（机械电子工程专业论文）面向三维打印的压电式喷头的驱动与控制.pdf

摘要 l | | l l | | | l | | f l l l l l i i f l l 1 | 1 1 1 l | 1 1 1 | | l f l l i 硼 y 2 0 6 7 5 4 7 三维打印技术是目前最具有生命力的快速成型技术之一，适用于机械工程、电 子工程、生物医学领域的新产品开发。作为一种经济型快速成型技术，它具有成本 低、系统可靠性高，设备体积小，噪声小，成型速度快等优点，且产品材料和颜色 可多样化，具有巨大的应用潜能和广阔的市场前景。 本文针对制约三维打印技术发展的高粘度、高密度液体喷射成形问题，研究了 其喷射驱动的关键技术。首先，研究了微压电打印头的工作原理及驱动时序，给出 了一种基于p p g a 的喷头控制方法。其次，提出了一种自适应喷射驱动控制方法， 通过压电单元测出流道中的压力变化，计算相应的压力波周期，并据此调整驱动脉 宽，实现不同密度液体的喷射；在此基础上，通过预估液滴的喷射速度并引入反馈 控制策略调整驱动脉冲的幅值，从而达到预计的喷射速度，实现高粘度，高密度液 体的喷射。c f d 仿真结果表明此方法的有效性。最后，设计了三维细胞打印的实验 装置，并通过细胞打印实验分析了影响细胞打印的几个因素。 关键词：三维打印压电喷头自适应驱动控制 a b s t r a c t t h r e ed i m e n s i o n a lp r i n t i n g ( 3 d - p r i n t i n g ) i so n eo ft h em o s tv i t a lo ft h er a p i d p r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y , s u i t st on e wp r o d u c t sd e v e l o p m e n ti nt h ef i e l do fm e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g ，e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ，b i o m e d i c a le n g i n e e r i n g a s ak i n do f e c o n o m i c - r a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y , i th a sl o wc o s t , h i g hr e l i a b i l i t y , c o m p a c t e q u i p m e n t ，q u i e ta n dh i 曲r a p i dp r o t o t y p i n gs p e e de t c a n di t a l s oc a nm a k eap a r ti n d i f f e r e n tm a t e r i a l sa n dc o l o r s i th a sa ne n o r m o u sa p p l i c a t i o np o t e n t i a la n db r o a dm a r k e t p r o s p e c t s t h i sp a p e ra i m st ot h ep r o b l e mo fj e t t i n go ft h eb i o - i n k 、) l ，i t l lk g hv i s c o s i t y 、h i g h d e n s i t yw h i c hr e s t r i c t st h e3 d - p r i n t i n gt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，s t u d i e sam i c r o p i e z o e l e c t r i ch e a d sd r i v i n gt i m i n ga n dw o r k i n gp r i n c i p l e ，p u t sf o r w a r dam e t h o do f c o n t r o l l i n gt h i sp r i n t e rh e a db a s e do nf p g a s e c o n d l y , t h i sp a p e rc o m e su p 诚也a m e t h o do f a d a p t i v ej e td r i v ec o n t r o lm e t h o d t h i sm e t h o df i r s t l ym e a s u r e st h ec h a n g e s o ff l o wp r e s s u r eb yp i e z o e l e c t r i ce l e m e n t ，c a l c u l a t e st h ec o r r e s p o n d i n gp r e s s u r ew a v e c y c l e ，a c c o r d