《自然通訊》:佛羅里達(dá)大學(xué)研究者提出蒸汽誘導(dǎo)相分離3D打印，簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)！

2024年4月，南極熊獲悉，來(lái)自佛羅里達(dá)大學(xué)的工程師開(kāi)發(fā)了一種稱(chēng)為蒸汽誘導(dǎo)相分離 3D 打印 (VIPS-3DP) 的制造方法，可以創(chuàng)建單一材料和多材料物體。佛羅里達(dá)大學(xué)機(jī)械與航空航天工程系教授Yong Huang 博士解釋說(shuō)，這一方法不僅具有成本效益，還具備可持續(xù)性，為制造商提供了一種簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)的解決方案。研究?jī)?nèi)容已經(jīng)發(fā)表在《Nature Communications》期刊上，題目為《Vapor-induced phase-separation-enabled versatile direct ink writing》(《具有蒸汽誘導(dǎo)相分離功能的多功能直接墨水書(shū)寫(xiě)》）。



VIPS-3DP的詳細(xì)工作原理：


△VIPS-3DP 流程示意圖

●墨水選擇：VIPS-3DP使用聚合物基液體作為“墨水”，含有金屬或陶瓷顆粒。
●蒸汽誘導(dǎo)的相分離過(guò)程：當(dāng)使用這種墨水進(jìn)行打印時(shí)，非溶劑蒸氣被釋放到打印區(qū)域，即墨水的液體成分固化，形成固體材料。
●低揮發(fā)性溶劑：VIPS-3DP中的溶解聚合物墨水在霧化非溶劑的存在下沉積。由于低揮發(fā)性溶劑與非溶劑具有更強(qiáng)的化學(xué)親和力，低揮發(fā)性溶劑會(huì)以受控方式從長(zhǎng)絲中萃取出來(lái)。
●環(huán)保和可持續(xù)性：溶劑的低揮發(fā)性允許其在打印后回收，從而最大限度地減少其對(duì)環(huán)境的影響。


△Yong Huang 博士——佛羅里達(dá)大學(xué)機(jī)械與航空航天工程系教授

VIPS-3DP中的打印速度由油墨的固化速率決定，固化速率受非溶劑蒸氣的擴(kuò)散速度、相分離過(guò)程中聚合物分層速率、非溶劑濃度（在這種情況下為相對(duì)濃度）等因素的影響。濕度）和聚合物濃度。類(lèi)似地，打印分辨率受到給定聚合物墨水的最小可用噴嘴尺寸的限制。在設(shè)計(jì)階段考慮使用 VIPS-3DP 工藝創(chuàng)建的聚合物部件的打印后變化非常重要，因?yàn)檫@些變化是由于凝固的相分離機(jī)制而發(fā)生的。

研究擴(kuò)展
●首先，研究人員展示了 VIPS-3DP 在聚合物打印中的用途，強(qiáng)調(diào)了其創(chuàng)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力。
●然后，通過(guò)使用 VIPS-3DP 來(lái)沉積聚合物基金屬油墨和復(fù)合粉末負(fù)載聚合物油墨來(lái)對(duì)此進(jìn)行應(yīng)用擴(kuò)展，這些油墨在應(yīng)用熱循環(huán)后可以轉(zhuǎn)化為金屬零件或復(fù)合材料�！翊送猓琕IPS-3D打印方法通過(guò)控制打印路徑并采用無(wú)機(jī)空間保持劑作為絲內(nèi)致孔劑，有利于多孔結(jié)構(gòu)和功能梯度部件的生產(chǎn)。

Yong Huang 博士解釋說(shuō)，VIPS-3DP 工藝允許制造商 3D 打印具有不同孔隙率水平的多材料零件，這意味著用不同的物質(zhì)和不同程度的小孔或間隙來(lái)制造結(jié)構(gòu)。通過(guò)調(diào)整打印條件和過(guò)程中使用的犧牲材料的量來(lái)調(diào)節(jié)物體的孔隙率，對(duì)于制造多孔醫(yī)療植入物或輕型航空航天產(chǎn)品來(lái)說(shuō)是有利的。

論文的第一作者、實(shí)驗(yàn)室的博士研究生 Marc Sole-Gras 補(bǔ)充說(shuō)，這種方法在制造具有不同孔隙率水平的金屬產(chǎn)品方面顯示出特別的前景。例如，它可用于骨組織工程，打印與人體細(xì)胞良好整合的植入物。與傳統(tǒng)打印方法相比，VIPS-3DP 工藝具有制造優(yōu)勢(shì)和可持續(xù)性?xún)?yōu)勢(shì)，利用可持續(xù)材料并消耗更少的能源。


△基于ABS的打印結(jié)果

總結(jié)
研究證明了 VIPS-3DP 工藝通過(guò)利用霧化非溶劑實(shí)現(xiàn)固化來(lái)打印聚合物零件的有效性，所使用的溶劑可以重復(fù)使用，從而提高過(guò)程效率。這種凝固機(jī)制還可以應(yīng)用于使用聚合物膠體墨水打印復(fù)合部件，從而可以制造聚合物金屬和聚合物陶瓷產(chǎn)品。

然而，VIPS 概念對(duì)于基于陶瓷和金屬顆粒的懸浮液的固化和粘合是必需的，通過(guò)引入熱循環(huán)來(lái)去除聚合物并誘導(dǎo)固態(tài)燒結(jié)，可以制造純金屬、陶瓷和復(fù)合材料零件。此外，VIPS-3DP 工藝可以通過(guò)使用混合器結(jié)合長(zhǎng)絲間和長(zhǎng)絲內(nèi)的孔隙率來(lái)創(chuàng)建具有不同孔隙度水平的零件。這些部件可能會(huì)在多尺度孔隙骨植入物等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

VIPS-3DP 提供了一種打印工程聚合物的替代方法，無(wú)需加熱或針對(duì)特定的固化機(jī)制進(jìn)行定制，還可以使用聚合物作為粘合劑材料創(chuàng)建異質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)。但是，由于存在相分離過(guò)程，所得的微觀結(jié)構(gòu)將是多孔的，對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)可能是有利的。對(duì)于需要承載性能的應(yīng)用，需要進(jìn)一步研究以了解使用犧牲模板添加劑的打印過(guò)程如何影響或控制孔徑。


△不銹鋼 316L 零件的 VIPS-3DP 工藝說(shuō)明

此項(xiàng)研究已獲得兩項(xiàng)專(zhuān)利，并得到了包括美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和能源部在內(nèi)的聯(lián)邦機(jī)構(gòu)的資助。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47452-9