CN116021770B - 一种挤出式生物3d打印几何缺陷的评价方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种挤出式生物3D打印几何缺陷的评价方法及系统。方法包括：S1、设计一单层微丝走向，并基于单层微丝走向采用挤出式生物3D打印机打印出具有设定高度的多层相同走向的微丝；S2、在多层微丝的X、Y、Z三个方向分别任意取n个位置测量，得到每个位置微丝的长宽高均值和样本标准差SD_X，SD_Y，SD_Z，以及微丝间的角度均值和样本标准差SD_α；S3、计算每个位置初始时刻的P_t＝0值及其模值|P_t＝0|；S4、根据模值|P_t＝0|和P_t＝0值判断综合打印精度，根据实际需求选择合适的打印参数；S5、判断打印完成后静置λ小时后的打印精度变化程度C_λ：S6、基于步骤S3中的P_t＝0值和模值|P_t＝0|计算公式以及步骤S5中的打印精度变化层度C_λ计算公式判断任意时刻、任何打印参数和任何材料的打印结构精度。本发明可以在打印复杂模型前使用较少的材料得到较优的参数。

Description

一种挤出式生物3D打印几何缺陷的评价方法及系统

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，更具体地说，特别涉及一种挤出式生物3D打印几何缺陷的评价方法及系统。

背景技术

随着科技水平提升与再生医学发展，体外构建组织器官模型以替代或修复病变组织的功能成为一个研究热点。由于三维组织结构复杂、微环境控制难度大等因素限制，传统加工方式难以实现各种不规则生物组织或器官的有效构建。生物3D打印技术的出现为克服这些难题带来了希望。根据成型原理与打印材料不同，生物3D打印技术可分为挤出式、喷墨式、光固化等。相比其他生物打印技术，挤出式生物打印因材料适用范围广泛、价格低廉、可打印复杂结构等独特优势引起科研人员极大的研究兴趣。挤出式生物打印又称为墨水直写，通过连续挤出力将生物墨水从容器中挤出到平台上堆叠成三维结构。

用于生物3D打印的材料属于软体材料(例如黏剂、水凝胶等等)，如何使这些软材料打印出具有高精度的打印结构是体外构建组织器官的核心问题。其中，打印精度是指打印结构在长度、高度、宽度方面与原始CAD模型的大小和空间位置的匹配程度，当设定的打印参数、材料配置等方面不合理的时候，打印完成的结构可能会出现分辨率低，结构粗糙，产生塌陷行为等问题。然而，目前针对挤出式生物3D打印方式所形成结构的打印精度测量研究较少或者不够完善。因此，目前要做的工作就是：以打印的简单模型，提出一种综合考虑打印结构分辨率和形状保真度(包括粗糙度、塌陷度、微丝间角度等)的综合评价方法，用于评价打印结构在不同时段的所有几何缺陷情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种挤出式生物3D打印几何缺陷的评价方法及系统，以克服现有技术所存在的缺陷。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种挤出式生物3D打印几何缺陷的评价方法，包括以下步骤：

S1、设计一单层微丝走向，并基于所述单层微丝走向采用挤出式生物3D打印机打印出具有设定高度的多层相同走向的微丝；

S2、设定打印完成时刻为初始时刻，在多层微丝的X、Y、Z三个方向分别任意取n个位置测量，得到每个位置微丝的长宽高均值和样本标准差SD_X，SD_Y，SD_Z，以及微丝间的角度均值/>和样本标准差SD_α；

S3、将步骤S2中的得到的各项数据代入以下公式计算初始时刻(t＝0)的P_t＝0值及其模值|P_t＝0|：

其中，i,j,k,l,m,q,u,v为两两互不相干的空间正交基向量。

S4、根据模值|P_t＝0|初步判断综合打印精度，并根据P_t＝0以及实验需求选择合适的打印参数；

S5、根据步骤S4中的综合打印精度和打印参数结合以下公式判断打印完成后静置λ

小时后的打印精度变化程度C_λ：

S6、基于步骤S3中的P_t＝0值计算公式以及步骤S5中的打印精度变化程度C_λ计算公式判断任意时刻、任何打印参数和任何材料的打印结构精度。

进一步地，所述步骤S1中包括编写单层微丝走向的G代码，采用挤出式生物3D打印时更改单层微丝走向的G代码的高度。

进一步地，所述步骤S1中在采用挤出式生物3D打印之前包括：配制好的设定浓度的凝胶材料，将凝胶材料置于倒装着锥形/圆柱形针咀的针筒，并设置好打印参数。

进一步地，所述步骤S2中样本标准差SD_X，SD_Y，SD_Z，SD_α的计算公式为：

进一步地，所述步骤S4中若|P_t＝0|值越接近于零则综合打印精度越高。

进一步地，若出现打印完成时初始时刻|P_t＝0|值相等或需要具有一定的偏好选择，则基于P_t＝0直观看出是哪部分影响可打印性，从而通过实际偏好选择打印参数，后续任意时刻也一致。

