《自然通訊》:佛羅里達大學研究者提出蒸汽誘導相分離3D打印，簡單且經濟！

2024年4月，南極熊獲悉，來自佛羅里達大學的工程師開發(fā)了一種稱為蒸汽誘導相分離 3D 打印 (VIPS-3DP) 的制造方法，可以創(chuàng)建單一材料和多材料物體。佛羅里達大學機械與航空航天工程系教授Yong Huang 博士解釋說，這一方法不僅具有成本效益，還具備可持續(xù)性，為制造商提供了一種簡單且經濟的解決方案。研究內容已經發(fā)表在《Nature Communications》期刊上，題目為《Vapor-induced phase-separation-enabled versatile direct ink writing》(《具有蒸汽誘導相分離功能的多功能直接墨水書寫》）。



VIPS-3DP的詳細工作原理：


△VIPS-3DP 流程示意圖

●墨水選擇：VIPS-3DP使用聚合物基液體作為“墨水”，含有金屬或陶瓷顆粒。
●蒸汽誘導的相分離過程：當使用這種墨水進行打印時，非溶劑蒸氣被釋放到打印區(qū)域，即墨水的液體成分固化，形成固體材料。
●低揮發(fā)性溶劑：VIPS-3DP中的溶解聚合物墨水在霧化非溶劑的存在下沉積。由于低揮發(fā)性溶劑與非溶劑具有更強的化學親和力，低揮發(fā)性溶劑會以受控方式從長絲中萃取出來。
●環(huán)保和可持續(xù)性：溶劑的低揮發(fā)性允許其在打印后回收，從而最大限度地減少其對環(huán)境的影響。


△Yong Huang 博士——佛羅里達大學機械與航空航天工程系教授

VIPS-3DP中的打印速度由油墨的固化速率決定，固化速率受非溶劑蒸氣的擴散速度、相分離過程中聚合物分層速率、非溶劑濃度（在這種情況下為相對濃度）等因素的影響。濕度）和聚合物濃度。類似地，打印分辨率受到給定聚合物墨水的最小可用噴嘴尺寸的限制。在設計階段考慮使用 VIPS-3DP 工藝創(chuàng)建的聚合物部件的打印后變化非常重要，因為這些變化是由于凝固的相分離機制而發(fā)生的。

研究擴展
●首先，研究人員展示了 VIPS-3DP 在聚合物打印中的用途，強調了其創(chuàng)建復雜結構的能力。
●然后，通過使用 VIPS-3DP 來沉積聚合物基金屬油墨和復合粉末負載聚合物油墨來對此進行應用擴展，這些油墨在應用熱循環(huán)后可以轉化為金屬零件或復合材料?！翊送猓琕IPS-3D打印方法通過控制打印路徑并采用無機空間保持劑作為絲內致孔劑，有利于多孔結構和功能梯度部件的生產。

Yong Huang 博士解釋說，VIPS-3DP 工藝允許制造商 3D 打印具有不同孔隙率水平的多材料零件，這意味著用不同的物質和不同程度的小孔或間隙來制造結構。通過調整打印條件和過程中使用的犧牲材料的量來調節(jié)物體的孔隙率，對于制造多孔醫(yī)療植入物或輕型航空航天產品來說是有利的。

論文的第一作者、實驗室的博士研究生 Marc Sole-Gras 補充說，這種方法在制造具有不同孔隙率水平的金屬產品方面顯示出特別的前景。例如，它可用于骨組織工程，打印與人體細胞良好整合的植入物。與傳統(tǒng)打印方法相比，VIPS-3DP 工藝具有制造優(yōu)勢和可持續(xù)性優(yōu)勢，利用可持續(xù)材料并消耗更少的能源。


△基于ABS的打印結果

總結
研究證明了 VIPS-3DP 工藝通過利用霧化非溶劑實現固化來打印聚合物零件的有效性，所使用的溶劑可以重復使用，從而提高過程效率。這種凝固機制還可以應用于使用聚合物膠體墨水打印復合部件，從而可以制造聚合物金屬和聚合物陶瓷產品。

然而，VIPS 概念對于基于陶瓷和金屬顆粒的懸浮液的固化和粘合是必需的，通過引入熱循環(huán)來去除聚合物并誘導固態(tài)燒結，可以制造純金屬、陶瓷和復合材料零件。此外，VIPS-3DP 工藝可以通過使用混合器結合長絲間和長絲內的孔隙率來創(chuàng)建具有不同孔隙度水平的零件。這些部件可能會在多尺度孔隙骨植入物等領域得到應用。

VIPS-3DP 提供了一種打印工程聚合物的替代方法，無需加熱或針對特定的固化機制進行定制，還可以使用聚合物作為粘合劑材料創(chuàng)建異質復合結構。但是，由于存在相分離過程，所得的微觀結構將是多孔的，對于某些應用來說可能是有利的。對于需要承載性能的應用，需要進一步研究以了解使用犧牲模板添加劑的打印過程如何影響或控制孔徑。


△不銹鋼 316L 零件的 VIPS-3DP 工藝說明

此項研究已獲得兩項專利，并得到了包括美國國家科學基金會和能源部在內的聯(lián)邦機構的資助。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47452-9