一种多取向性微纤维3D打印方法及应用

本发明涉及增材加工、3d打印，尤其涉及一种多取向性微纤维3d打印方法及应用。

背景技术：

1、目前的3d打印技术，主要包括熔融沉积成型技术(fdm)、选择性激光烧结技术(sls)和光固化成型技术(sla)，已经成为制造多种产品和原型的重要工具。然而，传统的3d打印技术在制备微纤维方面存在显著的限制，特别是在制备纳米到微米尺度的纤维时。微纤维通常用于各种应用，例如过滤、组织工程、传感器和保护服等，特别是微纤维可以支持细胞生长和组织工程支架的创建。但是，传统的3d打印技术，特别是熔融沉积模型(fdm)技术，由于其低分辨率导致的宏观孔隙性，使得养分传输效率降低，并阻止了连续细胞网络的形成。同样，选择性激光烧结技术(sls)和光固化成型技术(sla)也由于其固有的分辨率和材料限制而难以产生微纤维，这在一些高精度和特定功能要求的应用中可能会成为一个限制因素。即传统的3d打印技术难以满足微纤维打印要求。

2、近场直写(nfdw)技术是一种能够生成纳米到微米尺度结构的技术，nfdw技术具有极高的分辨率，可以产生精细的微纤维结构。然而，nfdw的主要问题是效率低，产量慢，这主要是由于它的串行写作方式和复杂的操作过程导致的。此外，采用nfdw打印时，是通过连接在打印平台上的电场控制微纤维取向，随着目标结构打印厚度增加，随着目标结构中纤维层的堆积，连接到打印平台上的电场力对新一层的微纤维控制减弱。随着层厚的上升，纤维的收集效率逐渐降低，直至约等于0mm，多数材料的极限厚度为1mm。因此，直接使用纤维丝技术制备每一层的纤维，这导致打印的厚度有限。所以nfdw技术由于电场的限制，在制备高度或厚度较大的微纤维结构时面临着显著的挑战，在实际应用中，nfdw技术很难满足大规模生产和高效率的需求。

3、综上，微纤维打印技术一直是一块未攻克的领域，其设计难度大，制作难度大，往往难以达成理想的结果。现有技术的主要问题在于，无法实现高精度、高效率和大尺寸的微纤维3d打印，尤其是在多角度的微纤维打印方面存在很大的技术挑战。这些问题主要是由于当前3d打印和微纤维打印的局限性所导致，缺乏一种能够将这些技术优势集成在一起，同时解决各自技术缺点的方法或装置。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的至少一种缺陷，本发明提供一种多取向性微纤维3d打印方法，在打印前，通过对纤维丝方向进行控制，使得纤维丝具有一定取向，在打印时，按照目标结构中的在打印的切片层中的目标纤维丝取向，将具有一定取向的纤维丝转移至打印平台上。在纤维丝转移至打印平台上的过程中，通过直接控制纤维丝取向或直接控制打印平台方向，使得纤维丝方向与打印切片层中目标纤维丝取向一致，两方向对应后，纤维丝直接转移至打印平台上，不再需要对打印平台施加电场，在纤维丝向打印平台上转移过程中，纤维丝不受电场力作用，能够对厚度或高度较大的打印的目标结构进行打印。

2、本发明为解决其问题所采用的技术方案是：

3、一种多取向性微纤维3d打印方法，

4、沿第一方向将目标结构进行切片，获得切片层；获取各切片层中的目标纤维丝取向；所述第一方向为所述目标结构的目标纤维丝层堆叠方向，切片层中目标纤维丝取向为第二方向；

5、收集纤维丝，并将收集到的纤维丝沿第三方向并排排列；

6、利用沿所述第三方向排列的所述纤维丝对所述目标结构中各切片层逐层打印至打印平台上；

7、依据正在打印的切片层中的目标纤维丝取向，调整所述打印平台方向，使沿第三方向排列的纤维丝的取向和所述打印平台上正在打印的切片层中的目标纤维丝取向一致，将所述纤维丝转移至所述打印平台上；

8、在一切片层的纤维丝转移完成后再进行下一切片层纤维丝的转移。

9、基于上述一种多取向性微纤维3d打印方法，在打印前，通过对纤维丝方向进行控制，使得纤维丝具有一定取向，在打印时，按照目标结构中的在打印的切片层中的目标纤维丝取向，将具有一定取向的纤维丝转移至打印平台上。在纤维丝向打印平台上转移的过程中，通过直接控制纤维丝取向或打印平台方向，将纤维丝直接转移至打印平台上，不再需要对打印平台施加电场，在纤维丝转移至打印平台上过程中，静电不受电场力作用，能够对厚度或高度较大的打印的目标结构进行打印。