进一步地，所述步骤S6中还包括同时判断打印结构的粗糙度、分辨率、塌陷度和孔径大小。

进一步地，所述步骤S3中计算初始时刻P_t＝0值的公式具有拓展性，在此公式基础上随时添加任何评价指标，包括但不限于打印结构的平面度等等，不断对公式进行迭代。

本发明还提供一种根据上述挤出式生物3D打印几何缺陷的评价方法的系统，包括：

挤出式生物3D打印模块，用于设计一单层微丝走向，并基于所述单层微丝走向采用挤出式生物3D打印出具有设定高度的多层微丝；

测量模块，用于将设定打印完成时刻为初始时刻，在多层微丝的X、Y、Z三个方向分别任意取n个位置测量，得到每个位置微丝的长宽高均值和样本标准差SD_X，SD_Y，SD_Z，以及微丝间的角度均值/>和样本标准差SD_α；

计算模块，用于将测量模块中的各项数据代入以下公式计算每个位置的P_t＝0值及其模值|P_t＝0|：

第一判断模块，用于根据模值|P_t＝0|判断综合打印精度以及选择打印参数；

第二判断模块，用于根据第一判断模块中的综合打印精度和打印参数结并合以下公式判断打印完成后静置λ小时后的打印精度变化程度C_λ：

第三判断模块，用于基于计算模块中的P_t＝0值计算公式以及步骤第二判断模块中的打印精度变化程度C_λ计算公式判断任意时刻、任何打印参数和任何材料的打印结构精度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明可以在打印复杂模型前使用较少的材料得到较优的参数，从而使各种复杂结构保持较高的打印质量；本发明可以同时判断打印分辨率和形状保真度；本发明只要有需要新判断的打印精度参数就可以直接在本公式基础上迭代，而无需额外添加公式；本发明可直观判断出哪种打印精度参数主要影响最终成型效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明挤出式生物3D打印几何缺陷的评价方法的流程图。

图2是本发明打印微丝模型示意图，a为打印微丝轴测图，b为打印微丝俯视图。

图3是本发明挤出式生物3D打印几何缺陷的评价系统的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

影响挤压生物3D打印结构的打印精度的工艺参数包括材料特性(例如粘度、屈服应力等)、模型设计(结构尺寸或形状)、挤压生物打印设备(例如温度控制精度等)、打印参数(喷嘴内径、喷嘴移动速度、挤出速度、层厚、微丝间角度、喷嘴尖端距离基底高度等)。其中，本实施例的评价方法适用于评价材料可打印性和打印参数的优劣。

参阅图1、图2所示，本实施例公开了一种挤出式生物3D打印几何缺陷的评价方法，包括以下步骤：

步骤S1、设计一简单的单层微丝走向(图2中b)，并基于所述单层微丝走向采用挤出式生物3D打印出具有设定高度的多层微丝(图2中a)。

编写单层微丝走向的G代码，采用挤出式生物3D打印时更改单层微丝走向的G代码的高度。G代码举例如下所示：

G1 Z0.2000 F420(第一层)

G1 X54.49 Y11.84 F4800

G1 X54.49 Y-8.00 F180(X,Y后面数值表示坐标，F180表示速度3mm/s)

G1 X52.49 Y-8.00 F180

G1 X52.49 Y11.84 F180

G1 X50.49 Y11.84 F180

G1 X50.49 Y-8.00 F180

G1 X48.49 Y-8.00 F180

G1 X48.49 Y11.84 F360(X,Y后面数值表示坐标，F360表示速度6mm/s，后面同理)