i n gt ot h ep r e s s u r ew a v ec y c l e ，a d j u s t st h ed r i v ep u l s ew i d t h t or e a l i z et h e i n j e c t i o no ft h e d i f f e r e n tp a r a m e t e r sp h y s i c a l a n dt h e ne s t i m a t e st h ed r o p l e te x i t v e l o c i t ya n di n t r o d u c e st ot h ef e e d b a c kc o n t r o ls t r a t e g yt oa d j u s tt h ea m p l i t u d eo ft h e d r i v ep u l s e ，w h i c hi st oa c h i e v et h ee x p e c t e do ft h ei n j e c t i o ns p e e d ，t oa v o i do r i f i c e s c l o g g i n ga n dt or e a l i z et h eb i o l o g i c a la g e n t sd r o p - o n - d e m a n d ( d o d ) c f ds i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o di se f f e c t i v e f i n a l l y , t h i sp a p e rd e s i g n st h e3 d - p r i n t i n g e x p e r i m e n td e v i c e ，a n a l y s e ss e v e r a lf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ec e l lp r i n t i n gb yc e l l p r i n t i n ge x p e r i m e n t k e y w o r d ：t h r e ed i m e n s i o n a lp r i n t i n gp i e z o e l e c t r i c1 1 e a da d a p t i v ed r i v i n ga n d c o n t r o l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 三维打印概述 快速成型技术l i j ( r a p i dp r o t o t y p i n g 简称r p ) 是利用材料堆积法快速制造产品 的一项先进技术。它的本质是利用积分制造三维实体。在成形过程中将计算机存贮 的任意三维形体信息传给成型机，通过材料叠加的方法直接制造出来，而不需要特 殊的模具、工具和人工干涉。它集成了c a d 技术、数控技术、激光技术、材料技 术、等先进技术，是先进制造的重要组成部分。它的基本原理是，将计算机上制作 零件的三维模型进行网格化处理并存贮，对其进行分层处理，得到各层截面的二维 轮廓信息，按照这些轮廓信息自动生成加工路径，由成型头在控制系统的控制下， 选择性地固化、切割或沉积一层层的成型材料，形成各个截面轮廓薄片，并逐步赝 序叠加成三维坯件，然后进行坯件的后处理，形成零件。快速成型技术主要分成以 下4 类： 1 光固化立体造型( s t e r e ol i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ，s l a ) ：s l a 使用的是可光固化， 的光敏树脂。当扫描器在计算机的控制下，将激光器的能量按分层信息传递给成型 液面后，光敏树脂就发生聚合反应而固化，完成一层的加工。所用激光器的激光波 长有限制，一般采用的激光器波长为( 3 2 5 3 6 4 ) n m 采用这种方法成型的零件有较高一 的精度且表面光洁，但可用范围较窄。 2 熔融沉积成型( f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ，f d m ) ：f d m 不是采用激光作能源， 而是将电能传递给塑料丝，在挤出喷头前达到熔融状态，喷头在计算机制下作x y 联动扫描，在扫描运动中喷出熔融的材料，形成一个加工层并与上一层牢牢地连接 在一起，这样层层扫描叠加便形成一个空间实体。这种方法的能量传输和材料传输 均不同于其他三种方法，系统成本较低。但由于喷头的运动方式属于机械运动，对 速度有一定限制，所以加工效率较低，且其材适用范围有限。 3 选择性激光烧结( s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ，s l s ) ：s l s 使用固体粉末材料，先在 工作台上铺一层粉，采用激光束在计算机控制下有选择地进行烧结该材料能吸收激 光能量，使之熔化并在随后的冷却过程中固化，从而完成层的成型，一层完成后再 进行下一层，这样层层叠加形成一个空间实体，烧结完成后去除多余粉末便为所需 样件。