Adv. Mater.：新型的直接墨水書寫3D打印技術

【引言】

直接墨水書寫（DIW）3D打印技術可用于制備各種材質及性能的材料，其應用領域非常廣泛，包括電子學、結構材料、組織工程以及軟機器人等。該技術所使用的墨水類型有很多種，比如導電膠、彈性體以及水凝膠等。這些墨水都有流變性能（比如粘彈性、剪切稀化、屈服應力等），有助于3D打印過程的實施。在DIW過程中，粘彈性墨水從3D打印機的噴嘴被擠壓出來，形成纖維；隨著噴嘴的移動，就可以沉積成特定的圖案。但是纖維的直徑通常受噴嘴直徑的限制，而沉積的圖案受噴嘴移動路徑的限制。這些限制嚴重阻礙了直接墨水書寫3D打印技術的創新和應用。

【成果簡介】

近日，麻省理工學院的趙選賀教授（通訊作者）等人提出了一種新型的直接墨水書寫3D打印策略，利用粘彈性墨水的形變、不穩定性和斷裂，突破了直接墨水書寫3D打印技術中的限制。他們采用單一噴嘴打印出比噴嘴直徑分辨率更高的纖維，并且打印了有梯度的、可設計膨脹性能的3D結構。另外，本文還闡述了墨水的機械性能在3D打印技術中的重要作用。該研究成果以“A New 3D Printing Strategy by Harnessing Deformation, Instability, and Fracture of Viscoelastic Inks”為題發表在Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖1 .直接墨水書寫（DIW）3D打印的典型設置和打印參數

（a）DIW 3D打印的典型設置示意圖和相關參數。粘彈性墨水從噴嘴擠壓出來，內徑為D，擠出速度為C；對應噴嘴的移動速度為V，高度為H。

（b）通過改變打印參數，得到的各種模型。這表明以纖維分辨率不受噴嘴直徑限制，并且以一種高度可控的方式實現。

圖2 .定量化的相圖

定量化的相圖，用于指導粘彈性墨水打印模式的選擇。打印模式由無量綱參數（H*和V*）決定。根據相圖，就可以通過一種高度可預測的方式，選擇粘彈性墨水的打印模式。相圖右側的示意圖展示了每種模式下，打印的纖維形狀以及相對應的打印參數。

圖3.定量化相圖的實驗驗證

（a）不同打印參數下，打印纖維的實驗結果圖（比例尺為2 mm）。

（b）與圖a對應的實驗數據點圖。

（c）當H*=5時，d/D與V*之間的關系曲線。點對應著實驗數據，實曲線對應著理論預測。

圖4.利用單噴嘴打印不同直徑的纖維；基于平直的噴嘴運動路徑打印復雜圖案

（a）帶有標記符號的相圖（實圓點或者五角星）。

（b）利用單噴嘴，打印不同直徑的纖維；基于平直的噴嘴運動路徑，打印復雜圖案。每個打印條件與圖a中實圓點對應的條件相同。

（c）不同模式的連續切換，打印出多個非線性圖案和不同直徑的纖維。

圖5.通過改變纖維直徑打印不同的立體結構

（a）單噴嘴連續打印立體結構，其中纖維直徑不同。

（b）單噴嘴連續打印三層立體結構，且每層的纖維直徑不同。

圖6.可調的固化響應和梯度結構

（a）λL與1/V*關系曲線。

（b）在x軸和y軸方向呈現曲折圖案的網狀結構中，F與λ的關系曲線。

（c）僅在y 軸方向呈現曲折圖案的網狀結構中，F與λ的關系曲線。

（d）單噴嘴打印梯度網狀結構，同一層上纖維直徑不同。

（e）單噴嘴打印梯度網狀結構，不同層上纖維直徑不同。

（f）梯度3D打印結構的膨脹示意圖。

（g）有機溶劑中梯度致動器的不均勻膨脹響應。

【小結】

本研究介紹了一種新穎的3D打印技術，利用粘彈性墨水的形變、不穩定新和斷裂，突破了現有直接墨水書寫3D打印技術的局限。另外，研究人員構建了定量化的相圖，為打印參數選擇提供合理的指導，并且通過了相應的實驗驗證。這種相圖使得打印參數的選擇具有高度可預測性和可復制性。利用這種新穎的直接墨水書寫3D打印技術有三大優點。第一，不需要更換噴嘴，利用單一噴嘴就可以打印出不同直徑的纖維，并且其分辨率不受噴嘴直徑的限制；第二，通過改變打印參數，可以打印出各種非線性圖案；第三，可以連續切換不同模式。基于以上的創新性，這項技術可應用于多種粘彈性墨水材料的3D打印，進而廣泛應用于各個科學和工程領域。

文獻鏈接：A New 3D Printing Strategy by Harnessing Deformation, Instability, and Fracture of Viscoelastic Inks（Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201704028）

本文由材料人編輯部maggie編輯，周夢青審核，點我加入材料人編輯部。

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