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1、分类号 论文选题类型 U D C 编号 本科毕业论文（设计）题 目 基于3D打印技术的分离芯片的制备及其性能测试 学 院 化学学院 专 业 化 学 年 级 2011 级 学生姓名 方 芳 学 号 2011210425 指导教师 熊 博 二一五年五月华中师范大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。学位论文作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文
2、的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密 ，在_年解密后适用本授权书。2、不保密 。（请在以上相应方框内打“”）学位论文作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日3目 录内容摘要1关 键 词1Abstract1Key words11绪论21.1分离技术概述21.2 3D打印技术概述21.3 Rhino软件概述51.4选题思路62实验部分62.1芯片的制备6
3、2.2性能检测103结语12参考文献14致谢15内容摘要：本文主要简单的介绍了分离技术，以及我们实验室现在使用的分离技术；还简单介绍了3D打印技术以及其具体流程（建模、分层、打印、后期处理）、优势（数字制造、降维制造、堆积制造、直接制造、快速制造）、类型属性以及应用；同时，还介绍了绘图所需要的Rhino软件、常用功能以及与后期生产的接轨。同时，文章还详细介绍了我们实验室自行制作的实验室3D分离芯片制备方法、3D分离芯片的五个发展阶段和第五阶段3D分离芯片性能测试的测试结果。关键词：分离；3D打印 Abstract：This paper mainly introduces the separat
4、ion technology, and separation technology used in our laboratory; also briefly introduces the 3D printing technology and the specific processes (modeling, hierarchical, printing, post-processing), advantage (digital manufacturing and manufacturing dimension reduction, accumulation manufacturing and
5、manufacturing, rapid manufacturing), attribute types and application; at the same time, it also introduces the drawing software, rhino, functions commonly used and post production standards. Meanwhile, this paper also introduces five stages of the development of the chip 3D separation chip, the prep
6、aration method of 3D separation chip and the fifth stage 3D separation test results for testing the performance of the chip in our laboratory to produce their own laboratory 3D separation.Key words：Separation;3D printing 1绪论1.1分离技术概述分离是利用混合物中各组分在物理性质和化学性质上的差异，通过适当的装置或者方法，是各组分分配至不同空间区域或者在不同的时间依次分配至同一