其材料适应范围很广，特别是在金属和陶瓷材料的成型方面有独特的优点， 但是所成型的零件精度和表面粗糙度很差，有待于进一步提高。 4 分层实体制造( 1 a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ，l o m ) ：l o m 的层面信息通过 2 面向三维打印的压电喷头的驱动与控制 每一层的轮廓来表示，激光扫描器动作由这些轮廓信息控制，它采用的材料具有一 定厚度的片材，这种加工方法只需加工轮廓，所以可达到很高的加工速度，但材料 范围很窄，每层范围不可调整是其最大缺点。 由于人们对原型件制造的成本、速度和操作的易用性、可靠性都提出了更高的 要求。而当前商品化的高端快速成型系统价格昂贵、运行成本高、对环境要求较高， 且需要专门人员操作和日常维护。因此，基于喷射技术的三维打印( t h r e e d i m e n s i o n a lp r i n t i n g ，3 d p ) 技术由于其设备相对便宜、运行成本较低、操作简单、 成型无污染、适合办公室环境，且打印速度快，可制作精细、复杂的零件，已成为 近年来快速成型行业研究和应用的热点。三维打印技术【2 】【3 】作为快速成型技术的发 展方向之一，它是传统的二维打印与分层制造工艺相集合的产物。在打印过程中， 它的数据需经过“三维电子模型一二维数据一三维物理模型”的过程。首先，需要由 商用c a d 软件( 如r r o e n g i n e e r , a u t o c a d 等) 生成实体的三维几何信息，然后根据 工艺要求，按照一定规则将三维实体模型离散为一系列有序的单元，通过z 向将 其按照一定厚度离散成一系列的二维层片，之后再向层片信息中添加实习的材料信 息。再之后打印驱动程序要经过一个数字半色调过程将连续的材料组分信息，转化 成可印刷的离散材料信息，并产生打印指令，然后打印机就可以根据系统所给的集 合路径和材料组分信息，在打印平台上打印给定的厚度，即打印一个剖切面，完成 一层之后，再打印接下来的一层，这样层层堆积叠加，最终就可以形成三维实体了。 三维打印技术采用与喷墨打印机类似的技术1 2 ，但喷头喷的不是墨水，而是配 置合乎要求的黏接剂、光固化树脂或生物制剂。三维打印技术多采用压电式喷头， 如果直接将墨水换成粘接剂、光固化树脂或生物制剂，喷孔就很容易堵塞。如果把 喷头的每个喷孔直径扩大，又会影响三维成型的精度，原来细微的部分，可能会因 为喷嘴直径扩大而无法表现。所以如何解决高粘度、高密度液体喷射成形问题，成 了摆在工程师面前的一大难题。 目前，3 d p 技术分别应用于模型验证、直接金属陶瓷零件、生物医学工程及 微细加工等不同领域。 1 2 三维打印技术的研究现状及发展趋势 1 2 1 三维打印研究现状 1 国外发展现状： 最早由美国麻省理工学院( m i t ) e m a n u a ls a c h 等人于1 9 9 3 年研发的三维打印 技术( 3 d p ) ，奠定了三维打印快速成型制造的基础【2 】。3 d p 技术通过使用液态粘结 第一章绪论3 剂将铺有粉末的各层固化，以创建三维实体原型。3 d p 技术分为二类，一类是粘接 成形，另一类是光固化直接成形【4 】。其中粘结成形的工作原理如图1 1 所示，首先， 铺粉机构在工作台上铺设一层粉末材料，喷头按照所需成型工件的截面轮廓信息， 在水平面上沿x 方向和y 方向运动，并有选择性的喷射粘接剂，粘接剂渗入部分 粉材的微孔中并使其粘接，形成工件的截面轮廓。一层成型完成后，成型活塞带动 工作台下降一层截面的高度，再进行下一层的铺粉与粘接，如此循环，直到完成最 后一层的铺粉与粘接，形成三维制件，基于该技术的成形系统主要由以下几部分组 成：打印头控制系统( 包括喷头、喷头控制和粘结材料供给与控制) 、粉末材料系统、 3 个方向的运动控制机构与控制( 包括打印头在x 轴和y 轴方向的运动，工作台在 z 轴方向的运动) 、成形室、计算机硬件与软件。光固化直接成形是根据微滴喷射 技术，将实体和支撑光敏材料喷射到工作台面上，再用紫外线进行固化，逐层堆积 的一层工艺，其具体原理可参见图1 2 。从定义上讲，3 d p 是一种应用范围广且处理 速度快的技术，它适用于不同应用领域中各种复杂几何学结构的成型件制作。 鼎鼎a a i i 0 图1 1 粘结成形原理图 图1 2 光固化直接成形技术 2 l 世纪初，3 d p 技术在国外发展迅速，美国的zc o r p 与日本的r i k e ni n s t i t u t e 于2 0 0 0 年研制出基于喷墨打印技术的、能制作出彩色原型件的r p 设备。同年，z c o r p 又引入了高分辨率三维打印成型技术( h d 3 d p ) ，将打印头控制技术、材料改 进、喷头运动控制方法以及机械设计的紧密结合在一起1 5 】。2 0 0 0 年底，以色列的 o b j e tg e o m e t r i e s 公司推出了基于结合3 di n k j e t 与光固化工艺的三维打印机【5 】。美 国3 ds y s t e m s 公司推出了多喷头三维打印机，该型打印机可以选择性的喷射熔化 的热塑料型材料【4 】。 但近年来，国外对三维打印技术的研究主要是对喷头控制系统的研究，喷头作 4面向三维打印的压电喷头的驱动与控制 为三维打印技术的核心部件，也是真正体现核心技术的地方。