Nature:靜電噴流偏轉(zhuǎn)3D打印亞微米級(jí)結(jié)構(gòu)，速度快1千到1萬(wàn)倍

南極熊導(dǎo)讀：又一篇突破性的3D打印技術(shù)論文登上Nature Communications。

2020年2月，西班牙的研究人員利用靜電噴流偏轉(zhuǎn)技術(shù)設(shè)計(jì)出了一種具有亞微米級(jí)特征的超快3D打印方法。

在詳細(xì)介紹這項(xiàng)新技術(shù)的論文中，作者解釋說(shuō)，他們創(chuàng)建靜電射流偏轉(zhuǎn)方法是為了克服現(xiàn)有快速成型制造技術(shù)在生產(chǎn)速度方面的限制。從他們的測(cè)試中，研究人員發(fā)現(xiàn)，靜電射流偏轉(zhuǎn)法可以通過(guò)將納米纖維以高達(dá)2000赫茲的逐層頻率堆疊在一起，實(shí)現(xiàn)3D打印出具有亞微米級(jí)特征的物體。

所達(dá)到的噴射速度和逐層頻率相當(dāng)于在平面方向上的打印速度高達(dá)0.5 m每秒，垂直方向上的打印速度為0.4 mm每秒，研究人員稱，這比同等精度特征尺寸的技術(shù) "快三到四個(gè)數(shù)量級(jí)"。

△3D打印墻體的示意圖

改善3D打印工藝

研究人員首先描述了快速成型制造技術(shù)為當(dāng)今生產(chǎn)帶來(lái)的好處，并寫(xiě)道："快速成型制造已經(jīng)成為分布式生產(chǎn)定制產(chǎn)品的新范式，在設(shè)計(jì)的幾何自由度、材料利用率和縮短交貨期等方面具有優(yōu)勢(shì)。"

盡管如此，現(xiàn)有3D打印工藝還有很多可以改進(jìn)的研究。例如，奧地利的研究人員探索了基于材料擠壓的快速成型制造方法（ME-AM/FDM/FFF）需要進(jìn)行必要的改進(jìn)，以 "迎接復(fù)雜工業(yè)應(yīng)用的挑戰(zhàn)"。其他的研究則著眼于研究粘結(jié)劑噴射工藝中快速打印速度的影響，特別是在表面粗糙度和密度均勻性方面。

如同許多旨在改進(jìn)現(xiàn)有快速成型制造工藝的研究論文一樣，作者表示，圍繞著當(dāng)前的3D打印技術(shù)存在著一些限制，即生產(chǎn)速度、材料的可用性和組合，以及對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)的控制，從而實(shí)現(xiàn)功能的控制。"此外，"作者還補(bǔ)充說(shuō)，"對(duì)于真正的分布式生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，能夠生產(chǎn)亞微米級(jí)特征的制造設(shè)備的成本和復(fù)雜性都讓人望而卻步。"
△a-c 實(shí)驗(yàn)性的PEO-PEDOT:PSS圖案的示意圖（上圖）和實(shí)驗(yàn)性的PEO-PEDOT:PSS圖案的光學(xué)照片（下圖）：a 無(wú)射流偏轉(zhuǎn)情況下獲得的纖維彎曲；b 在機(jī)械平臺(tái)平移的軸線上使用1D射流偏轉(zhuǎn)獲得的鋸齒圖案；c 使用2D射流偏轉(zhuǎn)獲得的圓形圖案。d，e 使用兩個(gè)射流偏轉(zhuǎn)電極來(lái)定義圖案和機(jī)械臺(tái)在印刷事件之間轉(zhuǎn)換襯底的機(jī)械臺(tái)來(lái)轉(zhuǎn)換襯底，印刷的更復(fù)雜的2D圖案的光學(xué)照片。使用含有Ag NPs的4.7wt％PEO油墨打印這些圖案�？潭葪l（D，E）：1毫米。