7、空间区域的过程。通俗地讲，就是将某种或某类物质从复杂的混合物中分离出来，使之与其他物质分开，达到一种相对纯的形式存在。色谱分离技术又称层析分离技术或色层分离技术，是一种分离复杂混合物中各个组分的有效方法。它是利用不同物质在由固定相和流动相构成的体系中具有不同的分配系数，当两相作相对运动时，这些物质随流动相一起运动，并在两相间进行反复多次的分配，从而使各物质达到分离。实验室目前液相色谱使用的是填装有硅胶用以分离的色谱柱，其由柱管、压帽、卡套（密封环）、筛板（滤片）、接头、螺丝等组成。之前，我们制作微流控芯片以代替硅胶色谱柱。微流控芯片分析以毛细管电泳为核心技术，以芯片为操作平台，是当前微全分析系
8、统领域发展的重点，是毛细管电泳和毛细管色谱的一个重要发展趋势是进一步微型化和集成化。它的目标是把整个化验室的功能包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成在微芯片上，试剂消耗量少、效率高、微型化，还可以重复使用1。1.2 3D打印技术的概述3D打印技术，学术上又称“添加制造”技术，也称增材制造或增量制造2。三维打印是美国麻省理工学院在20世纪90年代发明的一种快速成型技术。创意提出伊始，就树立了可以制作任何构造、任何材料和任何几何形状实物的愿景3。1.2.1 3D打印具体成形过程根据三维CAD模型，经过格式转换后，对零件进行分层切片，得到各层截面的二维轮廓形状。按照这些轮廓形状，用喷射源选
9、择性地喷射一层层的粘结剂或热熔性材料，或用激光束选择性地固化一层层的液态光敏树脂，或烧结一层层的粉末材料，形成每一层截面二维的平面轮廓形状，然后再一层层叠加成三维立体零件。具体流程：建模、分层、打印、后期处理。图1-1 3D打印流程图 1、三维建模：通过专业扫描仪或是DIY扫描设备获取对象的三维数据并以数字化方式生成三维模型。也可以使用三维建模软件从零开始，建立三维数字化模型，或者直接使用其他做好的3D模型。2、分层切割：由于描述方式的不同，3D打印机并不能直接操作3D模型。所以，当3D模型输入电脑中以后，还需要通过打印机配备的专门的软件来进行进一步的处理，即将模型分成一片片的薄片，每个薄片的
10、厚度由喷涂材料的属性和打印机规格决定。3、打印喷涂：打印机将打印耗材逐层喷涂或者熔结到三维空间中，根据工作原理的不同，有很多的实现方式。比较常见的做法是先喷上一层胶水，然后再上边撒上一层粉末，如此反复；或者是通过高能激光融化合金材料，一层层熔结成模型。整个打印过程根据模型大小，复杂程度，打印材质和工艺精度耗时长段不一。4、后期处理：大多数模型打印完成之后一般都会有毛刺或者是粗糙的截面，这时就需要对模型进行后期加工，比如说固化处理、剥离、修整、抛光、上色等才能最终完成所需要的模型4。1.2.2 3D打印的优势1、数字制造：可以借助CAD等软件将产品进行结构数字化从而驱动机器加工制造所需器件；数字
11、化文件还可以借助网络进行信息传递，从而实现异地分散化制造的生产模式。2、降维制造：把三维结构的物体先降成二维层状结构，之后再逐层累加成三维物品。这样在原理上，3D打印技术是可以制造出任何复杂的结构，而且制造过程更加柔性化5。3、堆积制造：“自下而上”的堆积方式对于实现非匀致材料、功能梯度的器件更加有优势。4、直接制造：任何高性能难以成型的部件都可以不需要通过组装拼接等复杂的过程来实现，而是通过“打印”方式就能一次性制造出来。5、快速制造：3D打印制造工艺流程短，全自动，可以实现现场制造，与传统制造方式相比，更加快速、高效6。1.2.3 3D打印所需材料和工艺3D打印按材料可以分为块体材料、液态