在喷头方面的研究主 要有以下几个研究领域，如提高喷头分辨率，改良工艺提高喷头质量，改善喷墨效 果和增强喷射能力等。 提高喷头分辨率，是提高质量的一项十分有效的措施，m m u r a t a 等人提出了 一种新的方法通过将喷头各元件进行重新布局，在压电驱动元件( p i e z oa c t u a t o r ) 和 驱动i c 之间建立三维电气连接的方法，成功设计了分辨率高达1 2 0 0 d p i 的压电喷 头1 6 1 ，解决了由于压电驱动元件体积较大带来的压电驱动元件空间不足的问题，提 高了压电喷头的分辨率，同时，在驱动电压为2 i v 时，此液滴最小分辨率达到了 2 p l ，墨滴喷射速度达到1 0 m s 。 在改善喷头的制作工艺、提高喷头质量方面，基于l i g a ( 光刻、电铸和塑造) 和m e d n ( 微细电火花a n - r - ) 技术的纤维注射技术被应用于喷墨头的制造，通过该 技术进行喷墨头以及喷嘴位置和排列的精确铸模，用显微技术来制造喷头降低了制 造成本，提高了喷头质量1 6 j 。 在改善喷墨效果方面，l e ee r 等人通过调整压力及驱动信号上升下降沿来优 化墨滴形成的过程和动态的改变喷射液滴直径l _ 7 j ；m i c r o f a b 公司通过分析压电打印 头驱动信号的幅值和脉宽对液滴速率及体积的影响，调整驱动信号的幅值及脉宽来 改善打印质量【8 】；l ir 等人分析了压电喷头喷射频率对压电喷头喷射的影响，通过 调整压电喷头的喷射频率来改善喷射效果1 9 ；m e i x n e rr m 等人从喷射液体的物性 参数和喷射机械系统的参数对喷射过程的影响的角度分析了聚合物喷射时遇到的 问题【1 0 1 ；新加坡国立大学的j s u n 等人从喷头参数优化的角度，分析了压电喷头 的参数对喷射效果的影响【l l 】。单从喷墨来说，这些研究可以提高打印效果，改善 喷墨打印的质量。 在增强喷射能力( 尤其是三维打印过程中高粘度、高密度液体的喷射) 方面， h e r m a nw i j s h o f f 等人采用了窄通道理论对压电喷墨头液滴喷射过程进行了分析， 分析了高密度，高粘度生物制剂的喷射成型问题，高粘度，高密度生物制剂，液滴 成型时，由于表面张力过大，难以脱离打印头，容易造成喷孔堵塞【l7 1 。w a t e rd 等 人为了克服高密度，高粘度生物制剂难以成型问题，在2 0 0 5 年通过使用基于压电 片和螺旋阀的液体分配系统完成生物打印实验【1 2 】：c h a n gr 等人使用四种不同的喷 头来解决不同粘度液体喷射的i 口- j 题，完成三维打印实验【l3 】；s a n g j u n m o o m 等2 0 0 9 年通过实验分析出高粘度，高密度生物制剂喷射时容易堵头的问题后，但没有予以 解决，而是发明了一种基于机械阀门的三维打印装置。通过该装置代替喷墨打印头 来完成细胞打印【1 4 1 。以上这些研究表明，基于压电喷头，高密度，高粘度液体的 成型问题仍是一个未解决的问题。 2 国内发展现状： 在三维打印机研究领域，由于国外技术的垄断，国内投入的人力物力都很有限， 第一章绪论 因此相关的研究成果较少，通常以应用技术成果为主。目前华中科技大学、西安交 大等国内科研院所也在积极研发此类设备。西安交通大学开发出的三维打印快速成 型装置及控制方法代表了该领域的国内水平，其采用的是压电式喷蜡打印头，并不 是一般的商用的喷墨打印头【l5 1 。华中科技大学的三维打印装置，通过分析了温度 对粘度的影响后，通过控制喷射生物制剂的温度来改善打印流畅度，但当该型装置 用于生物工程中后，由于细胞组织对温度比较敏感，过高或者过低的温度都可能造 成细胞的坏死。 1 2 2 三维打印技术的发展趋势 1 喷嘴内气泡产生机理、过程和控制的研究：通过控制气泡的产生，进一步减 小粘结剂液滴直径，实现更高的分辨率； 2 喷头控制技术的研究：通过控制具有更多喷嘴的喷头，来提高成型速度与精 度；另外，通过调整喷头的驱动电压来改变粘结剂液滴的体积，从而提高喷头的成 型性能； 3 黏结剂液滴落点精确定位研究：通过对喷射时刻的控制，来补偿粘结剂液滴 因做抛物线运动而导致的落点位置偏差，从而保证粘结剂液滴落点在成型介质上的 精确定位1 6 j ； 4 高速数据处理技术研究：成型件体积的增大以及分辨率的大幅度提高，势必 对数据处理、数据传输的速度提出了更高要求，如何高速、高效地传输成型数据成 为该领域又一个研究热点。 5 喷头温度控制的研究：通过热交换改善喷头的温度环境，延长喷头寿命。 1 3 论文的选题和论文的工作意义 论文针对三维打印喷射高粘度，高密度生物制剂时喷射成形问题，研究了微压 电打印头的驱动时序和驱动原理，提出了一种自适应喷射驱动控制方法，新的方法 可以实现高粘度，高密度液体的喷射，为以后三维打印技术的发展奠定了坚实的基 础。 1 4 论文的主要工作 1 研究了微压电喷墨头的工作原理和驱动方法，提出了一种基于f p g a 的喷头 控制方法，实现了微液滴的按需喷射。 2 针对常规压电打印头难以喷射高粘度液体且易堵塞喷孔的问题，提出了一种 6面向三维打印的压电喷头的驱动与控制 自适应喷射驱动控制方法，一方面通过测出流道中的压力变化计算压力波周期，并 据此调整驱动时序；另一方面，通过反馈控制的方法，根据预估的液滴速度调整驱 动信号幅值，实现恒速喷射。 