一种微细血管管道3d打印路径预测方法
【专利摘要】本发明公开一种微细血管管道3D打印路径预测方法，针对喷墨打印过程中液滴的冲击力，对其冲击造成的变形进行预补偿路径计算，得到理想状态的微细血管。该方法首先简化打印微细管为曲梁，然后构建液滴冲击曲梁引起的变形方程组，包括冲击力计算，参与计算参数标定；对该方程组进行求解，求解时首先计算曲梁力矩分布，根据分布力矩，计算曲梁任意位置角度变化情况，根据曲梁任意角度变化情况，计算变形前曲梁位置改变情况，反推出原未变形时曲梁的形状。由于在打印过程中，打印好部分的管道所受重力和浮力相等，考虑冲击力为主要影响曲梁结构变形能更好反映和适应实时情况，该方法得到的轨迹较好地解决了打印过程中大变形导致的打印失败问题。
【专利说明】一种微细血管管道3D打印路径预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于生物制造领域，涉及一种微细血管管道3D打印路径预测方法。
【背景技术】
[0002] 细胞打印是组织工程中新兴的技术，近10年来，国外对细胞打印的进行了初步的 研究，对多种类型的细胞打印成形已经进行了实验尝试。目前，细胞打印主要有两种方式， 其一是激光直写方式，其二是类似喷墨打印的细胞喷射方式。由于喷墨打印具有低喷射液 滴速度、无需加热等优点，如今的喷墨技术也被广泛应用于细胞打印工程中。目前对细胞 打印的研究针对的是打印细胞的活性，而对细胞打印方式，缺乏深入的研究，其适用介质的 范围，打印时间间隔和打印驱动脉宽等打印控制参数对细胞损伤的影响，以及细胞悬液的 密度对打印效果的影响等缺乏详实的分析，缺乏细胞打印过程中细胞受损的理论依据，不 但限制了其应用，而且严重阻碍了专用细胞喷射装置的研制，无法实现工程化细胞打印。 K.K.Haller对细胞液滴与刚性表面的碰撞作用进行了建模分析，当液滴撞击到表面时，液 滴会被压缩和不断的变形；WeiWang工作团队分析了在气泡膨胀的过程中，细胞液滴的机 械负载情况，研究了在液滴形成过程中细胞受损的机理，并且分析了粘度对气泡膨胀过程 的影响，然后针对细胞的着落过程，研究了单个细胞液滴与水凝胶之间的碰撞过程；但是上 面的建模分析大部分是针对单一液滴或者单个细胞而言的，现实中细胞打印过程是细胞层 层堆积的过程，这过程中伴随了多颗打印生物墨滴的着落粘附与碰撞，这些因素造成打印 管壁的变形，甚至打印完全失败，因此考虑打印过程中细胞液滴造成的冲击力影响，并根据 冲击力引起的变形方程，反推出未变形前的曲线段序列作为打印轨迹，可以得到较为理想 的打印形状。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是针对现有技术的不足，在微细血管3D打印方面，提出一种打印预 补偿路径的方法，该方法考虑液滴喷射造成的冲击、重力、浮力等诸多影响因素，以理想的 圆管为目标，并将打印过程中的管壁简化成曲梁模型进行变形求解，最后得到一系列分段 曲线作为补偿打印路径。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案包括以下步骤：
[0005] 步骤（1).打印初始参数准备：
[0006] 设定打印微细血管参数，包括打印管道厚度、半径、长度值、材料参数等，根据打印 管道厚度，控制打印机输出频率和电压大小，得到相应直径的液滴以及液滴的速度，进而计 算液滴造成的冲击力，整合冲击力、浮力、重力，并对其坚直方向和水平方向进行分解，得到 作用在打印微细管上水平和坚直方向的受力分析；
[0007] 步骤（2).打印过程简化曲梁方程组构建，以及方程组求解：
[0008] 微细血管在打印过程中进行简化建模，这里将打印过程中的微细管视作曲梁，将 整个打印过程沿打印管道圆周方向分为相同长度的分段打印轨迹，以曲梁端部受冲击力进 行变形的过程作为微细血管在打印过程中所受力后的变形，然后根据整合的受力分析建立 具体方程组，方程组的建立过程：首先根据分段打印轨迹单元的受力平衡，得到平衡方程， 然后根据力系等效关系，得到变形后分段打印轨迹的分布载荷方程，最后根据轴向力，得到 轴线的伸长率方程。
[0009] 该方程组的求解过程分三步进行，第一步计算在坚直方向力的作用下简化曲梁力 矩分布求解；第二步计算在力矩作用下曲梁对应位置发生的角度变形，第三步根据角度变 化计算变形后的做标改变值，对得到的坐标值进行拟合，从而推导出变形前形状曲线。重复 三步计算，得到若干分段打印轨迹曲线，作为若干打印预测路径。
[0010] 步骤（3) ?预测轨迹的形成：
[0011] 按照角度关系由小到大排列上述步骤（2)若干分段打印轨迹曲线，得到预测微细 血管打印轨迹。