12、材料、粉末材料。按照美国材料与实验协会3D打印技术委员会的标准，目前有七类3D打印工艺。表1-1 3D打印技术的类型和属性其中，熔融沉积打印采用热熔喷头，使塑性纤维材料经融化后从喷头内挤压而出，并沉积在指定位置后固化成型。这种工艺价格低廉，体积小，生成操作难度相对较小，但是成型器件的表面会有比较明显的条纹，产品层间的结合强度低，而且打印速度比较慢7。1.2.4 3D打印的应用领域3D打印的应用对象可以是任何行业，目前3D打印技术已经在工业设计、文化艺术、机械制造、航空、军事、建筑、医学、首饰等领域都得到了应用。主要体现在：1、设计方案评审。借助3D打印的实体模型，我们可以对产品实现方案、外观、
13、人机功效等进行实物评价。2、制造工艺与装配检验。3D打印可以精确制造出产品零件中的任何结构细节，借助3D打印的实体模型结合设计文件，可以有效指导零件设计工艺，或者对产品进行装配检验，避免结构和工艺设计错误。3、功能样件制造与性能测试。3D打印制造的实体模型本身具有一定的结构和功能，用3D打印可以快速进行功能样件制造，对其进行性能测试。4、快速模具小批量制造。以3D打印制造的原型作为模板，制作快速模具，可以便捷实现小批量制造。5、建筑总体与装修展示评价。利用3D打印技术可以实现模型真彩及纹理打印的特点，快速制造出建筑的设计模型，进行建筑总体布局、结构方案的展示和评价8。6、科学计算数据实体可视化
14、：计算机辅助工程、地理地形信息等科学计算数据可以通过3D彩色打印，实现几何节奏与数据分析的实体可视化。7、医学与医疗工程：通过CT数据的三维重建技术，可以利用3D打印技术制造器官等实体模型，可以指导手术方案设计、也可以打印制作组织工程和定向药物输送骨架等。8、电子器件的设计与制作：利用3D打印可以在玻璃、柔性透明树脂等基板上，设计制作电子器件和光学器件9。1.3 Rhino软件概述Rhino是由美国Robert Mc Neel公司在1998年推出的一款基于NURBS为主的三维建模软件。它是最先进的专业NURBS建模软件之一，拥有简洁的操作界面、强大的功能和较低的硬件配置要求。用其建模比较流畅，
15、从设计稿、手绘到实际产品，或者只是一个简单的构思，Rhino所提供的曲面工具完全可以精确的制作出来所需模型。1.3.1 Rhino在产品造型设计中常用的功能1、Rhino在曲面造型功能方面非常强大，产品外观都是以面的形式呈现，准确快速的建立曲面是关键，犀牛具有单轨扫掠、双轨扫掠、网络建面、放样等十多种命令生成或编辑曲面。2、修剪命令如刀一般分割曲面，去除不需要的造型曲面。切割命令可以将整体造型分割为任意部分而保留外观曲面，便于对分割的部分进行编辑。3、为了在已完成的造型部分去除掉某一实体形状的部分，或者将两个实体部分合并为一体，可以直接运用布尔运算命令，如此操作完成后得到的也是实体。4、曲率分
16、析、斑马纹、环境反射贴图工具可以很好地观察所生成曲面的连续性，便于进步一调整，同时可以更加直观的分析生成造型的曲面品质。5、阵列工具可以得到重复并且按照距离、角度排放的形状，能够大大降低繁琐的建模工作，提高建模速度，得到精确的造型。6、隐藏工具可以在所建模型复杂，部分形体妨碍建模视线时，将已完成的部分隐藏，对剩余部分进行操作，当需要显示时再取消隐藏，如此可以避免许多不当的错误。7、当造型建模到某一阶段，可以根据想要得到的预览效果选择不同的显示模式，常用的有线框模式、着色模式、渲染模式、半透明模式、X光模式、工程图模式、艺术风格模式10。1.3.2与其他软件的完美兼容性犀牛软件支持30余种输入与
17、输出档案格式，从常见的RURBS格式的标准IGES曲面档案、STEP实体档案，ACIS档案、PARASOLID档案、OBJ档案、到POLYGON格式的3DS、LWO、STL档案、AutoCAD标准的DWG与DXF文档，以及点云资料、2D绘图AL档案等。其中IGES是工业标准格式，应用非常广泛，使用者可以选择所需要输出的档案格式的类型11。1.3.3与后期生产的接轨Rhino在产品造型设计中的另外一个强大功能在于能够与后期生产制造接轨，而不仅仅是提供快速的产品外观建模。比如Rhino导出的模型格式经过编辑后可以直接通过日趋成熟的3D打印技术进行打印，从而检验产品造型的合理性。1.4选题思路实验室
