研究人員使用超疏水性篩子緩解了3D打印需求下降的弊端

來源：白令三維

從研究納米科學(xué)中心和工程處（焚香）印度科學(xué)研究所，班加羅爾，已經(jīng)開發(fā)出一種跌落沖擊的3D打印技術(shù)，使用，取而代之的是噴嘴分配液滴的超疏水篩。

大多數(shù)微滴打印技術(shù)都使用基于噴嘴的分配技術(shù)，在該技術(shù)中，噴嘴會集中施加的力并確定液滴的大小。但是，使用這些技術(shù)時，噴嘴可能會堵塞，并且可能會形成液滴形成過程中不需要的“衛(wèi)星滴”。

根據(jù)研究人員的說法，他們的方法減輕了這些問題，并且由于其簡單，易于操作和經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢，因此比現(xiàn)有的液滴打印技術(shù)更容易獲得。

超疏水篩
研究人員提出的技術(shù)基于液滴與超疏水篩接觸時的影響。超疏水性是指極難潤濕的表面，在蓮花植物的超疏水性葉子上也被稱為“蓮花效應(yīng)”。

一旦從高處釋放，液滴在與篩子接觸時產(chǎn)生的沖擊會產(chǎn)生類似于波紋的毛細(xì)波，從而導(dǎo)致在液滴與篩子之間形成氣腔。在液滴的反沖階段，氣腔塌陷，從中產(chǎn)生單個微滴。研究人員將此過程稱為“反沖彈射”。可以通過改變篩子表面的形貌來控制微滴的大小，從而改變空腔的塌陷動力學(xué)。

在測試階段，使用具有各種開孔的超疏水篩網(wǎng)來探索可能產(chǎn)生的最小和最大噴射液滴。液滴撞擊的結(jié)果取決于撞擊液滴的動態(tài)壓力與篩子的穿透壓力之間的平衡。簡而言之，成功取決于在液滴的下落力和穿透篩子所需的力之間取得適當(dāng)?shù)钠胶狻?br />
與傳統(tǒng)的噴墨打印相比，這種按需滴涂技術(shù)可以打印具有高質(zhì)量負(fù)載的墨滴，具有打印大顆粒的能力，并且可以打印多種墨滴。該方法還涉及簡單的設(shè)置和較低的運(yùn)營成本，盡管研究人員指出，打印分辨率和準(zhǔn)確性不如其他一些技術(shù)，例如電動流體力學(xué)（EHD）打印。

這種技術(shù)的另一個好處是可以輕松，即時地重新配置不同大小的微滴。只需將篩子換成具有所需孔口的篩子，即可繼續(xù)進(jìn)行印刷過程。

跌落沖擊式印刷技術(shù)的機(jī)理和解釋。

打印大顆粒和大量裝載
大顆粒的印刷對于諸如細(xì)胞懸浮液，功能化微珠和牙科義齒的3D微粒結(jié)構(gòu)等應(yīng)用是必需的。

在傳統(tǒng)的基于噴嘴的噴墨打印機(jī)中，噴嘴直徑限制了可以打印的顆粒尺寸。當(dāng)打印大顆粒時，可能會發(fā)生噴嘴堵塞，如果無法修復(fù)，則更換噴嘴的成本很高。根據(jù)研究人員的說法，噴嘴直徑應(yīng)比粒徑大100倍，以避免堵塞。但是，他們觀察到通過用超疏水篩網(wǎng)更換噴嘴，該比率降低到只有4，從而大大改善了大顆粒的液滴印刷性能。

具有較高質(zhì)量負(fù)載的印刷油墨是有益的，因?yàn)樗鼫p少了獲得更高厚度所需的重印次數(shù)，但是隨著油墨粘度的增加，懸浮液的噴射變得更加困難。使用超疏水篩，研究人員能夠?qū)�厚度�?6.9 m的液滴實(shí)現(xiàn)71％的最大質(zhì)量負(fù)載，而使用噴嘴時約為45％。

大顆粒尺寸的無堵塞打印和更高質(zhì)量的打印。

生物應(yīng)用打印
能夠在室溫下打印微陣列（例如細(xì)菌，DNA和細(xì)胞）以進(jìn)行基因表達(dá)分析，單細(xì)胞打印，基礎(chǔ)生物細(xì)胞研究和生物聚合物打印的能力是生物科學(xué)領(lǐng)域非常關(guān)注的領(lǐng)域。研究人員提出的這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)過測試，可以打印少量的生物樣品和分子。

