《Nature》子刊：提速10000倍,！超高速噴射3D打印：高精度,、快速打印100nm結(jié)構(gòu)

來源：高分子科學(xué)前沿

增材制造技術(shù),，即3D打印技術(shù)，能夠加工傳統(tǒng)成型方式難以實現(xiàn)的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu),，同時具有材料利用率高和成型速度快等優(yōu)點,。其中，基于從噴嘴噴出熔體或者油墨的3D打印方式可以實現(xiàn)幾乎任何物質(zhì)的加工,，包括聚合物,、金屬、陶瓷,、木材以及生物組織等,。但是，目前基于噴嘴的3D打印技術(shù)存在打印速度慢和打印精度低等缺點,，限制了材料多功能性的開發(fā),。

西班牙羅維拉-威爾吉利大學(xué)Joan Rosell-Llompart和Andreu Cabot等人通過在噴嘴周圍外加電壓,，實現(xiàn)了以高達100萬m/s2橫向加速度來調(diào)節(jié)打印路徑，同時以高達2000 Hz逐層堆疊頻率將納米纖維打印成具有亞微米特征的三維結(jié)構(gòu),，面內(nèi)和垂直方向打印速度分別可以達到0.5m/s和0.4mm/s,，比現(xiàn)有技術(shù)提升了3-4個數(shù)量級。相關(guān)工作以“Ultrafast 3D printing with submicrometer features using electrostatic jet deflection”為題,，發(fā)表于《Nature Communications》上,。

打印原理

為了有效地減小打印線的尺寸，通過在噴嘴和打印襯底之間施加的電場來吸引熔體或油墨,，而不是迫使材料從非常細(xì)的噴嘴擠出,。一旦作用在液體表面上的電應(yīng)力克服表面張力，液面便會形成一個泰勒錐,，從而將很細(xì)的墨水射流快速地推向打印襯底,。此外，研究人員在射流周圍外加電極,，這些電極能夠改變射流附近的電場,，使其偏離原始軌跡，并以此可以控制其到達襯底的位置,。隨后與傳統(tǒng)的3D打印過程一樣,，逐層堆積直至形成所需的三維結(jié)構(gòu)。

圖1 靜電控制射流軌跡

在上述打印過程中,，射流的偏轉(zhuǎn)角度取決于電場變化的幅度和頻率,。施加小幅度電壓時，射流呈現(xiàn)隨電壓幅度線性變化的小偏轉(zhuǎn)角（<15°）,；較高的電壓幅度則會導(dǎo)致射流偏轉(zhuǎn)角非線性增加,。在低頻下，較小的振幅會導(dǎo)致纖維發(fā)生彎曲,，而較大的振幅會產(chǎn)生直纖維,，隨著射流偏轉(zhuǎn)頻率的增加，彎曲的幅度會減小,。

圖2 射流偏轉(zhuǎn)參數(shù)的作用

二維圖案與三維結(jié)構(gòu)的打印
由于射流僅在一個軸上發(fā)生偏轉(zhuǎn),，因此可以沉積厚度低至100nm的纖維和最大2mm圖案的纖維。使用至少兩個電極可以使射流沿著基板平面在任何方向上偏轉(zhuǎn),，能夠產(chǎn)生具有任何形狀的2D結(jié)構(gòu),。此外，研究人員通過將射流偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)與機械平臺耦合并使之同步,，將微觀特征的快速打印擴展到更大的區(qū)域,。

圖3 2D圖案的打印

在上述打印2D圖案的基礎(chǔ)上，通過連續(xù)逐層沉積材料來打印3D對象,，可以制作出高度達100μm且縱橫比非常高的3D結(jié)構(gòu),，例如高度與厚度比遠高于1000的墻壁也能很容易被打印出來,。研究人員選用的是電導(dǎo)率相對較低的PEO油墨，實現(xiàn)了高達2000 Hz逐層堆疊頻率,，轉(zhuǎn)換成面內(nèi)打印速度最高可達0.5m/s,，垂直方向打印速度高達0.4mm/s。通過增加打印材料的電導(dǎo)率或使用適當(dāng)?shù)臍夥�,，可以進一步提高3D打印的速度,。

圖4 3D墻的打印

3D結(jié)構(gòu)的打印還需要考慮到溶劑的蒸發(fā)速率，溶劑的蒸發(fā)速率必須足夠低,，以確保噴嘴不會阻塞,，但蒸發(fā)速率又必須足夠高，以使打印襯底的材料快速干燥,。在噴嘴到達襯底時保持較低的粘度的墨水,，可以獲得較小的曲率半徑，而打印纖維橋需要使用具有較高粘度的墨水,。此外,，一旦材料被打印，隨后的溶劑蒸發(fā)和體積損失可能會導(dǎo)致纖維收縮,，從而對3D結(jié)構(gòu)的幾何保真度產(chǎn)生負(fù)面影響。在打印過程中,，可以通過改變墨水成分和調(diào)整環(huán)境條件來控制甚至避免收縮,。

圖5 3D結(jié)構(gòu)的打印

材料的多功能性是噴射3D打印的主要優(yōu)勢，除了可以打印由PEO制成的墨水,，還可以合理設(shè)計墨水配方實現(xiàn)其他聚合物3D結(jié)構(gòu)的打印,，例如將PEO和PEDOT-PSS進行復(fù)合，或者是引入各種納米顆粒到油墨中,。此外,，還能通過打印含有分子前驅(qū)體或金屬鹽的墨水，進一步退火處理后得到無機結(jié)構(gòu),，也可以拓展至生物組織或者活細(xì)胞等的3D打印,。

圖6 壁微結(jié)構(gòu)的控制

對比能夠以亞微米分辨率打印的增材制造技術(shù)，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)制造具有較小特征的物體時,，打印速度會急劇下降,；打印分辨率每增加一個數(shù)量級，打印速度就會降低4個數(shù)量級,。在這種情況下,，研究人員開發(fā)的這種打印方式可以實現(xiàn)以高達105μm3/s的打印速度來打印小至100 nm的結(jié)構(gòu)，即確保高打印精度下實現(xiàn)了高速打印,。

圖7 增材制造技術(shù)對比

小結(jié)
研究人員在噴嘴周圍外加電極,，通過快速調(diào)節(jié)電極周圍的靜電場來實現(xiàn)基于噴嘴3D打印技術(shù)的快速打印,。平面內(nèi)打印速度最高可達0.5 m/s，垂直方向打印速度高達0.4 mm/s,，遠遠超越了所有已知的能夠?qū)崿F(xiàn)亞微米分辨率的增材制造技術(shù),，實現(xiàn)了任意成分、多種微觀結(jié)構(gòu)和多功能的3D制件的超高速制造,。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-14557-w