《極限制造國(guó)際期刊》：基于噴墨技術(shù)的隨形增材制造技術(shù)

來(lái)源：  增材工業(yè)

傳統(tǒng)的增材制造技術(shù)受限于平面逐層堆積的制造方式,，難以在復(fù)雜曲面上直接制造功能器件�,；�于噴墨技術(shù)的隨形增材制造技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,，它利用高精度噴墨打印頭，將功能性材料直接沉積到三維物體表面,，突破了平面限制,，為三維功能器件的制造提供了全新的解決方案。近日,，一篇發(fā)布在International Journal of Extreme Manufacturing（IF=16.1）的綜述研究從技術(shù)原理,、優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域等多維度,，詳細(xì)介紹了基于噴墨技術(shù)的隨形增材制造技術(shù),。

增材制造技術(shù),，又稱3D打印技術(shù)，以其獨(dú)特的逐層堆積制造方式,，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的制造提供了極大的靈活性和設(shè)計(jì)自由度,。然而，傳統(tǒng)的增材制造技術(shù)通常只能在平面上進(jìn)行材料堆積,，難以直接在復(fù)雜曲面上制造功能器件,，這極大地限制了其在電子、生物醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用,。
近年來(lái),，隨著噴墨打印技術(shù)的快速發(fā)展，基于噴墨技術(shù)的隨形增材制造技術(shù)逐漸興起,。噴墨打印作為一種非接觸式增材制造技術(shù),，憑借其低成本、強(qiáng)可擴(kuò)展性以及適用于大規(guī)模制造等優(yōu)勢(shì),，在材料沉積領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著的技術(shù)特點(diǎn),。

該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)精確的按需液滴分配和非接觸式材料輸送，并廣泛應(yīng)用于生物材料,、藥物制劑,、石墨烯,、功能聚合物以及電極材料等多種功能材料的沉積,。此外，噴墨打印還支持多種材料的連續(xù)沉積,，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)和多功能器件的制造提供了高效且靈活的解決方案,。

技術(shù)原理
基于噴墨技術(shù)的隨形增材制造技術(shù)的工作原理與傳統(tǒng)的噴墨打印機(jī)類似，但其核心在于高精度噴墨打印頭和精密運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的協(xié)同工作,。

噴墨打印頭: 噴墨打印頭是隨形增材制造技術(shù)的核心部件,，其內(nèi)部裝有精密的壓電元件或熱氣泡發(fā)生器，可以將功能性材料溶液轉(zhuǎn)化為微小的液滴,，并精確控制液滴的大小和噴射速度,。目前，常用的功能性材料包括導(dǎo)電油墨,、半導(dǎo)體材料,、介電材料、生物材料等,。

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng): 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制噴墨打印頭的位置和角度,，使其能夠適應(yīng)各種復(fù)雜曲面。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)目標(biāo)物體的三維模型,，自動(dòng)規(guī)劃打印路徑,，確保打印頭始終與表面保持最佳距離和角度,，從而實(shí)現(xiàn)高精度、高分辨率的材料沉積,。

噴墨模式
噴墨技術(shù)依據(jù)噴射過程的連續(xù)性特征,，主要可分為連續(xù)噴墨和按需噴墨兩大類。在不同類型的噴墨技術(shù)及其制造應(yīng)用中,，各類噴射模式均展現(xiàn)出獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)：

壓電式噴墨：以其廣泛的材料兼容性著稱,。

熱氣泡式噴墨：對(duì)生物材料表現(xiàn)出優(yōu)異的適應(yīng)性。

氣溶膠噴射技術(shù)：具備廣泛的材料適用性,，并支持原位實(shí)時(shí)調(diào)整材料比例,。

電流體動(dòng)力噴射：以實(shí)現(xiàn)高分辨率打印和多模態(tài)材料噴射為目標(biāo)，展現(xiàn)了其在微納尺度制造領(lǐng)域的潛力,。

基于噴墨的三種隨形增材制造模式

（a）壓電噴射模式,；（b）熱氣泡噴射模式；（c）電流體動(dòng)力噴射模式,；（d）氣溶膠噴射模式

噴墨式隨形增材制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)
噴墨式隨形增材制造技術(shù)以其多維工藝靈活性,、多樣化數(shù)字化驅(qū)動(dòng)接口和多材料打印能力脫穎而出。該技術(shù)通過先進(jìn)的數(shù)字化驅(qū)動(dòng)方式,，精確控制墨水沉積和打印過程,，滿足復(fù)雜隨形表面的制造需求，顯著提高了制造精度和效率,。

3.1多材料能力
噴墨打印在隨形制造中的核心優(yōu)勢(shì)在于其多材料沉積能力,，能夠連續(xù)打印不同功能或物理狀態(tài)的材料，如液態(tài)和固態(tài)材料,，甚至實(shí)現(xiàn)原位混合,。這種能力使其在制造多功能復(fù)合結(jié)構(gòu)（如半導(dǎo)體、電路等）方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：

功能材料連續(xù)沉積：傳統(tǒng)方法通常局限于單一材料或復(fù)雜的多材料組合步驟,，而噴墨打印通過精確控制噴嘴運(yùn)動(dòng)和墨水沉積,，簡(jiǎn)化了多材料打印過程；

