极坐标线投影光固化连续 3D 打印：实现管状结构高效精准制造

        在制造领域，管状结构应用广泛，像生物医学中的管状移植物、航空航天的燃料管等。但传统制造方法在生产特定管状结构时困难重重。制造精细特征的管状移植物时，聚合物材料易因受热或机械应力变形；制造多材料管状结构，如血管，需要复杂的微流控技术；且血管壁薄，制造难度极大。3D打印技术虽为管状结构制造带来新契机，但现有技术仍存在诸多不足。例如，传统挤出式打印对细胞剪切应力大，影响细胞活性；数字光处理（DLP）技术打印长管状物体精度欠佳，打印径向多材料结构时切换树脂耗时耗成本；旋转挤出打印分辨率低，难以满足微尺度血管制造需求。  
      在此背景下，来自北京航空航天大学生物与医学工程学院的樊瑜波教授/李介博副教授团队联合校内外机械、材料等课题组展开合作研究。他们开发了一种基于旋转芯轴的DLP打印装置——极坐标线投影光固化成型（PLLP）技术。该技术通过极坐标线投影和旋转芯轴同步运动，实现连续打印，还建立了切片算法和树脂切换系统，用于打印径向多材料管状结构。相关工作以“Polar - coordinate line - projection light - curing continuous 3D printing for tubular structures”为题发表在《International Journal of Extreme Manufacturing》上，为管状结构的制造提供了高效、高精度的新方案。北京航空航天大学北京生物医学工程高精尖创新中心、生物力学与力生物学教育部重点实验室、生物与医学工程学院是第一单位，樊瑜波教授，李介博副教授以及材料科学与工程学院的王志坚教授、机械工程及自动化学院的燕鑫副教授，和北京大学口腔医院的韩建民主任是论文的通讯作者。
研究内容
1. PLLP系统示意图，通过搭建PLLP实验装置，研究其打印过程和原理，以及相关参数对打印效果的影响。结果表明，该装置能实现连续打印，通过控制光固化时间、狭缝宽度等参数，可精准控制打印精度和层厚，最小可控层厚为50μm，θ方向打印精度可达10μm，且打印的管状结构表面更光滑。

2. PLLP的狭缝分辨率，运用Zemax软件模拟投影通过狭缝后的光场分布，并进行实际打印实验，对比不同狭缝宽度下打印的管状结构。结果显示，狭缝宽度决定θ方向打印精度，10μm狭缝能实现更高精度打印；与商业DLP打印相比，PLLP在打印相同尺寸管状结构时，表面更光滑，波动更小。

3. PLLP与商业DLP完美圆形打印对比，建立数值模型模拟两种打印方法的应力分布，并进行机械压缩力测试实验，研究PLLP和商业DLP打印的管状结构的机械性能差异。结果表明，PLLP打印的管状结构应力分布更均匀，抗压强度更高，在相同压缩距离下，其抗压强度约为商业DLP打印管的1.4 - 2倍，且能打印更薄壁的管状结构，保持良好的柔韧性。

4. 多材料夹芯管结构的压力测试，设计并打印不同材料组合的夹芯管结构，进行压力测试实验和模拟压缩实验，研究多材料打印对管状结构性能的影响。结果发现，多材料组合能发挥不同材料优势，提高结构的抗压强度和韧性，如T1 + 2结构在抗压性能上优于单一材料结构，变形和应力分布更合理。

5. PLLP的附着打印演示和打印速度表征，通过在不同条件下进行打印实验，对比PLLP与其他3D打印技术，研究PLLP的打印速度和适用结构。结果表明，PLLP在打印薄壁、细长管状结构时速度优势明显，如打印特定尺寸的单层管状移植物可在100s内完成，且其打印速度和分辨率与其他技术相比在特定条件下具有竞争力。

6. PLLP的多材料打印演示，进行多种多材料打印实验，测试不同结构的压缩性能，研究PLLP在多材料打印方面的能力和优势。结果显示，PLLP可实现单/多层多材料打印，通过不同材料组合能调整结构的机械性能，如“肉 + 骨骼”结构兼具高弹性和高强度，在人工血管等领域有应用潜力。

研究结论
      本研究提出了一种名为PLLP的新型连续3D打印技术，该技术基于线投影原理。PLLP的旋转打印特性使得每次固化后，旋转的芯轴能自动将固化部分从UV透明窗口移开，实现自动连续打印，避免了复杂技术仪器的使用，也不存在UV透明窗口上方无法固化的区域。在PLLP系统中，旋转芯轴为打印提供支撑，使得打印单分辨率壁厚的管材成为可能。研究成功打印出直径6mm、壁厚50μm、高6mm的管材，且极坐标θ方向的分辨率可达10μm。此外，PLLP能实现不同材料的无缝替换打印，无需额外支撑即可成型。值得一提的是，利用该技术打印高度2.5cm、内半径1.5mm的管状移植物仅需100s。这些优势使PLLP有望减少部分生物可降解管状移植物、牙科产品和航空航天应用的制造时间和成本。

文章来源：
https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad3c7f