G1 X46.49 Y11.84 F360

G1 X46.49 Y-8.00 F360

G1 X44.49 Y-8.00 F360

G1 X44.49 Y11.84 F360

G1 X42.49 Y11.84 F360

G1 X42.49 Y-8.00 F540

G1 X40.49 Y-8.00 F540

G1 X40.49 Y11.84 F540

G1 X38.49 Y11.84 F540

G1 X38.49 Y-8.00 F540

G1 X36.49 Y-8.00 F540

G1 X36.49 Y11.84 F720

G1 X34.49 Y11.84 F720

G1 X34.49 Y-8.00 F720

G1 X32.49 Y-8.00 F720

G1 X32.49 Y11.84 F720

G1 X30.49 Y11.84 F720

G1 X30.49 Y-8.00 F900

G1 X28.49 Y-8.00 F900

G1 X28.49 Y11.84 F900

G1 X26.49 Y11.84 F900

G1 X26.49 Y-8.00 F900

G1 X24.49 Y-8.00 F900

G1 X24.49 Y11.84 F1080

G1 X22.49 Y11.84 F1080

G1 X22.49 Y-8.00 F1080

G1 X20.49 Y-8.00 F1080

G1 X20.49 Y11.84 F1080

G1 Z0.0.4000 F420(第二层，层高增加0.2mm)

G1 X54.49 Y11.84 F4800

G1 X54.49 Y-8.00 F180(X,Y后面数值表示坐标，F180表示速度3mm/s)G1 X52.49Y-8.00 F180

.(中间过程相同

G1 X20.49Y11.84 F1080

后续每层G代码仅改变高度。

其中，采用挤出式生物3D打印之前包括：配制好的设定浓度的凝胶材料(例如明胶，胶原蛋白等)，将凝胶材料置于倒装着23号锥形/圆柱形针咀(针咀尺寸类型有多种，比如G23，G25，G27号等多种型号,其内径X_D各不相同)的5cc针筒，用于气动挤出，部分材料需要凝胶一段时间才可以打印(例如明胶需要在室温凝胶至少20分钟才具有一定的可打印能力。但凝胶时间越久可能越难挤出，因为所需克服的屈服应力更大，需要的压强越大)。设定好相应的打印参数(包括压强P、喷嘴距离平台的高度h、微丝转弯的角度为β，微丝长度为L，喷嘴移动速度V等)。打印机所能达到的所有参数数值范围均在本实施例可设定范围内。以步骤S1举例的G代码为例，喷嘴移动速度V分别为3，6，9，12，15，18mm/s，层高为0.2，0.4，....，设计的理论微丝长度为19.84mm。除此之外的例如压强等打印参数根据实际需要设定。

步骤S2、设定打印完成时刻为初始时刻，即t＝0，在多层微丝的X、Y、Z三个方向分别任意取n个位置测量，得到每个位置微丝的长宽高均值和样本标准差SD_X，SD_Y，SD_Z，以及微丝间的角度(或者称为弧度)均值/>和样本标准差SD_α；计算公式分别为：

步骤S3、将步骤S2中的各项数据代入以下公式计算每个位置的P_t＝0值及其模值|P_t＝0|：

其中，i,j,k,l,m,q,u,v为两两互不相干的空间正交基向量。

步骤S4、根据模值|P_t＝0|和P_t＝0判断综合打印精度以及选择打印参数。

具体的，根据模值|P_t＝0|初步判断综合打印精度，|P_t＝0|越接近于0，则综合打印精度越高。但是当出现|P_t＝0|相等的情况或者需要具有一定的偏好选择(例如本次打印对X方向均值有优先选择，需要得到比较接近针咀内径的微丝宽度)，此时便可以通过式(1)直观看出相应的粗糙度、分辨率等数值，并根据实验实际偏好需要选择合适参数。

步骤S5、根据步骤S4中的综合打印精度和打印参数结合以下公式判断打印完成后静置λ小时后的打印精度变化程度C_λ：

具体的，在得到初始的打印精度和初始合适的打印参数范围条件下，打印结构可能因为时间的推移而发生塌陷等打印精度下降的情况，因此同时引入式(2)。

其中，C_λ表示打印完成后静置λ小时(温度等条件均不发生改变)后的打印精度变化程度。理想条件下，C_λ应等于0。

S6、基于步骤S3中的P_t＝0值计算公式以及步骤S5中的打印精度变化程度C_λ计算公式判断任意时刻、任何打印参数和任何材料的打印结构精度。

具体的，基于式1和式2，可判断任意时刻任何打印参数任何材料的打印结构精度，可同时判断打印结构的粗糙度、分辨率、塌陷度和孔径大小。

本实施例可以在打印复杂模型前使用较少的材料得到较优的参数，从而使各种复杂结构保持较高的打印质量。

本实施例综合考虑到目前挤压生物3D打印精度所面临的主要问题(包括粗糙度、塌陷度、分辨率、微丝走向等)，仅通过一个公式，即式(1)就可以完成这四项打印精度的评价，这是以往任何打印精度评价方法所没有做到的。