液,、固共打�,。簢娔�打印可��(shí)現(xiàn)固化與非固化材料的共同沉積，支持復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的制造,，廣泛應(yīng)用于微流體,、芯片實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和機(jī)器人等領(lǐng)域（如下圖a）；

原位混合：通過精確控制墨水噴射比例和混合方法,，噴墨打印可在微尺度上實(shí)現(xiàn)材料梯度成分的制造,，滿足功能梯度材料的需求。例如,，氣溶膠噴射打印允許在打印過程中實(shí)時(shí)調(diào)整材料混合比例,，為制造高性能薄膜和多功能結(jié)構(gòu)提供了可能（如下圖b）,。

多材料打印技術(shù)在柔性電子、儲(chǔ)能,、航空航天和個(gè)性化產(chǎn)品設(shè)計(jì)等領(lǐng)域展現(xiàn)了廣泛應(yīng)用前景,。然而，材料間的界面兼容性（如潤(rùn)濕性,、粗糙度和化學(xué)兼容性）是實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵,，需通過表面處理（如等離子或紫外線照射）和材料選擇優(yōu)化來(lái)解決。

多元數(shù)字化驅(qū)動(dòng)
噴墨式隨形增材制造技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）和人工智能（AI）等數(shù)字化驅(qū)動(dòng)技術(shù)的結(jié)合,，實(shí)現(xiàn)了智能化的制造控制,。這種集成優(yōu)化了液滴噴射、復(fù)雜基材上的精確沉積以及錯(cuò)誤管理,，為高難度制造任務(wù)提供了解決方案,。

數(shù)字化驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：
工藝參數(shù)優(yōu)化：ML通過分析液滴噴射行為與打印結(jié)果的關(guān)系，優(yōu)化打印條件,，減少實(shí)驗(yàn)成本,。例如，壓電噴射打印技術(shù)通過分析頻率,、電壓等參數(shù),，預(yù)測(cè)噴霧行為并優(yōu)化墨水設(shè)計(jì)。

復(fù)雜基材適應(yīng)：氣溶膠噴射打印技術(shù)通過ML建立工藝參數(shù)與打印質(zhì)量的非線性關(guān)系,，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面上的精確沉積,。例如，鞘氣流量和載氣流量的優(yōu)化可通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法得以實(shí)現(xiàn),。

智能錯(cuò)誤管理：數(shù)字化驅(qū)動(dòng)技術(shù)支持閉環(huán)控制,，實(shí)時(shí)調(diào)整打印參數(shù),，提高制造精度和效率,。

數(shù)字化驅(qū)動(dòng)優(yōu)勢(shì)

3.3多維工藝靈活性
噴墨打印作為一種非接觸式技術(shù)，具有高度的靈活性和適應(yīng)性,，能夠適應(yīng)復(fù)雜曲面和多樣化基材,，成為隨形制造的關(guān)鍵技術(shù)。

1,、垂直制造維度的靈活性

復(fù)雜曲面通常具有變化的高斯曲率,，給傳統(tǒng)接觸式制造技術(shù)帶來(lái)挑戰(zhàn)。直接接觸這些表面或軟基材可能導(dǎo)致變形,，影響精度,。噴墨打印通過非接觸式材料沉積，避免了這些問題,，能夠精確控制噴嘴與基材的距離,，減少摩擦和變形,，從而實(shí)現(xiàn)高精度制造。

2,、水平制造維度的靈活性
在水平制造維度上,，噴墨打印通過多噴嘴系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高通量制造，數(shù)百或數(shù)千個(gè)噴嘴可同時(shí)工作,，支持并行打印多個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)不同部位,。這在藥物篩選、反應(yīng)器和基因測(cè)序等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用,。例如,，DNA合成中，多噴嘴模式能精確沉積偶聯(lián)劑,，提高反應(yīng)效率,。這種高通量能力支持復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的快速制造。

3,、材料開發(fā)的靈活性
噴墨打印可與其他制造工藝（如選擇性激光熔化）結(jié)合,，支持高通量材料篩選，加速新材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用,。例如,，在可再生能源存儲(chǔ)領(lǐng)域，噴墨打印幫助快速篩選固體電催化劑,，并加速新型鈣鈦礦薄膜的發(fā)現(xiàn)（如下圖b-d所示）,。這種高通量篩選能力為隨形制造中的材料開發(fā)提供了獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，特別是在不同流變特性的基材上,。

基于噴墨的保形增材制造技術(shù)的多維工藝靈活性

基于噴墨的隨形增材制造的應(yīng)用領(lǐng)域
基于噴墨的隨形增材制造因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),，在保形電子、能源設(shè)備,、生物制造和超表面制造等新興技術(shù)領(lǐng)域具有無(wú)限潛力,。

4.1適用于智能和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用的保形電子產(chǎn)品
保形電子設(shè)備的可擴(kuò)展性和可持續(xù)性主要受限于油墨配方和打印工藝。隨著保形電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性日益增加,，特別是在無(wú)線多功能系統(tǒng)中,，對(duì)高精度和集成制造的需求也日益增加。