10、优选地，所述第一方向垂直于切片层，所述第一方向与所述第二方向垂直；所述第三方向包括所述第二方向。

11、优选地，在所述第三方向上，相邻的两所述纤维丝之间平行或接近平行。

12、优选地，一所述切片层内，所述目标纤维丝为单一取向。

13、优选地，所述纤维丝转移至所述打印平台前，依据正在打印的切片层中目标纤维丝取向，沿所述第三方向排列的所述纤维丝的取向保持，所述打印平台旋转，使沿第三方向排列的纤维丝的取向和所述打印平台上正在打印的切片层中的目标纤维丝取向一致；

14、所述打印平台旋转角度为沿所述第三方向排列的所述纤维丝的取向与所述第二方向的夹角，所述旋转平台旋转方向为顺时针方向或逆时针方向；

15、沿所述第三方向排列的所述纤维丝直接与打印平台接触，并转移至所述打印平台上。

16、优选地，多取向性微纤维3d打印方法还包括选择性固化，对转移至所述打印平台上的纤维丝进行选择性固化，选择性固化完成再进行下一切片层打印；所述选择性固化为光固化，所述光固化的过程为采用365nm—405nm激光固化5s—200s。

17、优选地，多取向性微纤维3d打印方法还包括湿润处理，所述湿润处理为对沿所述第三方向并排排列的纤维丝进行加湿，加湿时间为2-10s。

18、优选地，所述沿第一方向将目标结构进行切片的过程为采用三维3d打印切片软件获取目标结构的数据，上位机输入所述目标结构并利用所述切片软件获取每个切片层的形状和各个切片层中目标纤维丝的所述第二方向。

19、优选地，多取向性微纤维3d打印方法还包括纤维丝回收，在所述目标结构的最后一切片层选择性固化完成后，将所述打印平台上的纤维结构浸泡至溶解溶剂中，未固化的纤维丝溶解至溶解溶剂中，获得所述目标结构，同时获得溶解有纤维丝的溶液，将溶液干燥，分离获得含有纤维丝的固体。

20、综上，本发明提供的一种多取向性微纤维3d打印方法具有如下技术效果：能够实现微纤维打印要求，且打印效率高。打印过程中，纤维丝转移至打印平台上时，不依赖电场力控制纤维丝方向，能够实现对厚度或高度较大的目标结构进行打印。

21、本发明还提供一种多取向性微纤维3d打印方法的应用。

22、一种多取向性微纤维3d打印方法的应用，采用前述的多取向性微纤维3d打印方法打印获得目标结构，目标结构包括但不限于医疗器具、过滤分离器具、传感元器件和电子电路结构。

23、应用在组织工程和生物医学领域，本方案的多取向性微纤维3d打印方法可用于打印医疗器具，如用于制造具有复杂结构的生物支架或生物兼容支架。制造的生物支架或生物兼容支架能够模仿自然组织的微环境，支持细胞生长和组织再生。打印过程中，通过精确控制各切片层内微纤维的取向，可以模仿自然组织的结构排列，如肌肉组织的纤维排列或心脏组织的特定取向，这对于细胞定向生长和功能组织的形成至关重要。此外，医疗器具中多取向性微纤维结构有助于改善养分和氧气的传输，加速组织修复过程。

24、应用在过滤和分离技术领域，本方案的多取向性微纤维3d打印方法可用于打印过滤分离器具，如可以用于制造高效能的过滤材料。这些过滤材料能够在纳米尺度上捕获颗粒物和微生物，通过调整过滤材料内的微纤维的取向和布局，可以设计出具有特定孔隙率和孔径分布的过滤介质，从而优化流体流动和过滤效率，实现对不同大小颗粒的有效捕获。这种采用多取向性微纤维3d打印的过滤分离器具，特别适用于需要高精度过滤的应用，如空气净化、水处理和医疗保健产品领域。

25、应用在柔性电子和传感器技术领域，本方案的多取向性微纤维3d打印方法可用于打印传感元器件和电子电路结构，如可以制造具有特定取向性导电路径的3d结构。这些3d结构能够用于开发新型的柔性电子设备和高灵敏度的传感器，例如，通过精细控制导电微纤维的排列和方向，可以制造出能够感应和响应机械变形、温度变化或化学物质存在的传感器。这种高度定制的微纤维3d打印技术为开发可穿戴电子设备、智能织物和环境监测设备提供了新的可能性。