液體作為支撐？液固共印噴射3D打印技術(shù)登上《Additive Manufacturing》

南極熊導(dǎo)讀：多材料噴射增材制造工藝是將模型的材料和支撐材料（二者都為微尺度液滴）都沉淀下來，逐層構(gòu)建三維（3D）部件。研究表明，液體作為支持材料有其獨特的優(yōu)勢，因為液體可以很容易地從微通道中清除，也可以作為工作液體，永久地留在打印模型中。然而，由于缺乏對多材料液固共印過程和機制的詳細了解，限制了液體打印的發(fā)展。

2022年4月，南極熊獲悉，科羅拉多大學(xué)博爾德分校機械工程系的研究者對液固材料共同液固共印的打印機理，并制作了一款微流體裝置。這項研究內(nèi)容被發(fā)表在《Additive Manufacturing》中，題目為《Liquid-solid co-printing of multi-material 3D fluidic devices via material jetting》(《通過材料噴射實現(xiàn)多材料3D流體裝置的液固共印》)，下面讓我們具體看下他們的研究內(nèi)容吧。

在此研究中，研究人員提出了對一個關(guān)鍵詞，這就是“液固共印”，指在多材料噴射過程中對固化和非固化材料進行共沉積。在這一過程中，需要用到凝固材料，如相變油墨，在沉積后不久就會硬化并表現(xiàn)出剪切模量的急劇增加，而非凝固材料在沉積后仍是液體。在多材料噴射3D打印的背景下，研究人員將這兩類材料結(jié)合起來，利用液體形成支撐，便于去除或者將液相材料嵌入到打印的多材料物體中。這種方法可以直接沉積化學(xué)反應(yīng)物，并解決了材料噴射增材制造中的一個長期挑戰(zhàn)：如何在3D打印后清除長的曲折的內(nèi)部通道。研究人員預(yù)計，多材料噴射的液固共印技術(shù)能夠打印流體邏輯電路、電化學(xué)傳感器和放大器等3D模型微小且復(fù)雜的部件。

材料噴射打印
材料噴射3D打印是使用噴墨技術(shù)沉積微尺度的材料液滴。因此，相對于其他增材制造方法，它在打印過程中能夠沉積不同的材料且能提供快速的轉(zhuǎn)換，并具有高產(chǎn)量，同時提供大的構(gòu)建體積（>30升是很常見的），特征尺寸低于150微米。因此，它已被廣泛用于制造帶有嵌入式流體電路的軟體機器人，以及帶有微流體通道的設(shè)備（盡管需要大量的手工后處理）。在增材制造方面，材料噴射提供了一種獨特的能力：不同墨水的皮升級液滴在幾乎相同的時間內(nèi)能夠快速而精確地沉積，使具有廣泛差異的機電和化學(xué)特性的材料形成具有機械梯度的復(fù)合材料，包括半導(dǎo)體和電路的活性部件，以及無需額外組裝的功能性 "就地打印 "物體。因此，它為整個就地打印功能系統(tǒng)的融合、集成制造提供了新的途徑。

液固共印理論與機制
按照一般的Polyjet方法，該過程首先沉積一層初始的剛性材料，以促進對構(gòu)建平臺的粘附，然后是幾層固體支撐，以提供結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和打印部件的統(tǒng)一基礎(chǔ)。然后按照設(shè)計的幾何形狀沉積光敏樹脂液滴。與普通的Polyjet打印過程不同，液固協(xié)同打印沉積非光固化材料（在這項工作中，研究人員使用Stratasys模型清洗液，在此稱為 "液體 "或 "非固化液體"）。

沉積的液體量可以通過改變壓電驅(qū)動電壓來控制，允許液體材料噴射不足或過度噴射（定義為當每個液滴中沉積的液體量分別低于或高于目標體素體積）。隨著液體的沉積，它被周圍的光固化材料（同時沉積的）所包含，產(chǎn)生了液體與墻壁的相互作用。一旦達到封蓋層（定義為液體區(qū)域頂部的第一個光固化材料層），光固化液滴沉積在液體界面上，引起液滴-液體的相互作用，使液體能夠作為材料噴射的支撐材料。打印過程以仿真的形式展示，我們可以清晰地看到打印的液滴在打印過程中的變化。


△液固共印機制示意圖


△非凝固性液體沖擊的實驗與仿真


△微尺度的液固共印機理模擬


△微尺度的蓋層模擬

研究人員通過高速成像、CFD和實驗對液固共印過程的基本理解和表征。液固共印過程被分解成液滴-液體相互作用和液壁相互作用。在單個液滴尺度（光敏樹脂液滴對液體表面的影響）以及系統(tǒng)尺度（涉及數(shù)十萬液滴對液體表面影響的蓋層）研究了液滴-液體的相互作用。研究發(fā)現(xiàn)，在Polyjet與Stratasys樹脂的液固共印中，非固化液體的表面張力支持光聚合物液滴在液體表面進行光聚合，形成固體材料層。在使用任何工作液體和光敏樹脂的組合時，有四種潛在的支配力平衡情況。(1）光敏樹脂的密度小于非固化液體，表面張力顯著；（2）光敏樹脂的密度小于非固化液體，表面張力可以忽略不計；（3）光敏樹脂的密度大于非固化液體，表面張力顯著；以及（4）光敏樹脂的密度大于非固化液體，表面張力力可以忽略不計。

液固共印應(yīng)用
隨著流體電路擴展到三維，從復(fù)雜的設(shè)計中清除支撐材料變得越來越困難，如分支通道或內(nèi)部閥門。液固共印技術(shù)提供了一種加速制造帶有集成閥的平面和三維流體電路的手段，這種電路可以在幾小時內(nèi)打印出來并容易進行后期處理。研究人員證明了液固共印這種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)平面、三維和多材料的微/網(wǎng)格流體，因為通過對通道施加適度的壓力差，液體可以很容易地從微/網(wǎng)格流體通道中清除出來。

△打印的平面微流體模型


△三維和多材料的微/網(wǎng)格流體模型

研究人員利用液體作為材料噴射工作的材料。在這里，液體既可以是一種“犧牲品”，如在微/中流體通道中，也可以在打印時被永久地留入到一個部件中，如液壓機器人或微通道中的試劑。這是第一項解釋使用液體作為支持材料機制的研究，以及利用模擬和實驗方法詳細描述液體-固體共印過程的研究。

更多內(nèi)容請下載原文查看：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102785