其中，使用三个方向均值计算的系数可以判断分辨率，看是否符合所需的分辨率。越接近所需的分辨率，则系数越接近0；粗糙度通过三个方向标准差计算的系数可以判断分辨率，看是否符合所需的粗糙度，理论上粗糙度为0；塌陷度通过使用三个方向均值计算的系数可以判断塌陷度。理想情况下没有塌陷则系数越接近0，说明维持原有结构；微丝走向通过最后2个基向量前面的系数判断，理想条件下符合设计的微丝，其系数为0。

现有技术的方法都只考虑到打印结束时刻的打印精度，但忽略了挤压生物打印结构所使用软材料的特性(可能会随着时间发生塌陷)，因此本实施例所使用的式(2)可以对任何时刻打印精度的变化迅速做出判断。因此，通过本实施例通过式(1)与式(2)可以判断任意时刻任何打印参数任何材料的打印结构精度，可同时判断打印结构的粗糙度、分辨率、塌陷度和孔径大小。

现有技术的打印精度评价方法只能测试一个最后的结果，无法判断出具体是哪个部分影响了可打印性能(具体是标准差过大导致打印性差，还是微丝宽度过大导致打印性差等情况无法做出判断)。而本实施例通过式(1)既可以通过求模进行综合判断，也可以通过式子直接直观看出是哪部分影响可打印性，以便根据实际实验需求选择合适的打印参数。

本实施例中的式(1)具有可拓展性。式(1)是采用高维空间向量的表示方法，因此可以根据实际需要在式(1)中进一步增加各种需要考虑的打印精度(例如打印结构的平面度等等)，不断对公式进行迭代。但是，始终只需要使用式(1)就可以同时对某一时刻的各种打印精度进行判断。

参阅图3所示，本发明还提供一种根据上述挤出式生物3D打印几何缺陷的评价方法的系统，包括：

挤出式生物3D打印模块1，用于设计一单层微丝走向，并基于所述单层微丝走向采用挤出式生物3D打印出具有设定高度的多层微丝；

测量模块2，用于将设定打印完成时刻为初始时刻，在多层微丝的X、Y、Z三个方向分别任意取n个位置测量，得到每个位置微丝的长宽高均值和样本标准差SD_X，SD_Y，SD_Z，以及微丝间的角度均值/>和样本标准差SD_α；

计算模块3，用于将测量模块中的各项数据代入以下公式计算每个位置的P_t＝0值及其模值|P_t＝0|：

第一判断模块4，用于根据模值|P_t＝0|判断综合打印精度以及选择打印参数；

第二判断模块5，用于根据第一判断模块中的综合打印精度和打印参数结并合以下公式判断打印完成后静置λ小时后的打印精度变化程度C_λ：

第三判断模块6，用于基于计算模块中的P_t＝0值计算公式以及步骤第二判断模块中的打印精度变化程度C_λ计算公式判断任意时刻、任何打印参数和任何材料的打印结构精度。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种挤出式生物3D打印几何缺陷的评价方法，综合考虑打印结构分辨率和形状保真度，包括粗糙度、塌陷度、微丝间角度，用于评价打印结构在不同时段的所有几何缺陷情况，其特征在于，包括以下步骤：

S1、设计一单层微丝走向，并基于所述单层微丝走向采用挤出式生物3D打印机打印出具有设定高度的多层相同走向的微丝；

S2、设定打印完成时刻为初始时刻，在多层微丝的X、Y、Z三个方向分别任意取n个位置测量，得到每个位置微丝的长宽高均值和样本标准差SD_X，SD_Y，SD_Z，以及微丝间的角度均值/>和样本标准差SD_α；

S3、将步骤S2中得到的各项数据代入以下公式计算初始时刻P_t＝0值及其模值|P_t＝0|：

其中，i,j,k,l,m,q,u,v为两两互不相干的空间正交基向量，X_D为微丝的理论宽度，L为微丝的理论长度，H为微丝的理论高度，β为微丝转弯的角度

S4、根据模值|P_t＝0|初步判断综合打印精度，并根据P_t＝0以及实验需求选择合适的打印参数；

根据模值|P_t＝0|初步判断综合打印精度，|P_t＝0|越接近于0，则综合打印精度越高，但是当出现|P_t＝0|相等的情况或者需要具有一定的偏好选择，此时便通过上述公式直观看出相应的粗糙度、分辨率数值，并根据实验实际偏好需要选择合适参数；

