线结构是凝胶3D打印的基本组成单元,研究其成型具有重要意义。精确控制凝胶线结构的沉积位置、尺寸精度是打印3D凝胶结构的基础。而且在二维平面中控制每层材料的用量,这在组织工程中的筛要或共培养应用中都具有重要意义。根据实验结果,凝胶断裂距离随着气压的增加而增加,并且增加幅度越来越大。从本质上,气压影响的是凝胶在单位时间内的挤出量,与点结构成型不同的是,凝胶线结构成型是一个连续的过程,其材料挤出量要比点结构大很多。
结合大量测试实验,发现在气压较低时,凝胶的挤出过程较慢,喷头需离沉积平台较近才能打印出凝胶线结构,但是喷头容易被遇冷固化的凝胶堵塞,凝胶线结构成型不连续。而气压较高时,凝胶线结构的尺寸由于膨胀而过大,不利于精确控形。当凝胶线的断裂距离范围为5-30mm的时候,气压对凝胶打印成型的影响最佳。故而,选择的适合凝胶线结构成型的气压数值范围为15-30Kpa。
打印高度影响的是凝胶线结构沉积的位置精度。凝胶是一种软材料,有明显的流动性和滞后性,喷头的运动位置点和凝胶材料的沉积点之间会有时间差,不合理的时间差会导致凝胶线结构成型失败。通过一系列探索性实验发现,凝胶在较低的打印高度下能够形成较好的位置精度,而当打印高度大于1mm时,凝胶线结构基本上成型失欧,这是因为打印高度太高造成凝胶材料沉积反应滞后。故最佳的打印高度值范围为0.1-0.4mm。
打印速度是影响凝胶线结构尺寸的关键。在不影响凝胶线成型的情况下,打印速度的快慢能够决定凝胶线结构的尺寸,其最能直接影响凝胶线结构成型的指标是线宽。合理选择并调节打印速度参数能够控制尺寸精度。
在喷头直径一定的情况下,凝胶线宽随着喷头移动速度的增加而减小。当打印速度小于4mm/s时,凝胶线宽尺寸减小的速度很快,这是凝胶材料挤出堆积减少从而扩散现象减少导致的。而当打印速度大于6mm/s时,凝胶的线宽基本上呈线性减小的趋势,表明凝胶线结构成型稳定,尺寸可控。故对于凝胶线成型,最佳的打印速度范围为6-10mm/s。
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