特別是，基于噴嘴的3D打印技術(shù)提供了一個(gè)很好的例子，這種工藝提供了 "無(wú)與倫比的通用性"，因?yàn)樗�可以用不同程度的材料制作物體，從聚合物、金屬、陶瓷、木材、甚至生物組織等不同的材料。"這種無(wú)可比擬的材料通用性源于金屬或聚合物熔體或溶劑型油墨的使用，其配方可以包含離子、分子、納米粒子甚至活細(xì)胞形式的任何成分。"研究人員解釋說(shuō)。

然而，目前基于噴嘴的3D打印技術(shù)相對(duì)較慢，打印分辨率有限，因?yàn)榇蛴〕龅木�條寬度與噴嘴孔徑相關(guān)，通常都在幾十微米以上。即使使用較小的噴嘴孔徑，那么在打印過(guò)程中也容易出現(xiàn)頻繁的堵塞和高粘性損失。

使用靜電射流偏轉(zhuǎn)技術(shù)

作者提出，與其他基于噴嘴的3D打印方法相比，一種電水動(dòng)力（EHD）噴射策略是獨(dú)一無(wú)二的，2019年，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員證明了這一點(diǎn)。"EHD噴射可以在沒(méi)有噴嘴堵塞風(fēng)險(xiǎn)的情況下打印亞微米級(jí)的結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗�可以使用多種多樣的油墨從寬的噴嘴孔徑產(chǎn)生納米級(jí)的噴射，粘度超過(guò)幾個(gè)數(shù)量級(jí)。"

△3D打印圓柱體的示意圖。圖片來(lái)自Nature Communications。

然而，EHD噴射技術(shù)還沒(méi)有完全開(kāi)發(fā)出廣泛的應(yīng)用，因?yàn)殡娀�射流的速度太快了，機(jī)械級(jí)的速度相對(duì)較慢，無(wú)法精確收集材料。"目前基于EHD射流的系統(tǒng)是利用機(jī)械級(jí)來(lái)定位打印材料。然而，機(jī)械級(jí)只能匹配電化噴流在長(zhǎng)直線上的巨大速度，但無(wú)法達(dá)到在印刷小的復(fù)雜圖案時(shí)維持這種速度所需的巨大加速度。"作者補(bǔ)充道。

為了克服EHD噴印工藝的局限性，研究人員提議使用電極來(lái)改造電場(chǎng)。利用傳統(tǒng)的EHD打印機(jī)，研究人員將電極放置在射流周圍，并控制電極的電壓，使其在橫向加速度高達(dá)106米/秒的情況下連續(xù)調(diào)整其軌跡。這使得射流實(shí)現(xiàn)了超快的靜電偏轉(zhuǎn)，使得納米纖維被堆疊起來(lái)，以打印出具有亞微米級(jí)特征的3D物體。

從他們的測(cè)試來(lái)看，研究人員能夠通過(guò)逐層沉積的材料來(lái)3D打印物體，其高度可達(dá)100微米，并且具有非常高的縱橫比和高速度。"快速噴射和這些高的逐層頻率轉(zhuǎn)化為平面內(nèi)0.5米/秒和平面外0.4毫米/秒的打印速度，即在垂直方向上，比擠壓和按需滴入式EHD技術(shù)在產(chǎn)生同等尺寸特征時(shí)，要快三到四個(gè)數(shù)量級(jí)。"

在論文的最后，研究人員表示，他們?cè)谡撐闹兴�展示的EHD射流偏轉(zhuǎn)打印的優(yōu)勢(shì)，有可能使該技術(shù)向3D物體的超快快速添加式微制造靠近。這篇題為《利用靜電射流偏轉(zhuǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)具有亞微米級(jí)特征的超快3D打印》Ultrafast 3D printing with submicrometer features using electrostatic jet deflection的論文由Ievgenii Liashenko、Joan Rosell-Llompart和Andreu Cabot撰寫(xiě)。該論文發(fā)表在《自然通訊》雜志上。
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