S5、根据步骤S4中的综合打印精度和打印参数结合以下公式判断打印完成后静置λ小时后的打印精度变化程度C_λ：

其中，C_λ表示打印完成后静置λ小时后的打印精度变化程度，理想条件下，C_λ应等于0；

S6、基于步骤S3中的P_t＝0值计算公式以及步骤S5中的打印精度变化程度C_λ计算公式判断任意时刻、任何打印参数和任何材料的打印结构精度；

其中，使用三个方向均值计算的系数判断分辨率，看是否符合所需的分辨率，越接近所需的分辨率，则系数越接近0；粗糙度通过三个方向标准差计算的系数判断分辨率，看是否符合所需的粗糙度，理论上粗糙度为0；塌陷度通过使用三个方向均值计算的系数判断塌陷度，理想情况下没有塌陷则系数越接近0，说明维持原有结构；微丝走向通过最后2个基向量前面的系数判断，理想条件下符合设计的微丝，其系数为0。

2.根据权利要求1所述的挤出式生物3D打印几何缺陷的评价方法，其特征在于，所述步骤S1中包括编写单层微丝走向的G代码，采用挤出式生物3D打印时更改单层微丝走向的G代码的高度。

3.根据权利要求1所述的挤出式生物3D打印几何缺陷的评价方法，其特征在于，所述步骤S1中在采用挤出式生物3D打印之前包括：配制好的设定浓度的凝胶材料，将凝胶材料置于倒装着锥形/圆柱形针咀的针筒，并设置好打印参数。

4.根据权利要求1所述的挤出式生物3D打印几何缺陷的评价方法，其特征在于，所述步骤S2中样本标准差SD_X，SD_Y，SD_Z，SD_α的计算公式为：

5.根据权利要求1所述的挤出式生物3D打印几何缺陷的评价方法，其特征在于，所述步骤S4中若|P_t＝0|值越接近于零则综合打印精度越高。

6.根据权利要求5所述的挤出式生物3D打印几何缺陷的评价方法，其特征在于，若出现打印完成时初始时刻|P_t＝0|值相等或需要具有一定的偏好选择，则基于P_t＝0直观看出是哪部分影响可打印性，从而通过实际偏好选择打印参数。

7.根据权利要求1所述的挤出式生物3D打印几何缺陷的评价方法，其特征在于，所述步骤S6中还包括同时判断打印结构的粗糙度、分辨率、塌陷度和孔径大小。

8.根据权利要求1所述的挤出式生物3D打印几何缺陷的评价方法，其特征在于，所述步骤S3中计算初始时刻P_t＝0值的公式具有拓展性，在此公式基础上随时添加任何评价指标，包括但不限于打印结构的平面度。

9.一种根据权利要求1-7任意一项所述挤出式生物3D打印几何缺陷的评价方法的系统，其特征在于，包括：

挤出式生物3D打印模块，设计一单层微丝走向，并基于所述单层微丝走向采用挤出式生物3D打印机打印出具有设定高度的多层相同走向的微丝；

测量模块，用于将设定打印完成时刻为初始时刻，在多层微丝的X、Y、Z三个方向分别任意取n个位置测量，得到每个位置微丝的长宽高均值和样本标准差SD_X，SD_Y，SD_Z，以及微丝间的角度均值/>和样本标准差SD_α；

计算模块，用于将测量模块中的各项数据代入以下公式计算初始时刻P_t＝0值及其模值|P_t＝0|：

其中，i,j,k,l,m,q,u,v为两两互不相干的空间正交基向量，X_D为微丝的理论宽度，L为微丝的理论长度，H为微丝的理论高度，β为微丝转弯的角度；

第一判断模块，用于根据模值|P_t＝0|初步判断综合打印精度，并根据P_t＝0以及实验需求选择合适的打印参数；

第二判断模块，用于根据第一判断模块中的综合打印精度和打印参数结并合以下公式判断打印完成后静置λ小时后的打印精度变化层度C_λ：

第三判断模块，用于基于计算模块中的P_t＝0值计算公式以及步骤第二判断模块中的打印精度变化层度C_λ计算公式判断任意时刻、任何打印参数和任何材料的打印结构精度。