Adv. Mater.：新型的直接墨水书写3D打印技术

【引言】

直接墨水书写（DIW）3D打印技术可用于制备各种材质及性能的材料，其应用领域非常广泛，包括电子学、结构材料、组织工程以及软机器人等。该技术所使用的墨水类型有很多种，比如导电胶、弹性体以及水凝胶等。这些墨水都有流变性能（比如粘弹性、剪切稀化、屈服应力等），有助于3D打印过程的实施。在DIW过程中，粘弹性墨水从3D打印机的喷嘴被挤压出来，形成纤维；随着喷嘴的移动，就可以沉积成特定的图案。但是纤维的直径通常受喷嘴直径的限制，而沉积的图案受喷嘴移动路径的限制。这些限制严重阻碍了直接墨水书写3D打印技术的创新和应用。

【成果简介】

近日，麻省理工学院的赵选贺教授（通讯作者）等人提出了一种新型的直接墨水书写3D打印策略，利用粘弹性墨水的形变、不稳定性和断裂，突破了直接墨水书写3D打印技术中的限制。他们采用单一喷嘴打印出比喷嘴直径分辨率更高的纤维，并且打印了有梯度的、可设计膨胀性能的3D结构。另外，本文还阐述了墨水的机械性能在3D打印技术中的重要作用。该研究成果以“A New 3D Printing Strategy by Harnessing Deformation, Instability, and Fracture of Viscoelastic Inks”为题发表在Advanced Materials上。

【图文导读】

图1 .直接墨水书写（DIW）3D打印的典型设置和打印参数

（a）DIW 3D打印的典型设置示意图和相关参数。粘弹性墨水从喷嘴挤压出来，内径为D，挤出速度为C；对应喷嘴的移动速度为V，高度为H。

（b）通过改变打印参数，得到的各种模型。这表明以纤维分辨率不受喷嘴直径限制，并且以一种高度可控的方式实现。

图2 .定量化的相图

定量化的相图，用于指导粘弹性墨水打印模式的选择。打印模式由无量纲参数（H*和V*）决定。根据相图，就可以通过一种高度可预测的方式，选择粘弹性墨水的打印模式。相图右侧的示意图展示了每种模式下，打印的纤维形状以及相对应的打印参数。

图3.定量化相图的实验验证

（a）不同打印参数下，打印纤维的实验结果图（比例尺为2 mm）。

（b）与图a对应的实验数据点图。

（c）当H*=5时，d/D与V*之间的关系曲线。点对应着实验数据，实曲线对应着理论预测。

图4.利用单喷嘴打印不同直径的纤维；基于平直的喷嘴运动路径打印复杂图案

（a）带有标记符号的相图（实圆点或者五角星）。

（b）利用单喷嘴，打印不同直径的纤维；基于平直的喷嘴运动路径，打印复杂图案。每个打印条件与图a中实圆点对应的条件相同。

（c）不同模式的连续切换，打印出多个非线性图案和不同直径的纤维。

图5.通过改变纤维直径打印不同的立体结构

（a）单喷嘴连续打印立体结构，其中纤维直径不同。

（b）单喷嘴连续打印三层立体结构，且每层的纤维直径不同。

图6.可调的固化响应和梯度结构

（a）λL与1/V*关系曲线。

（b）在x轴和y轴方向呈现曲折图案的网状结构中，F与λ的关系曲线。

（c）仅在y 轴方向呈现曲折图案的网状结构中，F与λ的关系曲线。

（d）单喷嘴打印梯度网状结构，同一层上纤维直径不同。

（e）单喷嘴打印梯度网状结构，不同层上纤维直径不同。

（f）梯度3D打印结构的膨胀示意图。

（g）有机溶剂中梯度致动器的不均匀膨胀响应。

【小结】

本研究介绍了一种新颖的3D打印技术，利用粘弹性墨水的形变、不稳定新和断裂，突破了现有直接墨水书写3D打印技术的局限。另外，研究人员构建了定量化的相图，为打印参数选择提供合理的指导，并且通过了相应的实验验证。这种相图使得打印参数的选择具有高度可预测性和可复制性。利用这种新颖的直接墨水书写3D打印技术有三大优点。第一，不需要更换喷嘴，利用单一喷嘴就可以打印出不同直径的纤维，并且其分辨率不受喷嘴直径的限制；第二，通过改变打印参数，可以打印出各种非线性图案；第三，可以连续切换不同模式。基于以上的创新性，这项技术可应用于多种粘弹性墨水材料的3D打印，进而广泛应用于各个科学和工程领域。

文献链接：A New 3D Printing Strategy by Harnessing Deformation, Instability, and Fracture of Viscoelastic Inks（Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201704028）

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