18、目前用来代替色谱柱的是微流控分离芯片，它虽然试剂消耗量少、效率高、微型化，还可以重复使用。但是它也有其弱点，在其制作过程中，制作过程比较复杂，耗时久；而且采用湿法填硅胶法，其紧密度不如干法填硅胶好；成品不耐高压，且重复使用多次之后会出现漏液。现如今，3D打印技术可以通过建模直接打印出来一定尺寸的不同结构的东西，我们实验室3D打印机精度可以达到微米级，可打出微米级尺寸的分离芯片。于是，我们尝试使用3D打印，在打印过程中使用干法填充硅胶，以制造出可以抗高压、硅胶填充均匀紧致且能够重复使用的分离芯片。2实验部分2.1芯片的制作2.1.1所需材料、仪器3D打印机（品牌：PRINTRITE/天威，型号:
19、桌面3D打印机升级版）PLA（品牌：PRINTRITE/天威）Rhino软件硅胶：2-3.5 m注射器2.1.2芯片制作过程1、构思分离芯片的结构图。2、利用犀牛软件画出分离芯片的三维结构图。犀牛软件最初画出的图为3dm格式，需保存为stl格式。3、生成相关档案。利用Print-Rite Repetier-Host软件将stl格式的文件转化为gco格式。4、打印模型，在打至通道时填硅胶。连接电源，将SD卡插入打印机侧方的SD卡插槽中，再开机。按下旋钮进入主功能菜单，选择“Prepare”校平工作平台，校准之后，选择“Next Step”，调整玻璃板使其水平。之后选择“Control”将喷嘴温度
20、调至205摄氏度，将平台温度调至70摄氏度，观察喷头处是否有均匀的PLA喷出，由此判断PLA材料是否安装到位。待玻璃板调整至水平位置，PLA正常挤出时，选择需要打印的模型，3D打印机开始打印。5、后期处理，将其抛光。鉴于3D打印的成品表面并非特别光滑，我们采用了极其细腻的砂纸对其进行打磨抛光。6、试漏。将注入二次水的注射器连接线管，将线管插入芯片入口，看液体能否流经通道，从出口出。2.1.3实验室3D分离芯片发展历程第一阶段：实验室在最初构思3D分离芯片后，使用Rhino软件设计了一个最简单的3D分离芯片，其基本结构为一个长方体内留有一个长为10 mm，宽为2.5 mm，两边加有边长为2.5
21、mm的等边三角形，深度为200 m的通道，通道两端分别留有直径为2 mm，深度为5 mm的入口与出口。在芯片设计结束之后，我们将其生成chip模式后，用白色的PLA将其打印出来，在打至通道时，用装有2-3.5 m硅胶的注射器在通道填硅胶，在经历2小时46分钟之后，芯片打印完成。图2-1 分离芯片通道平面图问题发现：白色的PLA材料与硅胶颜色相近，在填硅胶过程中不易判断是否将硅胶填充进去且均匀。问题解决：改换非白色的PLA材料打印分离芯片。试漏：用筛板将分离芯片夹好，使芯片出口对准筛板孔道，然后将线管插入入口，将注射器吸入二次水之后，与插入入口的线管相接，进行试漏。试漏结果：液体并未流经通道从出
22、口流出，而是从入口处便直接流出。原因分析：所设计的入口比所用线管大。问题解决：使用502胶水，将胶水沿入口与线管的接口涂一圈，晾干。并再次试漏。试漏结果：液体未能流经通道从出口出来，而是从整个3D分离芯片的侧边缝隙中漏出。原因分析：3D分离芯片不够精细。问题解决：咨询3D打印机工程师，知道设计图生成模式不同，所得器件的精度不同。第二阶段：随后，我们用与第一代分离芯片相同的设计图，生成best模式，使用紫色的PLA对其进行打印，在通道处填硅胶，历经8小时52分钟，得到了一个比较细致的3D分离芯片。试漏：因入口与线管的大小依旧不匹配，采用502粘合之后，阻力太大，液体无法推进去。原因分析：502胶