在載玻片上單滴打印紅細(xì)胞懸液。分析表明，隨著濃度的增加，每個小滴的細(xì)胞數(shù)也增加，而在小滴內(nèi)仍保持隔離狀態(tài)。這使研究人員的樣品量很小，可以彼此隔離，并減少了移液和放置樣品所需的時間。該研究擴(kuò)展到在單個液滴中打印單個細(xì)胞，表明該方法具有無阻塞打印大型細(xì)胞的潛力，可用于各種應(yīng)用。

為了實(shí)現(xiàn)在3D打印應(yīng)用中打印粘性生物墨水的可能性，使用了聚丙烯酸作為模型打印液體。一旦固化，結(jié)果是微米尺寸的聚合物微柱。

生物溶液和生物聚合物的滴落式?jīng)_擊印刷。

電子應(yīng)用打印
研究人員的按需印刷技術(shù)也可以應(yīng)用于柔性電子應(yīng)用的導(dǎo)電材料印刷。使用銀墨溶液印刷導(dǎo)電線，該溶液最初在單層印刷中針對導(dǎo)電性進(jìn)行了優(yōu)化，然后在玻璃基板上印刷了聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT：PSS）以產(chǎn)生二極管。

研究人員還在柔性膠帶上印刷了LED的連接，在柔性基板上印刷了字母，并使用具有不同孔開口的篩子進(jìn)行了3D打印的鋯二極管柱。還可以通過在單個篩子上的多次滴落撞擊來縮放印刷過程，其優(yōu)點(diǎn)是易于處理且具有成本效益的電子應(yīng)用大面積印刷。

用于大面積制造和柔性電子應(yīng)用的導(dǎo)電材料的印刷。

使用超疏水篩網(wǎng)按需印刷的好處
總而言之，這項(xiàng)研究提出了一種按需投放的3D打印技術(shù)，其設(shè)計相對簡單，因此安裝成本較低。如前所述，使用超疏水篩代替復(fù)雜的噴嘴可進(jìn)一步降低該方法的運(yùn)行成本，同時消除了堵塞和產(chǎn)生有害衛(wèi)星滴的風(fēng)險。另外，該方法除了將噴射墨水的泵外，不需要任何電磁，磁力或波力。

該技術(shù)的多功能性也使其適用于幾種不同應(yīng)用中的多種打印解決方案，例如用于牙齒修復(fù)和建筑模型的基于陶瓷的3D打印，分配生物樣本，3D器官打印以及用于電子應(yīng)用的打印。

有關(guān)該研究的更多信息，請參見《自然》雜志上發(fā)表的“ Drop Impact Printing ”一文。該研究由C. Modak，A。Kumar，A。Tripathy和P. Sen合著。

點(diǎn)按式3D打印的進(jìn)步
僅在過去的一年中，按需滴加制造領(lǐng)域就出現(xiàn)了幾項(xiàng)創(chuàng)新，特別是在合成棉紙和軟機(jī)器人的3D打印方面。

6月，牛津大學(xué)的研究人員改進(jìn)了 單液滴分辨率3D生物打印過程，使他們能夠更精確地創(chuàng)建合成組織。該技術(shù)可以使復(fù)雜的合成組織（如粘性巨大的單層囊泡或蛋白質(zhì)隔室）的3D打印成為可能。同時，來自加州大學(xué)戴維斯分校的研究人員 發(fā)表了一篇論文，詳細(xì)介紹了一項(xiàng)新技術(shù)，該技術(shù)涉及使用基于液滴的多相微流體系統(tǒng)來高效地3D打印微調(diào)的柔性材料。該技術(shù)的潛在應(yīng)用包括軟機(jī)器人，組織工程和可穿戴技術(shù)。

在其他地方，蒙特利爾大學(xué)的科學(xué)家 開發(fā)了一種新的細(xì)胞生物打印方法，稱為激光誘導(dǎo)側(cè)轉(zhuǎn)移（LIST），該方法利用低能納秒激光和微流動力學(xué)定律將活細(xì)胞彼此噴射�？茖W(xué)家團(tuán)隊(duì)使用LIST方法部分打印了人的臍靜脈，并相信他們的工作將來可用于3D藥物篩選模型和人造組織。

最近，來自 中國科學(xué)院 和 麻省理工學(xué)院的研究 人員成功地開發(fā)了一種3D打印方法，該方法可以從單個樹脂液滴中產(chǎn)生可控制的3D結(jié)構(gòu)。為了說明該方法的可控制性，研究人員通過使用UV投影儀，UV透明固化界面以及安裝在移動平臺上的鋁支撐板，從一滴樹脂中打印出臼齒，門齒和犬齒。