基于FLUENT3D生物打印喷头内部流场的数值模拟分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0018

中国组织工程研究 ›› 2018, Vol. 22 ›› Issue (2): 274-280.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.0018

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基于FLUENT3D生物打印喷头内部流场的数值模拟分析

刘东方^1，2，周骥平¹，史宏灿³，许晓东²，姜亚妮²，张琦¹

¹扬州大学机械工程学院，江苏省扬州市 225127；²扬州大学动物科学与技术学院，江苏省扬州市 225009；³扬州大学医学院，江苏省扬州市 225001

收稿日期:2017-12-05 出版日期:2018-01-18 发布日期:2018-01-18
通讯作者: 周骥平，教授，博士生导师，扬州大学机械工程学院，江苏省扬州市 225127
作者简介:周骥平，教授，博士生导师，扬州大学机械工程学院，江苏省扬州市 225127
基金资助:
国家自然科学基金项目(81770018)

Numerical simulation analysis of the internal flow field of a 3D biological printhead based on FLUENT

Liu Dong-fang^{1, 2}, Zhou Ji-ping¹, Shi Hong-can³, Xu Xiao-dong², Jiang Ya-ni², Zhang Qi¹

¹College of Mechanical Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, Jiangsu Province, China; ²College of Animal Science and Technology, Yangzhou University, Yangzhou 225009, Jiangsu Province, China; ³Medical College of Yangzhou University, Yangzhou 225001, Jiangsu Province, China

Received:2017-12-05 Online:2018-01-18 Published:2018-01-18
Contact: Zhou Ji-ping, Professor, Doctoral supervisor, College of Mechanical Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, Jiangsu Province, China
About author:Liu Dong-fang, Studying for master’s degree, College of Mechanical Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, Jiangsu Province, China; College of Animal Science and Technology, Yangzhou University, Yangzhou 225009, Jiangsu Province, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81770018

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

流场：研究材料在挤出过程中的速度随压强和材料黏度的不同而发生的变化。

模拟：其主要是利用Fluent软件对于在不同的压强和黏度条件下，对于3D打印材料流动过程中的速度变化的数值模拟。

背景：随着3D打印技术的发展，人工构建组织和器官的一种方法是通过构建有利于细胞生长的三维支架来进行器官和组织的培养。

目的：为解决支架在进行3D打印过程中的过堆积问题。

方法：利用美国ANSYS公司开发的有限元分析软件Fluent，对打印喷头的挤出过程进行分析，得到适合纤维素凝胶复合物3D打印的材料黏度和挤出压强，进行实验并运用对比观察的方法。

结果和结论：模拟结果和实验结果的误差小于5%。模拟数值在动力黏度为45和压强为0.10-0.12 MPa，解决了纤维素凝胶类复合材料在进行3D打印过程中的过堆积现象得到了解决，保证了3D生物打印支架有良好的空隙。

ORCID: 0000-0002-0439-8912(周骥平)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

关键词: Fluent, 3D生物打印, 流体模拟, 挤压喷头, 过堆积, 数值模拟, 有限元分析, 支架, 生物材料

Abstract:

BACKGROUND: With the development of 3D printing technology, organ and tissue construction can be achieved by constructing a three-dimensional scaffold that is conducive to cell growth.

OBJECTIVE: To solve the scaffold over-accumulation during 3D printing.

METHODS: Fluent, a finite element analysis software developed by ANSYS Company in the United States, was used to analyze the extrusion process of print heads and to obtain suitable viscosity and extrusion pressure of materials for the 3D printing of cellulose gel composites. We then compared simulation results with experimental results.

RESULTS AND CONCLUSION: The error between simulation results and experimental results was less than 5%. The simulated values at a kinetic viscosity of 45 and a pressure of 0.10-0.12 MPa solved the phenomenon of over-accumulation of cellulose gel composites during the 3D printing process, ensuring enough space for the 3D printed scaffold.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

Key words: Stents, Gels, Viscosity, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

刘东方，周骥平，史宏灿，许晓东，姜亚妮，张琦. 基于FLUENT3D生物打印喷头内部流场的数值模拟分析[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(2): 274-280.

Liu Dong-fang, Zhou Ji-ping, Shi Hong-can, Xu Xiao-dong, Jiang Ya-ni, Zhang Qi.

Numerical simulation analysis of the internal flow field of a 3D biological printhead based on FLUENT

[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(2): 274-280.