3 采用计算流体力学软件包建立了微压电喷头的仿真模型，并验证了上述自适 应控制方法的有效性。 4 基于上述方法，设计了三维细胞打印实验装置、完成了细胞打印实验，并分 析了影响细胞打印的几个因素。 1 5 论文的结构安排 第一章为绪论。简要介绍了三维打印技术的原理，国内外的发展趋势，研究现 状，以及本文的主要工作。 第二章基于f p g a 对喷头驱动控制方法的研究。首先介绍了喷墨头的工作原 理以及分类，并选择一种微压电打印头进行其驱动控制方法的研究，然后设计了该 型打印头的控制电路，最后给出了基于f p g a 的喷头控制方法。 第三章提出一种自适应喷射驱动控制方法。首先分析了细胞打印发展的现状及 遇到的问题，其次针对细胞打印时遇到的问题提出了一种新的驱动方法，最后，通 过流体力学软件包建立了微压电喷头的仿真模型，并验证了上述自适应控制方法的 有效性。 第四章基于上述方法，设计了三维细胞打印实验装置、完成了细胞打印实验， 并分析了影响细胞打印的几个因素。 第五章对本文的研究工作进行总结和展望，提出了本文中存在的一些不足以及 有待进一步研究的问题和方向。 第二章喷头驱动控制方法的研究 7 第二章喷头驱动控制方法的研究 三维打印技术采用与喷墨打印机类似的技术，但喷头喷的不是墨水，而是配置 合乎要求的粘接剂、光固化树脂或生物制剂。喷墨技术可分为连续喷墨( c o n t i n u o u s i n k i e r ) 和按需喷射( d r o p o n - d e m a n d ) 两种。连续喷墨的液体材料种类选择范围较广， 但是其结构复杂，可控性差，价格昂贵，目前己很少采用，因此目前桌面打印机普 遍采用按需喷射模式，即以c a n o n 为代表的热泡式技术和以e p s o n 为代表的压电 式喷射技术。 2 1 喷墨头的选择 加热羞加銮加墨絮泡霸嚷溪 面向三维打印的压电喷头的驱动与控制 发生相变，性质不稳定，同时可能会影响粉末材料的性质，由于黏结剂是通过气泡 喷出的，因此微滴的方向和体积不易控制，另外，当三维打印技术应用到组织工程 领域时，过高的温度会使得细胞坏死，综合以上因素，所以本论文选择微压电式喷 头作为研究对象。 2 2 压电式喷墨头 1 压电式喷墨头分类 按照压电陶瓷的变形模式不同，压电喷墨头可以分为4 种主要的类型：压式 ( s q u e e z e ) 、弯曲式( b e n d ) 、推式( p u s h ) 和剪式( s h e a r ) 。如图2 2 所示。 蔼 l i 推式l 剪式 图2 2 压电式喷墨技术 2 压电式喷头的结构 参照图2 3 所示的压电喷头的结构，结构模型，其主要是由压电片、喷墨液箱、 喷墨通道及喷孔四部分组成。 图2 3 压电喷头的结构 3 压电喷头的工作原理 它的基本工作原理是：根据打印指令随机的将电脉冲信号加在压电传感器上， 使其产生电致收缩，从而对喷嘴的压力腔内墨水产生一个瞬时压力，将墨水挤压出 喷嘴，滴落在记录介质上，形成记录。这种方式结构简单，易于实现小型化、多嘴 化和彩色化，产生的墨滴尺寸较小，大小均匀【l7 1 。 第二章喷头驱动控制方法的研究 9 省鬻翔 图2 4 微压电喷头工作原理 参照图2 5 ，本节将从压力波的角度对压电式喷头打印头的过程进行分析【1 7 】， 在f 0 时刻给驱动器施加一个电压，压电元件充电( a ) ，压电元件收缩，使腔室内产生 的液压为负压，并向液箱方向传播；当到达喷墨液箱处，假设液箱无限大，负 压力波会完全被反射成正压力波( c ) ；当正压力波到达腔体室中间，也就是施加电 压的位置，压电元件放电，腔室体积变为原来的体积，产生一个正压力波，使得原 来的正压力波加强( d ) ；加强的正压力波将继续向右传播，当到达喷嘴处( e ) ，会将 液体由喷嘴挤出，造成一个凸起。如果正压力波足够大的话。会将液体由喷嘴挤出， 形成一个具有速度的液滴。在这里做一下说明：上述的正负压力波的定义均是相对 于大气压力来说的，比大气压力小的称为负压力，而比大气压力大的称为正压力。 定义一个波传导时间：k = 三，。 其中，上为腔体长度；1 ，为压力波传导速度；k 为波传导时间，也称压力波周 期，为一个压力波在腔体的一端传导至另一端所需要的时间。由上面的驱动原理和 波传导理论分析可以知道，在f o 时刻给驱动器施加一个电压，在岛+ ( 1 2 ) k 时负 压力波反射成正压力波，在f o + o 时正压力波被加强，而在t o + ( 3 2 ) t o 叫时加强的 正压力波到达喷嘴，液滴被挤出。 不同的生物制剂，压力波传播速度，不同，所以，对于不同的生物制剂，其压 力波周期不同。 啼嘴端 二 直 。 i )( |i )( i，)( 11 ) ( i e 出 脚 ? 岛州 稃 薛 喷墨液 图2 5 压电喷头压力波传播图 l o面向三维打印的压电喷头的驱动与控制 2 3 1 喷墨头介绍 2 3 压电式喷墨头的驱动与控制 综合三维打印技术的要求，我们选择一种常用的微压电喷头作为研究对象，现 在简单介绍一下该喷头的性能参数。 