《Nature》子刊：提速10000倍！超高速噴射3D打�。焊呔�度、快速打印100nm結(jié)構(gòu)

來源：高分子科學(xué)前沿

增材制造技術(shù)，即3D打印技術(shù)，能夠加工傳統(tǒng)成型方式難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有材料利用率高和成型速度快等優(yōu)點(diǎn)。其中，基于從噴嘴噴出熔體或者油墨的3D打印方式可以實(shí)現(xiàn)幾乎任何物質(zhì)的加工，包括聚合物、金屬、陶瓷、木材以及生物組織等。但是，目前基于噴嘴的3D打印技術(shù)存在打印速度慢和打印精度低等缺點(diǎn)，限制了材料多功能性的開發(fā)。

西班牙羅維拉-威爾吉利大學(xué)Joan Rosell-Llompart和Andreu Cabot等人通過在噴嘴周圍外加電壓，實(shí)現(xiàn)了以高達(dá)100萬m/s2橫向加速度來調(diào)節(jié)打印路徑，同時(shí)以高達(dá)2000 Hz逐層堆疊頻率將納米纖維打印成具有亞微米特征的三維結(jié)構(gòu)，面內(nèi)和垂直方向打印速度分別可以達(dá)到0.5m/s和0.4mm/s，比現(xiàn)有技術(shù)提升了3-4個(gè)數(shù)量級(jí)。相關(guān)工作以“Ultrafast 3D printing with submicrometer features using electrostatic jet deflection”為題，發(fā)表于《Nature Communications》上。

打印原理

為了有效地減小打印線的尺寸，通過在噴嘴和打印襯底之間施加的電場(chǎng)來吸引熔體或油墨，而不是迫使材料從非常細(xì)的噴嘴擠出。一旦作用在液體表面上的電應(yīng)力克服表面張力，液面便會(huì)形成一個(gè)泰勒錐，從而將很細(xì)的墨水射流快速地推向打印襯底。此外，研究人員在射流周圍外加電極，這些電極能夠改變射流附近的電場(chǎng)，使其偏離原始軌跡，并以此可以控制其到達(dá)襯底的位置。隨后與傳統(tǒng)的3D打印過程一樣，逐層堆積直至形成所需的三維結(jié)構(gòu)。

圖1 靜電控制射流軌跡

在上述打印過程中，射流的偏轉(zhuǎn)角度取決于電場(chǎng)變化的幅度和頻率。施加小幅度電壓時(shí)，射流呈現(xiàn)隨電壓幅度線性變化的小偏轉(zhuǎn)角（<15°）；較高的電壓幅度則會(huì)導(dǎo)致射流偏轉(zhuǎn)角非線性增加。在低頻下，較小的振幅會(huì)導(dǎo)致纖維發(fā)生彎曲，而較大的振幅會(huì)產(chǎn)生直纖維，隨著射流偏轉(zhuǎn)頻率的增加，彎曲的幅度會(huì)減小。

圖2 射流偏轉(zhuǎn)參數(shù)的作用

二維圖案與三維結(jié)構(gòu)的打印
由于射流僅在一個(gè)軸上發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此可以沉積厚度低至100nm的纖維和最大2mm圖案的纖維。使用至少兩個(gè)電極可以使射流沿著基板平面在任何方向上偏轉(zhuǎn)，能夠產(chǎn)生具有任何形狀的2D結(jié)構(gòu)。此外，研究人員通過將射流偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)與機(jī)械平臺(tái)耦合并使之同步，將微觀特征的快速打印擴(kuò)展到更大的區(qū)域。

圖3 2D圖案的打印

在上述打印2D圖案的基礎(chǔ)上，通過連續(xù)逐層沉積材料來打印3D對(duì)象，可以制作出高度達(dá)100μm且縱橫比非常高的3D結(jié)構(gòu)，例如高度與厚度比遠(yuǎn)高于1000的墻壁也能很容易被打印出來。研究人員選用的是電導(dǎo)率相對(duì)較低的PEO油墨，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)2000 Hz逐層堆疊頻率，轉(zhuǎn)換成面內(nèi)打印速度最高可達(dá)0.5m/s，垂直方向打印速度高達(dá)0.4mm/s。通過增加打印材料的電導(dǎo)率或使用適當(dāng)?shù)臍夥�，可以進(jìn)一步提高3D打印的速度。

圖4 3D墻的打印

3D結(jié)構(gòu)的打印還需要考慮到溶劑的蒸發(fā)速率，溶劑的蒸發(fā)速率必須足夠低，以確保噴嘴不會(huì)阻塞，但蒸發(fā)速率又必須足夠高，以使打印襯底的材料快速干燥。在噴嘴到達(dá)襯底時(shí)保持較低的粘度的墨水，可以獲得較小的曲率半徑，而打印纖維橋需要使用具有較高粘度的墨水。此外，一旦材料被打印，隨后的溶劑蒸發(fā)和體積損失可能會(huì)導(dǎo)致纖維收縮，從而對(duì)3D結(jié)構(gòu)的幾何保真度產(chǎn)生負(fù)面影響。在打印過程中，可以通過改變墨水成分和調(diào)整環(huán)境條件來控制甚至避免收縮。

圖5 3D結(jié)構(gòu)的打印

材料的多功能性是噴射3D打印的主要優(yōu)勢(shì)，除了可以打印由PEO制成的墨水，還可以合理設(shè)計(jì)墨水配方實(shí)現(xiàn)其他聚合物3D結(jié)構(gòu)的打印，例如將PEO和PEDOT-PSS進(jìn)行復(fù)合，或者是引入各種納米顆粒到油墨中。此外，還能通過打印含有分子前驅(qū)體或金屬鹽的墨水，進(jìn)一步退火處理后得到無機(jī)結(jié)構(gòu)，也可以拓展至生物組織或者活細(xì)胞等的3D打印。

圖6 壁微結(jié)構(gòu)的控制

對(duì)比能夠以亞微米分辨率打印的增材制造技術(shù)，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)制造具有較小特征的物體時(shí)，打印速度會(huì)急劇下降；打印分辨率每增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，打印速度就會(huì)降低4個(gè)數(shù)量級(jí)。在這種情況下，研究人員開發(fā)的這種打印方式可以實(shí)現(xiàn)以高達(dá)105μm3/s的打印速度來打印小至100 nm的結(jié)構(gòu)，即確保高打印精度下實(shí)現(xiàn)了高速打印。

圖7 增材制造技術(shù)對(duì)比

小結(jié)
研究人員在噴嘴周圍外加電極，通過快速調(diào)節(jié)電極周圍的靜電場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)基于噴嘴3D打印技術(shù)的快速打印。平面內(nèi)打印速度最高可達(dá)0.5 m/s，垂直方向打印速度高達(dá)0.4 mm/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了所有已知的能夠?qū)崿F(xiàn)亞微米分辨率的增材制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了任意成分、多種微觀結(jié)構(gòu)和多功能的3D制件的超高速制造。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-14557-w