Nature:靜電噴流偏轉3D打印亞微米級結構，速度快1千到1萬倍

南極熊導讀：又一篇突破性的3D打印技術論文登上Nature Communications。

2020年2月，西班牙的研究人員利用靜電噴流偏轉技術設計出了一種具有亞微米級特征的超快3D打印方法。

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

所達到的噴射速度和逐層頻率相當于在平面方向上的打印速度高達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 "快三到四個數(shù)量級"。

△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為當今生產(chǎn)帶來的好處，并寫道："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，在設計的幾何自由度、材料利用率和縮短交貨期等方面具有優(yōu)勢。"

盡管如此，現(xiàn)有3D打印工藝還有很多可以改進的研究。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）需要進行必要的改進，以 "迎接復雜工業(yè)應用的挑戰(zhàn)"。其他的研究則著眼于研究粘結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，圍繞著當前的3D打印技術存在著一些限制，即生產(chǎn)速度、材料的可用性和組合，以及對材料微觀結構的控制，從而實現(xiàn)功能的控制。"此外，"作者還補充說，"對于真正的分布式生產(chǎn)來說，能夠生產(chǎn)亞微米級特征的制造設備的成本和復雜性都讓人望而卻步。"
△a-c 實驗性的PEO-PEDOT:PSS圖案的示意圖（上圖）和實驗性的PEO-PEDOT:PSS圖案的光學照片（下圖）：a 無射流偏轉情況下獲得的纖維彎曲；b 在機械平臺平移的軸線上使用1D射流偏轉獲得的鋸齒圖案；c 使用2D射流偏轉獲得的圓形圖案。d，e 使用兩個射流偏轉電極來定義圖案和機械臺在印刷事件之間轉換襯底的機械臺來轉換襯底，印刷的更復雜的2D圖案的光學照片。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打印技術提供了一個很好的例子，這種工藝提供了 "無與倫比的通用性"，因為它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、納米粒子甚至活細胞形式的任何成分。"研究人員解釋說。

然而，目前基于噴嘴的3D打印技術相對較慢，打印分辨率有限，因為打印出的線條寬度與噴嘴孔徑相關，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。

使用靜電射流偏轉技術

作者提出，與其他基于噴嘴的3D打印方法相比，一種電水動力（EHD）噴射策略是獨一無二的，2019年，蘇黎世聯(lián)邦理工學院的研究人員證明了這一點。"EHD噴射可以在沒有噴嘴堵塞風險的情況下打印亞微米級的結構，因為它可以使用多種多樣的油墨從寬的噴嘴孔徑產(chǎn)生納米級的噴射，粘度超過幾個數(shù)量級。"

△3D打印圓柱體的示意圖。圖片來自Nature Communications。

然而，EHD噴射技術還沒有完全開發(fā)出廣泛的應用，因為電化射流的速度太快了，機械級的速度相對較慢，無法精確收集材料。"目前基于EHD射流的系統(tǒng)是利用機械級來定位打印材料。然而，機械級只能匹配電化噴流在長直線上的巨大速度，但無法達到在印刷小的復雜圖案時維持這種速度所需的巨大加速度。"作者補充道。

為了克服EHD噴印工藝的局限性，研究人員提議使用電極來改造電場。利用傳統(tǒng)的EHD打印機，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106米/秒的情況下連續(xù)調(diào)整其軌跡。這使得射流實現(xiàn)了超快的靜電偏轉，使得納米纖維被堆疊起來，以打印出具有亞微米級特征的3D物體。

從他們的測試來看，研究人員能夠通過逐層沉積的材料來3D打印物體，其高度可達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技術在產(chǎn)生同等尺寸特征時，要快三到四個數(shù)量級。"

在論文的最后，研究人員表示，他們在論文中所展示的EHD射流偏轉打印的優(yōu)勢，有可能使該技術向3D物體的超快快速添加式微制造靠近。這篇題為《利用靜電射流偏轉技術實現(xiàn)具有亞微米級特征的超快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。該論文發(fā)表在《自然通訊》雜志上。
鏈接：https://pan.baidu.com/s/1jTCVEZ_QXHjsK0ITEIyI6Q
提取碼：yaeo