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，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)研究內(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內(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”，指在多材料噴射過程中對(duì)固化和非固化材料進(jìn)行共沉積。在這一過程中，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，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)長期挑戰(zhàn)：如何在3D打印后清除長的曲折的內(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改變壓電驅(qū)動(dòng)電壓來控制，允許液體材料噴射不足或過度噴射（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

研究人員通過高速成像、CFD和實(shí)驗(yàn)對(duì)液固共印過程的基本理解和表征。液固共印過程被分解成液滴-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^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。

△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-固體共印過程的研究。

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