勞劍東，王 晗，吳佩萱，胡 峰，蔡 念，李 響

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州510006）

0　引言

熔體靜電紡絲技術(shù)是制造聚合微納米纖維[1]一種有效方法，原理是通過(guò)強(qiáng)電場(chǎng)拉伸聚合物溶液或熔體形成噴射流沉積來(lái)制造納米纖維，它能夠產(chǎn)生與細(xì)胞外基質(zhì)纖維相似的無(wú)紡布纖維結(jié)構(gòu)[2]，顯示出作為組織工程支架[3]的巨大潛力。

熔體電紡直寫(xiě)裝置研發(fā)是所有工藝研究的基礎(chǔ)，但對(duì)于熔體電紡裝置研究仍處于初級(jí)階段。Dalton[4]等開(kāi)發(fā)了XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，并在玻璃收集器上沉積混合聚合物和確定最佳靜電紡絲參數(shù)。Farrugia[5]等搭建了二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，通過(guò)控制收集速度與平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度制備了方向可控的三維立體聚合物。雖然各科研機(jī)構(gòu)研發(fā)的熔體電紡直寫(xiě)裝置組成類(lèi)似，但仍沒(méi)出現(xiàn)可推廣的成熟的商業(yè)化設(shè)備。目前熔體電紡直寫(xiě)系統(tǒng)存在收集平臺(tái)運(yùn)動(dòng)精度低、熔融噴頭加熱方式安全性低、對(duì)熔體粘度要求高、軟硬件開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、操作繁瑣、功能單一等問(wèn)題。

PC機(jī)硬件平臺(tái)具有通用性和優(yōu)異的性?xún)r(jià)比，可以利用與其相配的大量通用軟件完成數(shù)控系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)[6]。本文根據(jù)熔體電紡直寫(xiě)工藝技術(shù)的要求，搭建X、Y、Z三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，基于“PC+固高運(yùn)動(dòng)控制卡”的形式構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng)[7]的硬件平臺(tái)，在Windows 7上采用vs2010作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)編寫(xiě)上位機(jī)控制系統(tǒng)軟件，自主研發(fā)一套滿(mǎn)足工藝要求的高精度、多模式且操作簡(jiǎn)易的熔體電紡直寫(xiě)系統(tǒng)，最后通過(guò)圖案化的沉積實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性。

1　電紡直寫(xiě)裝置總體設(shè)計(jì)

熔體電紡直寫(xiě)裝置運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是一種多軸運(yùn)動(dòng)的機(jī)械裝置，按功能劃分為四大系統(tǒng)，總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置總體設(shè)計(jì)

X軸、Y軸水平于大理石工作臺(tái)形成平面運(yùn)動(dòng)模組，纖維收集裝置為薄的導(dǎo)電玻璃，通過(guò)真空吸盤(pán)固定在XY平面運(yùn)動(dòng)模組上，通過(guò)控制XY軸聯(lián)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)圖案化的纖維軌跡。Z軸垂直于大理石工作臺(tái)面，軸上安裝有熔融噴頭，其主要用來(lái)調(diào)節(jié)熔融噴頭針頭到收集裝置的距離。熔融噴頭內(nèi)置數(shù)字式溫度控制器，可直接控制噴頭熱電阻的加熱溫度并且反饋到顯示器，實(shí)現(xiàn)溫度的準(zhǔn)確控制。此外還有用于產(chǎn)生高壓電場(chǎng)的高壓電源、實(shí)時(shí)采集噴射流狀態(tài)的攝像頭以及用于控制噴射流量的氣壓控制器。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

熔體電紡直寫(xiě)系統(tǒng)的硬件是基于PC+運(yùn)動(dòng)控制卡的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建，主要由輸入輸出設(shè)備、工控機(jī)、人機(jī)界面、固高運(yùn)動(dòng)控制卡、直線(xiàn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、光柵尺以及限位開(kāi)關(guān)等部分組成。上位機(jī)采用研華工控機(jī)，性能穩(wěn)定；運(yùn)動(dòng)控制卡選用固高公司的GTS-400-PV-PCI，該控制卡是在高速數(shù)字信號(hào)處理器DSP及大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨔PGA的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)高性能的控制計(jì)算及高速的點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)，控制卡安插在主機(jī)PCI插槽與上位機(jī)通信；直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為Akribis公司的 ASD240-0309S1J1，與控制器端子板相連；除此，為了實(shí)時(shí)反饋運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位置信息以及防止直線(xiàn)電機(jī)超工作行程的運(yùn)動(dòng)，X、Y、Z軸上還安裝有光電式限位開(kāi)關(guān)和雷尼紹高分辨率增量式光柵尺作為位置反饋系統(tǒng)一部分，其反饋信號(hào)接入端子板進(jìn)而給控制器處理，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示，搭建完成的熔體電紡直寫(xiě)裝置實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2　控制系統(tǒng)原理圖

圖3　熔體電紡直寫(xiě)裝置實(shí)物結(jié)構(gòu)圖

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)的功能是通過(guò)人機(jī)界面管理和監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，固高GTS-400運(yùn)動(dòng)控制卡提供了能滿(mǎn)足多種運(yùn)動(dòng)要求的開(kāi)源函數(shù)庫(kù)和Windows動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位、點(diǎn)動(dòng)、插補(bǔ)等運(yùn)動(dòng)模式。開(kāi)發(fā)者只需要根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，編寫(xiě)友好的人機(jī)界面，通過(guò)調(diào)用固高控制卡中功能豐富的函數(shù)庫(kù)，可簡(jiǎn)單快速地實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)。