图2 6 某型喷头的外观图 喷墨头类型：微压电式 喷嘴数目：黑色9 0 个，2 9 个3 色( 青色洋红色黄色) 有效喷印宽度：0 7 5 英寸 最大分辨率：优化5 7 6 01 4 4 0 d p i ( 带有智能墨滴变换技术) 最小墨滴：4 微微升 寸 图2 7 某型喷头的喷孔排列图图2 8 某型喷头的微观图 第二章喷头驱动控制方法的研究 2 3 2 喷头驱动控制信号介绍及工作过程 该型喷墨头的所有电气信号有控制信号( 数据、移位时钟、驱动打印脉冲、锁 存及片选等) 和电源及电压驱动信号组成，所有电气信号都是通过导电带进行传输 的。 下面具体介绍一下数据、移位时钟、驱动打印脉冲、电压驱动信号、锁存等这 几个控制信号。 1 串行数据输入端( d a t ai ，) _ n ld a t a _ i n 2 该型喷墨头有两路数据输入，分别控制这两排喷孔，黑色喷孔与彩色喷孔。由 于数据是采用串行移入，因此只有两个输入脚。在喷墨头工作时，数据在移位时钟 的作用下一位一位的送入到喷头内部的数据锁存器中，“l ”代表喷，“0 ”代表不喷。 2 移位时钟( c l ko u t ) 因为该型喷头没有地址，为了保证数据按顺序到达相应的喷空，同时也为了保 证数据能够按要求送入喷墨头内部的数据锁存器中，引入了同步移位时钟，该型喷 头的移位时钟为3 3 0 n s ，且占空比为5 0 的方波信号。另外需要说明的是该型喷头 的移位时钟是上升下降沿同时采样，也就是说，要9 0 个喷孔全部喷射，需要4 5 个移位时钟。 图2 9 移位时钟 3 驱动打印脉冲( p u l s e ) 该型喷墨头式属于压电式喷墨技术，因此电压驱动信号必不可少，本设计中的 压电驱动信号就是由驱动打印脉冲来触发的，在一个有效的打印周期内，当驱动打 印脉冲的上升沿到来时，就会产生电压驱动信号，如果相对应的喷孔数据为“1 ”， 则会形成一个墨滴。 4 电压驱动信号( d r i v e 压电喷墨头是根据压电o 片u t ) 的逆压电效应工作的，那么电压驱动信号就必不可 少，该型喷墨头的电压驱动信号是由一个电压专用芯片产生的，该电压专用芯片的 外围电路如图所示，最后形成的压电片驱动电压在示波器下的形状为图2 1 1 中示 波器的探头2 所示。 1 2 面向三维打印的压电喷头的驱动与控制 22抛d 滥 篮臣扛工 ( 】x i3 2i i t a釜她 ( t k 2 axl,a0 签筮 秘c l j 敷s a j 巴 l 盈 越 f l o 暖越 釜丛 r m m 叠曼l 一 双帕 罂盘魁 a v b 毗 銎l a 岫v a 芝辙i a m f j n t 】 型磁j l l，口l a 田n 哺 a 田a 1 2 亟越、i 1 3 l ；ij 阻 麟 a h d船 u w 蛔吣g i 一 l ( h 帕 i砬气 图2 1 0 电压驱动信号原理图 图2 1 1 示波器下的驱动电压信号 5 锁存及片选( l o c k ，c s ) 在锁存信号作用下，数据信号可以被锁存到喷墨头内部的数据锁存器中，这样， 当数据锁存器中的数据位为1 时，则在下一个打印周期内，该喷孔就会喷射，片 选信号为喷墨头的选通信号，高电平有效，本设计中，将其一直保持在高电平。 其工作过程简述如下： ( 1 ) 将要打印的数据送至d a t ah a l ，d a t a端，在移位时钟作用下，_ i n 2 e l ko u t d a t ai n l 端的黑头数据串行输入到黑头的9 0 个串入并出移位寄存器中， d a t ai n 2 端的彩头数据串行输入到彩头的8 7 个串入并出移位寄存器中。 ( 2 ) 由锁存( l o c k ) 发出一个正脉冲将黑头和彩头数据在移位寄存器中保存。 ( 3 ) 驱动打印脉冲( p u l s e ) 有效，触发电压驱动信号( d r i v e _ o u t ) 有效，使喷头压电 晶体变形，将喷射生物制剂高速喷出。 第二章喷头驱动控制方法的研究1 3 2 4 喷墨头驱动控制的f p g a 实现 传统驱动时序是使用c p u 生成的，通常是利用c p u 内部的定时计数器生成驱 动信号，这种方式适用于驱动需要进行“握手”操作且时序要求较为宽松的器件。 喷墨头的驱动电路非常精密，且对各信号的时序要求比较严格，微小的差错就 有可能导致喷墨头的损坏，因此采用c p u 产生驱动时序已不适宜。 在这里采用f p g a 来生成喷墨头的驱动时序。f p g a 可以工作在较高频率时钟 下( 百兆赫兹) ，因此可以产生更为精确的信号；另外由于f p g a 的硬件特性，可 以确保各个信号时序的准确性。因此f p g a 非常适合生成喷墨头的驱动时序。 2 4 1f p g a 1 f p g a 背景知识 f p g a 是英文f i e l d - p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 的缩写，即现场可编程门阵列， 它是在p a l 、g a l 、c p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物【1 8 】。f p g a 采 用了逻辑单元阵列( l o g i cc e l la r r a y ) 这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块 c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ) 、输入输出模块l o b ( i n p u to u t p u tb l o c k ) 和内部 连线( i n t e r c o n n e c t ) 三个部分。