23、可能渗入分离芯片入口将入口堵死。第三阶段：由于3D分离芯片材质不透明，在用筛板夹芯片的时候，将出口与筛板的孔道对准比较困难，我们便在芯片入口和出口处分别设计一个底座，这样可以将筛板孔道的基座卡在分离芯片的底座之上，这样以后用筛板夹分离芯片比较方便很多。同时，通过夹紧筛板，减少其漏夜。试漏结果：液体在接头处漏液。改进：直接将线管插入入口，在出口处将线管插入过滤膜，之后直接插入出口处，由于此次设计的出入口比我们所用线管要小，管线无法插进去，我们便用锉刀将线管锉细后再将线管插入，再用502胶封口。试漏结果：液体从入口流经通道从出口流出。性能检测：将所制3D分离芯片接于高效液相色谱柱，以0.03 mL
24、/min流速的10% A（水）和90% B（乙腈）流经芯片，发现十分钟左右进出口有漏液现象。问题发现：芯片的出入口始终与所用线管的大小不符合。问题解决：设计一系列有不同尺寸大小孔的器件，将所用线管逐个试插，探索出最为合适的出入口大小为直径1.83 mm。第四阶段：观测到我们平时所用实验仪器的接头在连接线管之后，有非常良好的密封性，便尝试在芯片的出入口添加螺纹的造型，同时设计互补的螺母，将线管插入螺纹接头中，旋入螺母。问题发现：3D打印出的螺纹锥面略糙，无法旋紧。问题解决：使用细砂纸将螺纹锥面抛光。试漏结果：液体在螺帽侧边便已发生侧漏，在将螺纹接头进一步旋紧的时候，还出现了螺帽破裂。原因分析：所
25、设计的螺帽部分过于单薄。第五阶段：在第四阶段3D分离芯片的基础上，将所设计的螺帽壁加厚，解决了液体侧漏的问题。同时，用内径为0.13 mm的peek管代替我们平时所用的普通线管。最终，我们所设计的3D分离芯片是一个长32 mm,宽14 mm,高9 mm,在第39层和第四十层留有长10 mm,宽2.5 mm,宽两边有边长为2.5 mm等边三角形，高200 m的通道，通道两边有直径1.83 mm的出入口，出入口上方分别有直径为8 mm,高为11 mm,壁厚为4.73 mm的螺帽。同时配有两个螺母。其底下是边长为6 mm,高为7 mm的六棱柱，上有六圈螺纹，总长为11 mm，螺纹上方有7 mm高的圆
26、锥体，在椎体中留有直径为1.83 mm的孔径，在螺纹中留有2.8mm的孔径。通体直径为8 mm。 图2-2 3D分离芯片 图2-3 螺母 图2-4 3D分离芯片俯视图2.2性能检测2.2.1所需仪器、试剂：仪器：高效液相色谱（Agilent 110 Series）试剂：流动相：10% A（水）和90% B（乙腈）、罗丹明B2.2.2检测第一片：将第五阶段的分离芯片接于高效液相色谱，对其做压力测试。首先使流动相以0.03 mL/min的速度流经芯片，发现半小时左右有流动相从芯片侧方漏出，进出口无漏液现象。所以，0.03 mL/min的流速对于此芯片来说，压力过高。第二片：重新制作第五阶段的分离芯
27、片，尝试以更低的流速流经第五代分离芯片。使流动相以0.02 mL/min的流速流经分离芯片，色谱信号基线在50 min左右稳定。分别对浓度为2 ppm、4 ppm、6 ppm的罗丹明B做分离检测，每次进样后跑7 min。该分离芯片最终在110 min左右漏液。检测条件如下：流动相比例为10% A（水）和90% B（乙腈），流速为0.2 mL/min,进样体积为5 L,检测结果如表格所示：u（mL/min）V（L）c(ppm)tR1(min)A1tR2(min)A2A总0.02521.091141.291212.1844547.060064688.351270.02541.18839.85691
28、2.3605030.717295070.57420.02561.60369.864662.7146350.128426419.99308表2-1 第二片分离芯片检测结果 结果表明：该分离芯片对罗丹明B有一定的分离作用。流速一定，浓度不同，出峰时间不同，该分离芯片性能不稳定。但是从峰面积来看，浓度越高，峰面积越大。其分离性能还有一定可信度。第三片：就其前两片流动相从芯片通道侧方漏夜的现象来看，芯片通道的硅胶填充具有一定的问题，导致打印通道时，留下明显的痕迹，以致液体侧漏。对此，我们对填充硅胶方法进行改进。我们使用针头在硬质纸片上戳出密集均匀的孔，使其类似于筛子。填充硅胶时，将其置于通道正上方后将