[0012] 目前微细血管的打印过程还处于实验阶段，主要靠经验来打印模型，本发明以打 印过程中受到的综合力学进行动态分析，从而补偿打印冲击产生的变形，得到比较理想的 打印形状，对微细血管的打印具有重要的指导意义。本发明方法简单可靠，很容易上手，便 于使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1是本发明方法的受力分析图；
[0014] 图2是微细血管打印过程具体算法流程图；
[0015] 图3是一个预测好的打印轨迹实例。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析。
[0017] 由图2所示，本发明方法包括如下步骤：
[0018] 步骤⑴.根据设定的打印微细血管参数，计算液滴冲击力Fimpact :
[0019] 所述的打印微细血管参数包括打印管道厚度h，打印管道半径r，打印管道长度值 b，打印材料弹性模量E。
[0020] 1. 1根据打印管道厚度h，控制打印机输出频率和电压大小，得到相应直径为d的 液滴以及液滴的速度b，液滴的直径以及速度由现有高速摄像机摄像并计算得到；
[0021] 1. 2根据液滴直径d大小，由式（1)计算得到液滴质量：
[0022]
【权利要求】
1. 一种微细血管管道3D打印路径预测方法，其特征在于该方法包括以下步骤： 步骤（1).根据设定的打印微细血管参数，计算液滴冲击力Fimparf : 所述的打印微细血管参数包括打印管道厚度h，打印管道半径r，打印管道长度值b，打 印材料弹性模量E ; I. 1根据打印管道厚度h，控制打印机输出频率和电压大小，得到相应直径为d的液滴 以及液滴的速度b ; 1. 2根据液滴直径d大小，由式（1)计算得到液滴质量：
其中P dMP为液滴的密度； 1. 3根据步骤1. 2得到的液滴质量mdMp、打印材料弹性模量E，由式⑵计算得到液滴 产生的冲击力 Fimpact *
向下，所以坚直方向微血管受力Pv = Finipaet，水平方向微血管受力Ph = O ; 步骤（2).根据步骤（1)液滴的冲击力Fimpart，计算圆形微细血管变形量，由变形量反求 出变形前轨迹曲线序列： 2. 1设定打印过程中的微细血管简化成曲梁结构，将整个打印过程沿打印管道圆周方 向分为相同长度的分段打印轨迹，设定打印分段参数为N ; 2. 2计算第i段分段打印轨迹序列，设i的初始值为1，执行完下列步骤2. 3?2. 9后 重新赋予i = i+1，直至i值大于等于N后执行步骤（3); 2. 3根据整合的受力分析，建立第i段分段打印轨迹的微细血管变形方程组（3)，其中 I ^ i ^ N ：
式中：冲击力作用下圆弧变形量4, = (-A巩-以4 )_印"+1;
其中： Pv表示打印过程沿坚直方向微血管受力； Ph表示打印过程沿水平方向微血管受力； e表示变形前分段打印轨迹任意点处角度表达； e 〇, Q1表示变形后分段打印轨迹任意点处角度表达； Xtl表示变形前X方向坐标值表达； y〇表示变形前y方向坐标值表达； X表示变形后X方向坐标值表达； y表示变形后y方向坐标值表达； u表示分段打印轨迹圆弧上任意点沿X方向变形量； w表示分段打印轨迹圆弧上任意点沿Y方向变形量； L表不待打印微小血管的长度； C1, C2, C3表示横截面几何性质以及轴线初始曲率相关的几何参数； C4为中间变量值； 奶，奶分别表示在离散力矩位置变化处角度的余弦值和正弦值； e表示分段打印轨迹角度值； S表示打印管道厚度与半径的比值；
在分段打印轨迹上得到n处力矩的有限离散分布，其中n为计算时离散的点的数目： 2. 5根据分段打印轨迹离散力矩分布方程组（3)中公式
，计算分段打印轨迹n处力矩分布处角度变化值G1，从而 计算这n处对应变化前的角度计算公式为0 d = e- 0 i ; 2. 6根据角度变化值方程组（3)中公式
，计算得到这n处位置变形前 的X方向变形量u ; 2. 7根据角度变化值方程组（3)中公式
计算得到这n处位置变形前 的Y方向变形量w ; 2. 8根据公式Xci = x-u, Ytl = y-w,得到变形前n个曲线点坐标集合Z ; 2. 9通过B样条曲线拟合方程2. 8得到的曲线点坐标集合Z，得到角度区间为
的变形前曲线Curvei,将其纳入集合P ; 步骤（3).按照角度关系由小到大排列曲线集合P中各曲线元素，得到预测微细血管打 印轨迹。
【文档编号】G06F17/50GK104361154SQ201410588887
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年10月28日 优先权日:2014年10月28日
【发明者】龚友平, 吕云鹏, 陈国金, 苏少辉, 陈昌, 陈慧鹏, 刘海强, 彭章明 申请人:杭州电子科技大学