3.1　控制軟件整體功能設(shè)計(jì)

熔體電紡直寫(xiě)裝置控制系統(tǒng)主要功能是通過(guò)控制X、Y軸平面運(yùn)動(dòng)模組，配合帶熔融噴頭的Z軸，收集沉積在導(dǎo)電玻璃片上的特定軌跡和形貌的纖維。同時(shí)在多軸平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其運(yùn)動(dòng)參數(shù)。因此，軟件需要有點(diǎn)動(dòng)、點(diǎn)位以及復(fù)位等基本軸運(yùn)動(dòng)功能，為了滿(mǎn)足傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)軟件功能，因此軟件還需要能讀取和解析G代碼文件，DXF文件。實(shí)驗(yàn)裝置一個(gè)重要的應(yīng)用是打印組織工程支架，為了方便操作，需要集成一個(gè)專(zhuān)門(mén)為打印組織工程支架實(shí)驗(yàn)服務(wù)的模塊，而在實(shí)驗(yàn)中因大量參數(shù)變量需要記錄，為了操作簡(jiǎn)便和易用性，可以增加一個(gè)歷史參數(shù)模塊，以便記錄實(shí)驗(yàn)中的參數(shù)變量。除此之外，還有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的功能等，而具體軟件功能模塊如圖4所示。

圖4　軟件功能模塊設(shè)計(jì)

3.2　控制軟件界面功能簡(jiǎn)介及操作流程

控制軟件是在window7系統(tǒng)上，以visual studio2010作為編譯器，使用QT插件提供庫(kù)函數(shù)進(jìn)行編寫(xiě)。QT是一個(gè)跨平臺(tái)C++圖形用戶(hù)界面應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架，良好封裝機(jī)制使得Qt的模塊化程度非常高，可重用性較好，并且QT提供了豐富的API，相較于傳統(tǒng)的MFC開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)是非常方便，根據(jù)軟件功能模塊設(shè)計(jì)，編寫(xiě)的軟件界面如圖5所示。

圖5　數(shù)控系統(tǒng)用戶(hù)軟件界面

該軟件操作十分簡(jiǎn)便，首先打開(kāi)控制軟件，在上位機(jī)與控制卡成功通訊后，可以加載軸配置文件。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，可選擇不同的加工軌跡路徑文件，文件格式目前支持常用的Gcode和DXF格式文件，還有已經(jīng)集成在軟件中的組織工程之間路徑模塊。確定好軌跡路徑后需要實(shí)驗(yàn)參數(shù)即可啟動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，在操作軟件上可實(shí)時(shí)監(jiān)控軌跡以及平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，出現(xiàn)運(yùn)行的異常情況可以中斷平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，調(diào)整實(shí)驗(yàn)條件后重新開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。

4　圖案化軌跡程序設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

4.1　圖案軌跡規(guī)劃

熔體電紡直寫(xiě)裝置控制系統(tǒng)研發(fā)的目的是通過(guò)控制X、Y平面運(yùn)動(dòng)模組的聯(lián)動(dòng)，配合Z軸上的熔融噴頭噴射的聚合物熔體沉積出圖案化的軌跡，因此不同的圖案會(huì)產(chǎn)生不同的軌跡規(guī)劃問(wèn)題。軌跡的規(guī)劃思路是通過(guò)一維纖維沉積構(gòu)建二維圖案，繼續(xù)通過(guò)二維圖案的堆疊形成三維立體結(jié)構(gòu)。

程序編寫(xiě)思路是把一維網(wǎng)格纖維的沉積分解為兩層，每次運(yùn)動(dòng)將其分解為X或Y方向上的點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)。沉積軌跡設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6　沉積路徑設(shè)計(jì)

4.2　控制系統(tǒng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證控制系統(tǒng)以及路徑軌跡規(guī)劃的可行性，本文將使用PCL800C作為沉積材料，按照上述規(guī)劃的的路徑打印聚合物三維網(wǎng)格支架，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。在宏觀(guān)上（圖7（a））可以看沉積的立體網(wǎng)格圖案規(guī)律地堆積在導(dǎo)電玻璃上，通過(guò)掃描電鏡（型號(hào)：HITACHI TM3030）觀(guān)察（圖 7（b））可以看到每一層的材料按程序設(shè)計(jì)的路徑堆疊在一起。

圖7　沉積驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)條件：材料 PCL 800C，加熱溫度140℃，收集間距5 mm，施加電壓6.47 kV，進(jìn)料壓力13 kPa，堆疊層數(shù)100

5　結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了熔體電紡直寫(xiě)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，采用工業(yè)計(jì)算機(jī)結(jié)合固高運(yùn)動(dòng)控制卡的形式構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，闡述了硬件平臺(tái)的結(jié)構(gòu)原理及控制方案。利用vs2010作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)編寫(xiě)上位機(jī)控制系統(tǒng)軟件，介紹了軟件的界面和操作流程。根據(jù)組織工程中對(duì)生物支架的要求，設(shè)計(jì)了打印立體柵格支架的路徑軌跡方案，詳細(xì)闡述了軌跡程序編寫(xiě)的流程及關(guān)鍵代碼，最后通過(guò)圖案化的沉積實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了熔體電紡直寫(xiě)系統(tǒng)的可行性，為相關(guān)研究提供參考。

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