液體作為支撐,？液固共印噴射3D打印技術(shù)登上《Additive Manufacturing》

南極熊導(dǎo)讀：多材料噴射增材制造工藝是將模型的材料和支撐材料（二者都為微尺度液滴）都沉淀下來(lái)，逐層構(gòu)建三維（3D）部件,。研究表明,，液體作為支持材料有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橐后w可以很容易地從微通道中清除,，也可以作為工作液體,，永久地留在打印模型中。然而,，由于缺乏對(duì)多材料液固共印過(guò)程和機(jī)制的詳細(xì)了解,，限制了液體打印的發(fā)展。

2022年4月,，南極熊獲悉,，科羅拉多大學(xué)博爾德分校機(jī)械工程系的研究者對(duì)液固材料共同液固共印的打印機(jī)理，并制作了一款微流體裝置,。這項(xiàng)研究?jī)?nèi)容被發(fā)表在《Additive Manufacturing》中,，題目為《Liquid-solid co-printing of multi-material 3D fluidic devices via material jetting》(《通過(guò)材料噴射實(shí)現(xiàn)多材料3D流體裝置的液固共印》)，下面讓我們具體看下他們的研究?jī)?nèi)容吧,。

在此研究中,，研究人員提出了對(duì)一個(gè)關(guān)鍵詞，這就是“液固共印”,，指在多材料噴射過(guò)程中對(duì)固化和非固化材料進(jìn)行共沉積,。在這一過(guò)程中，需要用到凝固材料,，如相變油墨,，在沉積后不久就會(huì)硬化并表現(xiàn)出剪切模量的急劇增加，而非凝固材料在沉積后仍是液體,。在多材料噴射3D打印的背景下,，研究人員將這兩類材料結(jié)合起來(lái)，利用液體形成支撐,，便于去除或者將液相材料嵌入到打印的多材料物體中,。這種方法可以直接沉積化學(xué)反應(yīng)物,，并解決了材料噴射增材制造中的一個(gè)長(zhǎng)期挑戰(zhàn)：如何在3D打印后清除長(zhǎng)的曲折的內(nèi)部通道。研究人員預(yù)計(jì),，多材料噴射的液固共印技術(shù)能夠打印流體邏輯電路,、電化學(xué)傳感器和放大器等3D模型微小且復(fù)雜的部件。

材料噴射打印
材料噴射3D打印是使用噴墨技術(shù)沉積微尺度的材料液滴,。因此,，相對(duì)于其他增材制造方法，它在打印過(guò)程中能夠沉積不同的材料且能提供快速的轉(zhuǎn)換,，并具有高產(chǎn)量,，同時(shí)提供大的構(gòu)建體積（>30升是很常見(jiàn)的）,，特征尺寸低于150微米,。因此，它已被廣泛用于制造帶有嵌入式流體電路的軟體機(jī)器人,，以及帶有微流體通道的設(shè)備（盡管需要大量的手工后處理）,。在增材制造方面，材料噴射提供了一種獨(dú)特的能力：不同墨水的皮升級(jí)液滴在幾乎相同的時(shí)間內(nèi)能夠快速而精確地沉積,，使具有廣泛差異的機(jī)電和化學(xué)特性的材料形成具有機(jī)械梯度的復(fù)合材料,，包括半導(dǎo)體和電路的活性部件，以及無(wú)需額外組裝的功能性 "就地打印 "物體,。因此,，它為整個(gè)就地打印功能系統(tǒng)的融合、集成制造提供了新的途徑,。

液固共印理論與機(jī)制
按照一般的Polyjet方法,，該過(guò)程首先沉積一層初始的剛性材料，以促進(jìn)對(duì)構(gòu)建平臺(tái)的粘附,，然后是幾層固體支撐,，以提供結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和打印部件的統(tǒng)一基礎(chǔ)。然后按照設(shè)計(jì)的幾何形狀沉積光敏樹脂液滴,。與普通的Polyjet打印過(guò)程不同,，液固協(xié)同打印沉積非光固化材料（在這項(xiàng)工作中，研究人員使用Stratasys模型清洗液,，在此稱為 "液體 "或 "非固化液體"）,。

沉積的液體量可以通過(guò)改變壓電驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)控制，允許液體材料噴射不足或過(guò)度噴射（定義為當(dāng)每個(gè)液滴中沉積的液體量分別低于或高于目標(biāo)體素體積）,。隨著液體的沉積,，它被周圍的光固化材料（同時(shí)沉積的）所包含，產(chǎn)生了液體與墻壁的相互作用,。一旦達(dá)到封蓋層（定義為液體區(qū)域頂部的第一個(gè)光固化材料層）,，光固化液滴沉積在液體界面上,，引起液滴-液體的相互作用，使液體能夠作為材料噴射的支撐材料,。打印過(guò)程以仿真的形式展示,，我們可以清晰地看到打印的液滴在打印過(guò)程中的變化。


△液固共印機(jī)制示意圖


△非凝固性液體沖擊的實(shí)驗(yàn)與仿真


△微尺度的液固共印機(jī)理模擬


△微尺度的蓋層模擬

研究人員通過(guò)高速成像,、CFD和實(shí)驗(yàn)對(duì)液固共印過(guò)程的基本理解和表征,。液固共印過(guò)程被分解成液滴-液體相互作用和液壁相互作用。在單個(gè)液滴尺度（光敏樹脂液滴對(duì)液體表面的影響）以及系統(tǒng)尺度（涉及數(shù)十萬(wàn)液滴對(duì)液體表面影響的蓋層）研究了液滴-液體的相互作用,。研究發(fā)現(xiàn),，在Polyjet與Stratasys樹脂的液固共印中，非固化液體的表面張力支持光聚合物液滴在液體表面進(jìn)行光聚合,，形成固體材料層,。在使用任何工作液體和光敏樹脂的組合時(shí)，有四種潛在的支配力平衡情況,。(1）光敏樹脂的密度小于非固化液體,，表面張力顯著；（2）光敏樹脂的密度小于非固化液體,，表面張力可以忽略不計(jì),；（3）光敏樹脂的密度大于非固化液體，表面張力顯著,；以及（4）光敏樹脂的密度大于非固化液體,，表面張力力可以忽略不計(jì)。

液固共印應(yīng)用
隨著流體電路擴(kuò)展到三維,，從復(fù)雜的設(shè)計(jì)中清除支撐材料變得越來(lái)越困難,，如分支通道或內(nèi)部閥門。液固共印技術(shù)提供了一種加速制造帶有集成閥的平面和三維流體電路的手段,，這種電路可以在幾小時(shí)內(nèi)打印出來(lái)并容易進(jìn)行后期處理,。研究人員證明了液固共印這種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)平面、三維和多材料的微/網(wǎng)格流體,，因?yàn)橥ㄟ^(guò)對(duì)通道施加適度的壓力差,，液體可以很容易地從微/網(wǎng)格流體通道中清除出來(lái)。

△打印的平面微流體模型


△三維和多材料的微/網(wǎng)格流體模型

研究人員利用液體作為材料噴射工作的材料,。在這里,，液體既可以是一種“犧牲品”，如在微/中流體通道中,，也可以在打印時(shí)被永久地留入到一個(gè)部件中,，如液壓機(jī)器人或微通道中的試劑。這是第一項(xiàng)解釋使用液體作為支持材料機(jī)制的研究,，以及利用模擬和實(shí)驗(yàn)方法詳細(xì)描述液體-固體共印過(guò)程的研究,。

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