图/表（结果） 14

当动力黏度为5 Pa•s时，速度梯度变化如图5所示，速度在对称轴方向上越接近出口的时候速度越大，这是因为流体在97.68 mm之后套筒的横截面积减小所致，其中出口速度如表1所示，由表可知，在0.08，0.10，0.12 MPa的时候，相邻压强出口速度差值约为0.02 m/s，可以近似看作线性变化，在0.12-0.14 MPa的时候，速度和压强呈正相关关系，出口速度小值为0.07 m/s。

当动力黏度为15 Pa•s时，其速度梯度变化如图6所示，速度在沿对称轴方向变化情况同上所述，其中出口速度变化如表2所示，但是其中相邻压强的出口速度差值约为 0.006 m/s，故在此种情况下，速度和压强之间的关系可以看作线性的，出口速度最大值为0.043 m/s，最小值为 0.024 m/s，故出口速度相比动力黏度为5的时候变小了。

当动力黏度为25 Pa.s时，其速度梯度变化如图7所示，速度在沿对称轴方向变化情况同上所述，其中出口速度变化如表3所示，其中出口速度和压强虽然也是也是呈正相关关系，但是相邻压强之间的速度差值为0.003 5 m/s，速度和压强之间的关系可以看作是线性的，其中出口速度最大值为0.025 m/s，出口速度最小值为0.014 5 m/s，故出口速度相比动力黏度为15的时候变小了。

当动力黏度为35 Pa•s时，其速度梯度变化如图8所示，速度在沿对称轴方向变化情况同上所述，其中出口速度变化如表4所示，出口速度和压强呈正相关关系，出口速度在相邻压强之间的差值变化为0.002 5-0.003 2 m/s，出口处的速度最大值为0.018 m/s，最小值为0.010 5 m/s，相比动力黏度为25的时候，出口速度在同等压强下减小了。

当动力黏度为45 Pa•s时，其速度梯度变化如图9所示，速度在沿对称轴方向变化情况同上所述，其中出口速度变化如表5所示，在此时相邻的压强间的出口速度差值在0.001 1-0.001 9 m/s之间，虽然压强和速度也是呈正相关，但是在0.10-0.12 MPa之间，出口速度差值为0.001 1 m/s，相比表5其他相邻压强之间的出口速度差值较小，说明出口速度在这个区间之间随压强的增大，变化较为平缓。

当动力黏度为55 Pa•s时，其速度梯度变化如图10所示，速度在沿对称轴方向变化情况同上所述，其中出口速度变化如表6所示，与表1-4数据相比，表6数值较小，其相邻压强的出口速度差值约为0.001 7-0.004 0之间，与表1-4数据相比，表6数据变化范围较大，又出口速度最大值为0.013 8 m/s，最小值为0.006 5，故出口速度受压强变化影响较大。

由于喷头内部材料的流出速度还与喷头的行走速度有关，则设定时间t内从喷头内挤出的水凝胶纤维素复合材料为V_喷头，则

其中，d₁为图2所示喷头出口处直径，υ₁为喷头出口速度，d₂为图10所示所打印支架每条丝的直径，υ₂为喷头移动速度。忽略支架凝固时的密度变化，则υ₁≈υ₂，又由于在实际操作中，打印速度保持在0.01 m/s的时候，打印不容易断丝^[15-18]，故当动力黏度为5，15，25 Pa•s的时候，由于其出口速度过快会导致打印过程中出现过堆积的现象^[19-23]，如图1所示。又气体在注入喷头的时候，会产生一定的压缩现象^[24-25]，使实际压强大于显示的压强^[26-27]，故选择出口速度受压强影响变化较为缓慢的情况^[28-29]，当动力黏度为35和55 Pa•s的时候速度随压强的变化不呈平缓状态，则不合适舍去^[30-33]，动力黏度为45 Pa•s的时候，在压强为0.10-0.12 MPa的时候，出口速度随压强变化较为平缓，则其是作为针对纤维素凝胶类复合材料进行3D打印避免过堆积现象的最佳打印参数^[34-35]。

模拟验证结果显示，由式(1)和(2)，作出实验结果和数值模拟结果对照表，如表7所示，模拟值和实验值之间的误差小于5%，说明了数值模拟的正确性^[36-37]。图11所示的由纤维素凝胶类复合材料打印四边形，圆形，三角形支架，其具有良好的孔隙，不存在过堆积现象，找到了纤维素凝胶类复合材料进行3D生物打印避免过堆积现象的参考数值。

