连接；
2)选取具有剪切变稀性质的材料溶解于水中，得到具有一定粘度的透明水凝胶作为水相基体，选取单一或混合油性液体作为油相；
3)通过X轴移动机构、Y轴移动机构控制阵列式微振动打印喷头在XY平面内的移动，通过Z轴升降平台控制水相基体在Z轴方向上的移动，从而使3D打印机上的阵列式打印喷头在水相基体中按设定轨迹运动；
4)调节压力控制机构的推进距离，使阵列式微振动喷头定量挤出油相液体，在喷头微小振动下原位剪切油相，得到分散到水相中的液滴；
所述的设定轨迹是阵列式微振动喷头在打印液滴过程中停顿在一个打印位置，然后调节压力控制机构挤出定量体积的油相液体，等待油相液体挤出后，阵列式喷头再移动到下一打印位置；整个过程中，阵列式喷头始终处于微振动状态。
2.根据权利要求1所述的利用阵列式3D液滴打印机高通量制备悬浮液滴的方法，其特征在于，所述阵列式微振动打印喷头装置通过以下步骤得到：
绘制阵列式喷头的三维通孔排列图案，通过3D打印技术制备阵列式通孔模型；将毛细针管插入阵列通孔中，实现3D液滴打印的平行放大；将微振动器贴附于通孔模型侧面。
3.根据权利要求1所述的利用阵列式3D液滴打印机高通量制备悬浮液滴的方法，其特征在于，所述的压力控制机构为注射泵或蠕动泵。
4.根据权利要求1所述的利用阵列式3D液滴打印机高通量制备悬浮液滴的方法，其特征在于，所述阵列式3D液滴打印机还包括箱体用于盛装水相基体，所述的箱体放置在Z轴升降平台上，阵列式打印喷头位于所述箱体上方并部分浸入水相基体中，Z轴升降平台调节阵列打印喷头出口在水相基体中在Z轴方向的高度。
5.根据权利要求1所述的利用阵列式3D液滴打印机高通量制备悬浮液滴的方法，其特征在于，所述的剪切变稀性质的材料可以为卡波姆或黄原胶，所述水相基体的黏度控制在15-30Pa·s。
6.根据权利要求1所述的利用阵列式3D液滴打印机高通量制备悬浮液滴的方法，其特征在于，所述的油性液体可以为蚕丝油、茶树油、羊绒酯或维生素E中的一种或者几种混合。
7.根据权利要求2所述的利用阵列式3D液滴打印机高通量制备悬浮液滴的方法，其特征在于，所述3D打印技术可以为熔融沉积式3D打印或光固化3D打印。
8.根据权利要求2所述的利用阵列式3D液滴打印机高通量制备悬浮液滴的方法，其特征在于，所述毛细管针管可以为玻璃毛细针管或不锈钢毛细针管。
9.根据权利要求2所述的利用阵列式3D液滴打印机高通量制备悬浮液滴的方法，其特征在于，所述的毛细针管出口直径为0.1-2mm。
10.根据权利要求1所述的利用阵列式3D液滴打印机高通量制备悬浮液滴的方法，其特征在于，所述的微振动的振幅为0.1-1mm，振动频率为80-240Hz。
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