一種大規(guī)模生產(chǎn)超細(xì)纖維的新型3D打印方法

2025年2月23日，南極熊獲悉,，伊利諾伊大學(xué)厄巴納香檳分校的研究人員開(kāi)發(fā)出一種新方法,，用于制造直徑小至1.5微米的超細(xì)纖維，為模仿生物纖維結(jié)構(gòu)提供了一種可擴(kuò)展的技術(shù),。這項(xiàng)研究發(fā)表在《自然通訊》雜志上,，劍橋大學(xué)、查普曼大學(xué)和弘益大學(xué)的研究人員也參與了這項(xiàng)工作,。該技術(shù)被稱為快速溶劑交換3D打�,。�3DPX），能夠制造出長(zhǎng)達(dá)數(shù)十厘米的纖維,，有望在機(jī)器人技術(shù),、醫(yī)學(xué)和先進(jìn)材料領(lǐng)域得到應(yīng)用。

△相關(guān)研究為“通過(guò)嵌入式溶劑交換快速3D打印細(xì)小,、連續(xù),、柔軟的纖維”（傳送門）

與傳統(tǒng)制造方法不同，3DPX技術(shù)通過(guò)溶劑交換實(shí)現(xiàn)擠出聚合物細(xì)絲的快速固化,，克服了傳統(tǒng)方法在靈活性和高縱橫比方面的局限,。該工藝的打印速度可達(dá)到5毫米/秒，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的彎月面引導(dǎo)打印技術(shù),。通過(guò)使纖維幾乎立即固化,，可以有效避免毛細(xì)管效應(yīng)引起的斷裂，從而確保精細(xì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,。

工程師Mohammad Tanver Hossain指出：“在自然界中,，許多絲狀結(jié)構(gòu)的直徑僅有幾微米。我們深知,，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)是可行的,。”

△使用嵌入式3D打印制作的螺旋結(jié)構(gòu)

3D打印超細(xì)纖維

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，采用5微米的噴嘴可以生產(chǎn)出直徑僅1.5微米的纖維,，長(zhǎng)寬比超過(guò)3400。研究人員對(duì)支撐凝膠的流變性以及聚合物成分進(jìn)行了精細(xì)調(diào)整,，以確保在這一規(guī)模下的工藝穩(wěn)定性,，證明了這項(xiàng)技術(shù)的可靠性。

△嵌入式溶劑交換3D打�,。�3DPX）機(jī)制

該技術(shù)還證明了它對(duì)多種材料的適用性,，包括熱塑性彈性體、聚苯乙烯和聚氯乙烯（PVC）,。他們甚至測(cè)試了含有碳納米管的聚合物納米復(fù)合材料,，這對(duì)于電子和傳感器技術(shù)的應(yīng)用具有潛在價(jià)值。

除了單根纖維,，研究團(tuán)隊(duì)還成功地打印出了固定在彈性基底上的毛發(fā)狀陣列,，直徑小于2微米,，長(zhǎng)度超過(guò)1500微米。這些陣列在觸覺(jué)傳感器,、藥物輸送微針和微流體設(shè)備中具有重要應(yīng)用,，它們從自然界中的傳感和粘附機(jī)制中獲得靈感。

△3DPX可以復(fù)制自然界中細(xì)毛和纖維的特征

可擴(kuò)展性是3DPX的另一個(gè)亮點(diǎn),。多噴嘴打印系統(tǒng)展示了同時(shí)制造多個(gè)結(jié)構(gòu)的能力,，例如九噴嘴歧管可以并行產(chǎn)生相同的打印件。這種能力提升了在效率和精度同等重要的工業(yè)應(yīng)用中的生產(chǎn)效率,。

團(tuán)隊(duì)還嘗試了線圈,、螺旋線和彎曲的細(xì)絲，結(jié)果表明打印速度和凝膠的屈服應(yīng)力對(duì)細(xì)絲保持形狀的效果有直接影響,。較高的屈服應(yīng)力值提供了更好的機(jī)械支撐,，防止細(xì)絲在擠出過(guò)程中發(fā)生位移。較低的打印速度允許更可控的沉積,，確保纖維緊密貼合預(yù)定軌跡,。

△3DPX的功能，包括材料庫(kù),、特征尺寸和幾何形狀

與現(xiàn)有技術(shù)相比,，3DPX技術(shù)在直接墨水書(shū)寫(xiě)特征尺寸上創(chuàng)下了新紀(jì)錄。以前的嵌入式3D打印技術(shù)（例如使用可固化硅橡膠的技術(shù)）難以達(dá)到8微米以下的精度,，而3DPX技術(shù)將此降至1.5微米,。與電流體動(dòng)力（EHD）打印和氣溶膠噴射打印不同，后者通常速度較慢且需要外部支撐,，3DPX技術(shù)則工作速度更快,，并允許進(jìn)行自由形狀、無(wú)支撐打印,。

當(dāng)然,，任何研究都會(huì)面臨挑戰(zhàn)。研究團(tuán)隊(duì)指出,，對(duì)于超高縱橫比纖維的打印后處理仍然具有挑戰(zhàn)性,，進(jìn)一步改進(jìn)材料配方和支撐凝膠的性能有助于提高穩(wěn)定性。

Hossain指出,，這種方法具有巨大的潛力,，“因?yàn)槌��?xì)長(zhǎng)纖維可以與功能材料結(jié)合，從而復(fù)制出受自然啟發(fā)的纖維結(jié)構(gòu),�,！