[发明专利]一种高通量阵列式3D液滴打印方法

说明书

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。

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；