[发明专利]一种3D生物打印水凝胶沉积成型工艺参数协同优化方法

权利要求书

1.一种3D生物打印水凝胶沉积成型工艺参数协同优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

构建水凝胶处于低剪切应力状态下水凝胶沉积成型过程的有限元模型；

设计正交实验，分析工艺参数对线条成型率和打印偏移量的影响规律，得到影响线条成型率和打印偏移量的一次工艺参数权重排名；

设计响应曲面实验，采用二阶无偏差估计的响应曲面模型对响应曲面实验的实验数据进行逼近拟合，得到线条成型率和打印偏移量分别关于工艺参数的拟合方程；并对两个拟合方程进行方差分析，得到影响线条成型率和打印偏移量的二次工艺参数权重排名；

根据一次工艺参数权重排名和二次工艺参数权重排名一致的两个拟合方程，对线条成型率和打印偏移量进行最优化求解，得到最佳工艺参数组合。

2.如权利要求1所述的3D生物打印水凝胶沉积成型工艺参数协同优化方法，其特征在于，还包括：

利用Fluent软件中基于欧拉法的VOF多相流模型对空气相与水凝胶相的流动状态进行分析，并通过追踪两相之间的界面位置，得到有限元模型中水凝胶打印线条的形态特征。

3.如权利要求2所述的3D生物打印水凝胶沉积成型工艺参数协同优化方法，其特征在于，所述界面位置的确定，包括：

对于每一种添加至VOF模型中的流体相，都引入该相的体积分数变量，且在每个控制体积内，所有相的体积分数之和为1；若设第i种流体在某单元的体积分数为α_i，则该单位内流体种类有以下三种情况：

α_i＝0单元内不含流体i，含有其他流体；

α_i＝1单元内全是流体i，不含其他流体；

0α_i1单元内含有流体i和其他流体，单元内存在流体i与其他流体界面；

通过求解流体在计算单元内的体积分数α_i，实现相界面的追踪，对于流体i，其求解体积分数的方程式如下：

式中，为流体j到流体i的传质，为流体i到流体j的传质，S_αi为源项，ρ_i为流体i的密度，为质量对时间的偏导，α_i为单元内的体积分数，为质量的梯度；

除了相体积分数方程，初相的体积分数的约束公式为：

通过求解单个动量方程，得到的速度场可在不同相之间共享：

式中，为非稳态项，为对流项，为压力项，为剪切力项，为重力项，为相间作用力场，ρ为单元格内的流体密度，ρ通过下式求得：

ρ＝∑α_iρ_i

相界面存在于每一个单元格内，其体积分数是一种连续函数，相与相之间没有明显的界面；为了得到相界面的具体位置，这里设定以50％为水凝胶和空气的相界面。

4.如权利要求1所述的3D生物打印水凝胶沉积成型工艺参数协同优化方法，其特征在于，还包括：

采用Herschel-Bulkley模型作为水凝胶的本构模型表达低剪切应力下水凝胶的性能η；所述Herschel-Bulkley模型表达式如下所示：

式中，为临界剪切速率；τ₀为临界屈服应力；k为一致性指数，n为流动指数，为剪切速率。