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引言

随着科学技术的发展，用人工制造的组织和器官来取代病变的组织和器官，从而改进患者的健康状况和增长寿命成为可能，其主要实现方式是构造一个生物支架来保证细胞或者组织的生长^[1]。这类生物支架主要采用水凝胶类的生物材料应用3D打印技术来进行制备。按照成型原理的不同，可以分为喷墨打印技术、基于激光的快速制造技术以及基于喷嘴的快速制造技术^[2]。Harris等^[3]以多肽的自组装制备了水凝胶支架，支架具有纳米尺度的分辨率，这种支架具有良好的生物相容性并且可以生物降解，其还可以刺激组织和血管的生长。Boland等^[4]使用喷墨打印技术来打印3D水凝胶结构，其通过将CaCl₂(交联剂)打印在藻酸盐溶液上，从而使藻酸盐溶液交联形成水凝胶，通过层层打印，从而形成3D水凝胶结构。Gauvin等^[5]利用基于激光的技术来制备聚甲基丙烯酸甲酯水凝胶支架。Khalil等^[6]设计了一种具有4种不同类型的喷嘴，通过同时控制不同的气动阀门来实现非均匀沉积，并且能够打印出包含细胞和水凝胶的复合支架结构。

但在现有的研究中面对纤维素凝胶类复合材料的时候，还没有提出很好的解决3D打印过程中过堆积现象的方法，并且在实践中也出现了过堆积现象(过堆积指的是在打印过程中出现的材料过度堆积，看不到支架的孔径结构，如图1所示)。为了处理纤维素凝胶类复合材料3D打印过程中出现的过堆积现象，实验基于目前使用较多由杭州捷诺飞生物科技有限公司生产的Bio-Architect型3D生物打印机利用Fluent软件可以比较便捷的获得流场内部速度的可视化结果优势，通过建立数字化模型，在Windows环境中对3D生物打印喷头的挤出过程进行模拟仿真，拟获得适合纤维素凝胶复合物3D打印的材料黏度和挤出压强，从而避免过堆积现象的发生，这将对3D打印纤维素凝胶类复合材料支架的成型具有重要意义。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

材料方法

1.1 设计三维模型模拟研究。

1.2 时间及地点实验于2017年9月在扬州大学文汇路校区草业机械装备及自动化实验室。

1.3 材料选用的材料为在扬州大学草业机械装备及自动化实验室配置的10%浓度凝胶和0.5%纤维素的混合物^[7-8]。

1.4 方法

1.4.1 3D生物打印喷头的计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)模型的建立

模型的参数化和网格的划分：由于其装材料的套筒是旋转轴对称结构(图2)，故建立平面参数化模型(图3)。材料通过左侧入口进入到料筒中，入口处和气源连接，在气体的压力下，材料通过出口即喷嘴挤出。该喷头的结构能够让材料均匀的挤出，下部的锥形结构使出丝比较顺利，同时由于其是气密性结构，从而使工作状态方便控制。

将图3所示的参数化模型在美国ANSYS公司开发的Gambit中进行网格的划分和边界的定义，其网格划分如图4所示，在图4中下侧边界为对称轴(AXIS)，左侧为压力进口(PRESSURE-INLET)，右侧为压力出口(PRESSURE- OUTLET)，上侧为壁面(WALL)。边界条件的设定：针对水凝胶/纤维素复合物在喷头内的流动情况，首先进行雷诺数的计算，判断其是否为湍流，当流体为6%浓度凝胶和0.5%的纤维素混合物时，其密度为1.28 kg/L，流速为0- 0.25 m/s^[9-10]，又其动力黏度会随温度发生变化，故分别模拟动力黏度为5，15，25，35，45，55 Pa•s的时候的情况。将上述数据带入雷诺数计算公式：，其中ρ为流体密度，μ为动力黏度，υ为流场的特征速度，L为特征长度，带入数值计算后，R_e< 2 000，故流体在喷头内部套筒中流动为层流，因此在Fluent6.2.3(美国ANSYS公司)中采用Laminar模型^[11]。

1.4.2 Fluent仿真与分析当流体为10%浓度凝胶和0.5%的纤维素的混合物时，其密度为1.28 kg/L，当压强分别为时，分别模拟动力黏度为5，15，25，35，45，55 Pa•s的时候流场内部的速度梯度状况。把图4所示的网格图导入到Fluent6.3.26中，网格读入后，进行网格检查、材料定义以及边界数据定义等操作后，进行Iterate运算，当界面显示solution is converged的时候，即达到收敛^[12-14]。

1.4.3 模拟结果的验证以含有0.5%浓度的纤维素和10%浓度的凝胶的复合材料，经捷诺飞生物科技有限公司生产的Bio-Architect 3D生物打印机打印，打印速度为 10 mm/s，压强为0.1 MPa，喷头温度20 ℃(此时黏度约为43)，接收平台温度为2.5 ℃，间隙为0.2 mm。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

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