其主要特点为： 。 ( 1 ) 采用f p g a 设计a s i c 电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 ( 2 ) f p g a 可做其它全定制或半定制a s i c 电路的中试样片。 ( 3 ) f p g a 内部有丰富的触发器和i o 引脚。 ( 4 ) f p g a 是a s i c 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 ( 5 ) f p g a 采用高速c h m o s 工艺，功耗低，可以与c m o s 、t t l 电平兼容。 f p g a 是由存放在片内r a m 中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需 要对片内的r a m 进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。 加电时，f p g a 芯片将e p r o m 中数据读入片内编程r a m 中，配置完成后， f p g a 进入工作状态。掉电后，f p g a 恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，f p g a 能够反复使用。f p g a 的编程无须专用的f p g a 编程器，只须用通用的e p r o m 、 p r o m 编程器即可。当需要修改f p g a 功能时，只需换一片e p r o m 即可。这样， 同一片f p g a ，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，f p g a 的使用 非常灵活。 2 器件选型 c y c l o n ee p l c l 2 q 2 4 0 c 8 是a l t e r a 公司面向初级用户提供的f p g a 解决方案， 它以较便宜的价格提供了更佳的性能。该芯片采用2 4 0 p i n p q f p 封装，其主要特性 如下 2 0 1 ： 1 4 面向三维打印的压电喷头的驱动与控制 ( 1 ) 提供1 2 0 6 0 个逻辑门，以及2 3 9 6 1 6b i t ( 2 9 9 5 2b y t e ) 内存单元 ( 2 ) 提供1 7 3 个用户使用通用f o ( 3 ) 支持通过低功耗串行设备进行芯片配置 ( 4 ) 支持l v t t l 、l v c m o s 、s s t l 2 和s s t l 一3 f o 标准 ( 5 ) 支持6 6 m h z ，3 2b i t p c i 标准 ( 6 ) 支持低速( 3 1 1 m b p s ) l v d su o 标准 ( 7 ) 拥有2 个孔l 提供时钟倍频和降频 ( 8 ) 支持外部存储，包括d d rs d r a m ( 1 3 3 m h z ) ，f c r a m 和单数据率( s d r ) s d r a m ( 9 ) 支持多个i p 核 配置芯片采用e p c s 4 ，配置方式采用a s ( 主动配置) 方式；f p g a 的外围电 路设计均参照a l t e r a 公司提供的典型电路。 图2 1 2f p g a 及其外围电路 图2 1 3 a s 配置电路 第二章喷头驱动控制方法的研究1 5 2 4 2 喷墨打印头驱动控制的f p g a 实现 1 原理框图 使用f p g a 0 9 2 0 】实现对于喷墨头的驱动控制，主要分为三个部分：一个就是产 生控制信号，包括驱动打印脉冲、电压选择，移位时钟等，并且要严格按照一定的 时序要求，否则可能烧掉喷墨头；另一个就是提供数据信号。第三个就是要产生相 应的驱动波形时电压芯片所需要的数据信号。这三个信号缺一不可，否则喷墨头无 法工作。 图2 1 4 喷墨头驱动原理框图 2 喷墨头的驱动时序分析 该型压电喷墨打印头可工作在以下5 种模式，分别是经济模式、文本模式，文 本和照片模式、照片模式、优质照片模式。各个模式下打印头的驱动控制信号是不 同的，我们可以通过使能相应的打印模式有效，完成打印。最终使用v h d l 1 9 】语 言在q u a r t u s i i 中形成的喷头电路的控制原理图为下图2 1 5 所示： 图2 1 5q u a r t u s i i 中形成的顶层驱动原理图 1 6 面向三维打印的压电喷头的驱动与控制 为t 分析方便，f 面选择喷头工作模式中的文本模式进干详细分析，分析出的 文本模式的工作时序为图2 1 6 所示： ! 