下圖（a）展示了當(dāng)前噴墨打印技術(shù)制作的曲面電子產(chǎn)品,。大多數(shù)保形電子制造采用在柔性基板上打印并轉(zhuǎn)移到復(fù)雜表面,，但這種方法對(duì)不可拉伸或低拉伸材料存在限制�,；�于噴墨的保形增材制造無(wú)需額外掩模和配件,，可以擴(kuò)展材料和基板選擇，支持從共面到三維的打印。關(guān)鍵進(jìn)展在于避免了繁瑣的轉(zhuǎn)移和組裝過程,，實(shí)現(xiàn)了曲面上的直接隨形制造,。

智能和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的隨形制造

目前，隨形電子制造及其在電子領(lǐng)域的潛在應(yīng)用主要集中在共形天線和傳感器及可穿戴設(shè)備,。

4.2能量收集和存儲(chǔ)設(shè)備
隨著科技進(jìn)步和全球低碳倡導(dǎo),，能源設(shè)備正在朝著更高的能源利用效率和轉(zhuǎn)換率發(fā)展。隨形結(jié)構(gòu)在能源設(shè)備中大有可為,，熱電發(fā)電機(jī)（TEG）和離子電池便是典型應(yīng)用代表,。

熱電發(fā)電機(jī)（TEG）
全球能源消耗中約三分之二以熱能形式浪費(fèi)，TEG作為一種自供電設(shè)備,，可以將廢熱轉(zhuǎn)化為電能,。為了提高轉(zhuǎn)換效率，需要最大限度減少熱損失,。隨著熱電材料性能的提升,，設(shè)計(jì)更高效的TEG并確保其可靠性變得至關(guān)重要。
為了高效收集熱量,，TEG需要與形狀變化的熱源（如人體）緊密貼合,。基于噴墨的保形增材制造可以直接打印3D形狀的TEG,，避免傳統(tǒng)方法中平面基板的局限性,，支持垂直方向上的熱量收集。這種保形設(shè)計(jì)不僅提高了熱量收集效率,，還能在變形條件下穩(wěn)定工作,，適用于低溫、大面積的能量收集,。

離子電池
離子電池是現(xiàn)代能源存儲(chǔ)的核心,，廣泛用于移動(dòng)電源和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域。然而,，傳統(tǒng)電池形狀固定,，難以與復(fù)雜形狀的設(shè)備集成，并存在界面不匹配和充放電速度慢的問題,。為提高性能,，需要在電池表面涂覆均勻的保形涂層,，確保與設(shè)備緊密貼合,。基于噴墨的隨形增材制造技術(shù)能夠直接在復(fù)雜表面上集成形狀匹配的離子電池,，提升電池能量密度,，克服傳統(tǒng)方法的限制，提高電池效率和安全性，滿足未來(lái)的能源存儲(chǔ)需求,。

生物電子學(xué)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用
適形生物電子器件因能夠與皮膚緊密接觸,、精確監(jiān)測(cè)生物信號(hào)并提供高效治療，成為研究熱點(diǎn),。植入式器件可直接在病變部位進(jìn)行診斷和治療,，但效果取決于器件與病變部位的穩(wěn)定黏附。皮膚分泌物和機(jī)械不匹配問題影響了黏附效果,，需要開發(fā)不引起免疫反應(yīng)的適形黏附劑,。

由于人體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，膠粘劑的要求較高�,，F(xiàn)有技術(shù)依賴外部設(shè)備,，限制了設(shè)備與生物系統(tǒng)的整合。軟體電子設(shè)備與大腦的機(jī)械匹配可以減少免疫反應(yīng),，這一原理與噴墨增材制造技術(shù)結(jié)合,，為電子設(shè)備與生物組織之間的界面提供了理論支持。

噴墨增材制造技術(shù)在生物制造中的應(yīng)用,，特別是在軟神經(jīng)探針和微電極陣列的制造中,，提升了電子設(shè)備與生物系統(tǒng)的整合性。此外,，生物打印像素的概念為噴墨打印技術(shù)在生物材料植入和器官修復(fù)等領(lǐng)域開辟了新途徑,。

綜上所述，噴墨增材制造技術(shù)不僅能夠沉積生物材料,，還能制造導(dǎo)電,、透明、可彎曲或拉伸的生物相容性器件,，具備較高的表面設(shè)計(jì)自由度,，能夠與生物樣品形成最佳接觸，為生物打印提供了新的發(fā)展方向,。

總結(jié)
基于噴墨技術(shù)的隨形增材制造技術(shù)突破了傳統(tǒng)增材制造技術(shù)的平面限制,，為三維功能器件的制造提供了全新的解決方案。該技術(shù)具有高精度,、高分辨率,、材料選擇廣泛、非接觸式打印等優(yōu)勢(shì),，在航空航天,、生物醫(yī)療、電子消費(fèi)品,、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,。未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，基于噴墨技術(shù)的隨形增材制造技術(shù)將會(huì)在更多領(lǐng)域大放異彩,，為人類社會(huì)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn),。

論文鏈接：
[1] 10.1088/2631-7990/ada8e6