《Materials Today》:垂直打印自支撐柱狀陣列

近年來,各種各樣的增材制造技術日漸成熟,在制造業中開始發揮重要作用。其中,直接墨水書寫(DIW)由於其簡單普適性,在材料和組織工程等領域引起瞭廣泛的關註和研究。通常情況下,打印墨水僅能按照X-Y平面中的設定路徑在Z方向上逐層堆積成型,這種方法適用於大多數結構的打印。但是,對於極端情況(如柱狀陣列),如果仍采用切片和逐層堆積的方式進行打印,打印結構的分辨率會受限於噴嘴和路徑設計,打印結構表面不平整。

《Materials Today》:垂直打印自支撐柱狀陣列

近日,葡萄牙阿威羅大學José M.F. Ferreira人受噴墨打印的按需滴落(DOD)方法啟發,開發瞭基於直接墨水書寫(DIW)的按需送絲(FOD)方法,首次在垂直方向上3D打印出自支撐的柱狀陣列,適用於陶瓷和金屬油墨等多種材料的打印,有望應用於打印人體組織、器官、功能器件等諸多領域。相關工作以“3D printing vertically: Direct ink writing free-standing pillar arrays”為題,近日發表於《Materials Today》上。

【圖文講解】

研究人員采用的是機械馬達系統來打印,可以實現快速向下擠出、停止運動及向上抬升,而氣動式系統難以快速停止墨水的擠出。除打印系統外,合適的墨水是垂直打印的關鍵。對於水平打印而言,油墨的流動性和粘彈性是至關重要的,可以通過流變儀來進行評估。但在垂直打印過程中,油墨不僅需要具有剪切變稀的特點,還需要擠出後足夠堅硬,以保證柱子不會倒塌,因此油墨必須表現出觸變性,即“在靜止狀態下粘度增加,而在受到恒定剪切應力時粘度降低”。

如圖1所示,支柱的打印從註射器逐漸向下運動開始,待噴嘴到達設定的打印位置,通過活塞擠出定量的墨水來沉積柱子,同時註射器以預定的速率上升,將擠出的墨水拉伸至最大應力;到達打印高度後,活塞停止運動,註射器快速縮回至初始位置,設定高度的支柱被打印成型。重復上述打印步驟,可以打印出高度可調的周期性或非周期性柱狀陣列。

《Materials Today》:垂直打印自支撐柱狀陣列
圖1 打印單個支柱示意圖

研究人員以打印二氧化鈦支柱為例,詳細研究瞭進料、退料速率等因素對打印結構的影響,發現1.0-1.8mm/s 的進給速度和1.0-3.0mm/s的回縮速度能夠打印出表面平整的支柱,支柱具有良好的自支撐性,而過慢或過快的速度會導致支柱表面粗糙或者發生斷裂。

《Materials Today》:垂直打印自支撐柱狀陣列
圖2 打印參數對打印結構的影響

研究人員使用垂直打印的方法打印瞭傳統陶瓷(TZ-3YS和二氧化鈦)、功能性壓電陶瓷和氧化鋁等多種材料,並以打印二氧化鈦為例,展示瞭不同高度柱狀陣列的打印,同時也可以打印出多種圖案化的柱狀陣列。

《Materials Today》:垂直打印自支撐柱狀陣列
圖3 多種材料的垂直打印

研究人員以二氧化鈦油墨為例,研究瞭油墨的觸變性對打印結構的影響。結果發現,添加極少量PEI可以極大地增加墨水的彈性模量,縮短墨水的粘彈性平臺。觸變性測試結果表明,原始墨水無論在靜止或剪切時模量均較低,打印後難以自支撐;而添加PEI的墨水在被剪切時模量明顯下降,靜止時墨水模量則快速升高至原來的60%以上,體現瞭良好的觸變性,能夠垂直打印出結構良好的柱狀陣列。

《Materials Today》:垂直打印自支撐柱狀陣列
圖4 打印墨水的觸變性

小結

研究人員利用直接書寫的方式實現瞭柱狀陣列的垂直打印,提高瞭直接書寫打印的靈活性,不再受限於傳統的XY平面打印,可以拓展至XZ、YZ甚至XYZ等多方向打印。這一打印方法可以用來構築心臟中的靜脈等復雜結構,在組織工程領域有著廣闊的應用前景,也能夠打印壓電陶瓷等多種功能材料,並應用於壓電傳感器、散熱器、盲文等諸多領域。

相關鏈接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1369702120300171

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