塑步醚厂厂厂 厂 图2 1 6 分析出的文本模式下的驱动时序 文本模式下在o u a t t u s l i 中形成的顶层原理驱动框图为下图2 1 7 所示 s y s c l k 、rc k l o a d c i k1 0 n s r e s e t g u a n g s h a n d a t a n 1 d a t ai n 2 l o c k t e r m p u b e d a t ao u t l d a t ao u t 2 c i ko u t 图2 1 7q u a r t u s l i 下文本模式下的原理框图 黑头9 0 个孔全部喷射，彩头不喷射，使用文本模式，在q u a r t u s l i 中的仿真结 果为下图： p 0 o l u n h 皿 p lk s + t p 2$ r s e l l t 睁3 e l k1 0 a = 口4c l k _ e l a t 口5 l o c k 口6( i t t t q t l 移t l t t l t 2 谚8t 叼 口gh l i i 5 t g - -1 珲1 哗i l s1 哗1 呷t i l ii ：l ： ；i ：厂 广 一i ：。i ： 一tt ： 一 uuuu ；i 1 ；l：n 1 1 ： 目： ：；l ；： 。l ；：；l ；：! ； ：； ! ：，；l ： ! i ：l ：j ! 图2 1 8 文本模式下的仿真时序 其中，仿真图中的g u a n g s h a n 为光栅信号，r e s e t 为复位信号，s y s c l k 为系统 时钟信号，c l k 一1 0 n s 为锁相环倍频后的信号，c l k o u t 为串行移位时钟信号，l o c k 为数据锁存信号，d a t a o u t l 为黑头数据，d a t a o u t 2 为彩头数据，p u l s e 为驱动打印 脉冲。 第二章喷头驱动控制方法的研究1 7 3 喷头驱动正确性验证 图2 1 9 是将“西电”字模数据存贮在f p g a 资源中的参数化宏功能模r o m 中， 在q u a r t u s l i 中使用文本模式驱动打印喷头喷射出的字样。 图2 1 9f p g a 驱动喷头喷射效果 2 5 喷头控制电路的硬件设计 喷头控制电路是由f p g a 与其外围电路及电源专用芯片组成，其整个系统框图 图2 2 0 喷头控制电路原理框图 下图2 2 l 是喷头控制电路的实物图： 面向三维打印的压电喷头的驱动与控制 图2 2 1 喷头控制板 硬件框图中的晶振选用2 5 m h z 的有源晶振；电源由两部分组成，其中5 v u s b 是由u s b 口供电，4 2 v 是由外部稳压电源供电；光栅信号是由外部打印小车引入 f p g a 内部做一个2 倍频处理；1 0 针j t a g 接口用于f p g a 程序的下载。喷头控制 电路中的f p g a 核电压是1 5 v ，i o 电压是3 3 v ，电平转换电路是用两个d c d c 转换芯片将5 v 电压转换成3 3 v ，1 5 v 用来向f p g a 供电；f p g a 用于产生波形数 据和打印头所需的数据、控制信号；电压转换芯片用于将f p g a 产生的波形数据转 换成驱动电压信号来驱动压电喷头中的压电片；导电带用于将f p g a 产生的数据和 控制信号传送到打印头。 2 6 本章小结 本章首先介绍了喷墨头的工作原理及分类，重点对压电式打印头的工作方式与 特性做了详细的说明，然后通过对小型打印机测试，分析了一种压电打印头的内部 逻辑结构，驱动方法及一些相关的性能参数，总结出驱动所需要的准确时序，从而 基于f p g a 设计了一种喷头的控制方法，并实验验证了喷嘴是怎样排列及每个喷嘴 是怎样控制的，通过喷射“西电字符验证了设计的正确性，最后给出了喷头控制 电路。这些分析结果为以后喷头的使用提供了原理上的支持，为三维细胞打印装置 的实现奠定了坚实的基础。 第三章自适应喷射驱动控制方法1 9 第三章自适应喷射驱动控制方法 第二章中讲述了f p g a 对压电喷头的驱动控制，本章节通过对压电喷头驱动原 理的分析，提出了一种使用微压电喷头控制细胞打印的驱动方法，用于实现高粘度 生物制剂的喷射并解决堵头现象。 3 1 细胞打印的背景知识 为实现人类器官的制备，生物组织工程领域开展了大量的研究，目前，其研究 主要集中在对组织自组装过程、细胞外基质的堆积及干细胞等方面。最新研究表明： 一些细胞( 如血管) 能在没有材料存在的条件下自动组装起来，为人工器官的制备提 供了可能。然而，已有的成果尚不能实现快速构建组织和器官，主要有以下两个方 面原因：其一，工程化的组织和器官在形态、生物化学、力学和功能上的分化将需 较长的时间来完成；其二，目前使用的基于三维多孔支架【2 1 】的方法难以将细胞或 细胞簇准确的定位于支架中。为此，提出了细胞打印f 2 2 】的方法。即将相应的细胞 或细胞基质直接堆积成形，同时通过计算机准确定位，从而在较短的时间内得到 相应的器官或功能单元体。s a u n d e r sr a c h e le ，g o u g hj u l i ee 等人的研究表明细胞打 印不但可行，而且是人工器官制备最有潜力的途径之一瞄】。 细胞打印作为代替传统的生物可降解的固体支架法的一项新技术【2 4 】，主要有 二种方式，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。 激光直写细胞打印技术研究已经取得了一些进展【2 5 1 2 6 2 7 】【2 8 1 。基板是由涂满金 属氧化层和细胞悬液的光学透明石英盘组成的。金属氧化层吸收激光能量后，会将 定量的细胞悬液蒸发并将其射到接收基板上。这种技术的优点在于无需喷头，因此 避免了喷口堵塞问题，便于打印出高粘度的生物制剂，然而，局部的加热会引起高 温和高喷射速度，一般在5 0 m s 到1 0 0 m s 之间。高温高