29、硅胶均匀撒下，使硅胶可以均匀的填充于通道内，再用湿棉签将落于芯片通道外的硅胶擦拭，随后用干棉签将湿棉签残留的水分吸干。将改进后的分离芯片对其做性能测试。使流动相以0.01 mL/min的流速流经分离芯片，色谱信号基线在50 min左右稳定。分别对浓度为2 ppm、4 ppm、6 ppm、8 ppm、10 ppm的罗丹明B做3次分离检测，每次进样后跑7min。检测条件如下：流动相比例为10% A（水）和90% B（乙腈），流速为0.2 mL/min,进样体积为5 L,检测结果如表格所示：c(ppm)(min)RSD(%)22.82913140.330.6481%42.84314570.331.3
30、925%62.84515483.670.2985%82.850162441.3954%102.867175142.8777%表2-2 第三片分离芯片检测结果再以峰面积与浓度作图，分别以浓度为横坐标，峰面积为纵坐标，得到如下线性曲线：图2-5 A-c图 最后，芯片在400min左右漏夜。结果表明，在硅胶填充方法改进之后，芯片性能比之前要稳定，而且有较好的分离效果。3结语随着3D打印技术的发展，3D制造将成为一种重要的生产模式。3D分离芯片可以使用干法填充硅胶，耐高压且可以重复使用，在研究成熟之后可以通过直接打印的方式进行生产，简单易行且价格低廉，可以尝试取代价格昂贵的色谱柱。目前，我们已经研究出
31、初步的3D分离芯片，其性能检测表明其有一定可信度。但此技术还不够成熟，所制3D分离芯片的漏夜问题还未解决，其硅胶填充技术有待改进，这还需要我们在以后的工作中继续探索。参考文献：1王新珏,祝莹,方群.基于微流控芯片的色谱技术的研究进展及其应用J.色谱,2011,02:99104.2李小丽,马剑雄,李萍,陈琪,周伟民. 3D打印技术及应用趋势J.自动化仪表,2014,01:15.3张曙,金天拾,黄仲明.三维打印的现状与发展前景J.机械设计与制造工程,2013,02:15.4卢秉恒,李涤尘.增材制造(3D打印)技术发展J.机械制造与自动化,2013,04:14.5Yang S F,J Lian R.
32、A dry powder jet printer for dispensing and combinatorial researchJ.Powder Technology,2004(142):219222.6王雪莹.3D打印技术与产业的发展及前景分析J.中国高新技术企业,2012,26:35.7张楠,李飞.3D打印技术的发展与应用对未来产品设计的影响J.机械设计,2013,07:9799.8李青,王青.3D打印:一种新兴的学习技术J.远程教育杂志,2013,04:2935.9Berman B.3D Printing:The new industrial revolution J.Busines
33、s Horizons,2012,55:155162.10赵卫国,王清华,马旭光.犀牛软件在产品设计中的应用(英文)J.内蒙古工业大学学报(自然科学版),2003,02:149152.11葛亮,张希. Rhino(犀牛)软件在产品造型设计中的运用J.中国包装工业,2014,18:4243.致谢大学四年的时间，在我们漫长的人生旅途中是那么的短暂，但是，这短短的四年是最真诚的青春，是最纯真的岁月。随着离校日期的日趋渐进，毕业论文的完成也随之进入了尾声。感谢华师，四年来为我们提供了如此良好的学习环境；感谢学校的老师，在四年来对对我们悉心教导；感谢暴雅静师姐，一直耐心的指导我进行实验、书写论文；感谢同学，在四年来，伴我一起成长；感谢母亲，长期以来对我的包容与支持；感谢自己，为自己长期以来所付出的努力。四年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始，相信经历了华师四年的洗礼之后我将会以更加自信、更加优秀的姿态走向未来。15