近年来,各种各样的增材制造技术日渐成熟,在制造业中开始发挥重要作用。其中,直接墨水书写(DIW)由于其简单普适性,在材料和组织工程等领域引起了广泛的关注和研究。通常情况下,打印墨水仅能按照X-Y平面中的设定路径在Z方向上逐层堆积成型,这种方法适用于大多数结构的打印。但是,对于极端情况(如柱状阵列),如果仍采用切片和逐层堆积的方式进行打印,打印结构的分辨率会受限于喷嘴和路径设计,打印结构表面不平整。

《Materials Today》:垂直打印自支撑柱状阵列

近日,葡萄牙阿威罗大学José M.F. Ferreira等人受喷墨打印的按需滴落(DOD)方法启发,开发了基于直接墨水书写(DIW)的按需送丝(FOD)方法,首次在垂直方向上3D打印出自支撑的柱状阵列,适用于陶瓷和金属油墨等多种材料的打印,有望应用于打印人体组织、器官、功能器件等诸多领域。相关工作以“3D printing vertically: Direct ink writing free-standing pillar arrays”为题,近日发表于《Materials Today》上。

【图文讲解】

研究人员采用的是机械马达系统来打印,可以实现快速向下挤出、停止运动及向上抬升,而气动式系统难以快速停止墨水的挤出。除打印系统外,合适的墨水是垂直打印的关键。对于水平打印而言,油墨的流动性和粘弹性是至关重要的,可以通过流变仪来进行评估。但在垂直打印过程中,油墨不仅需要具有剪切变稀的特点,还需要挤出后足够坚硬,以保证柱子不会倒塌,因此油墨必须表现出触变性,即“在静止状态下粘度增加,而在受到恒定剪切应力时粘度降低”。

如图1所示,支柱的打印从注射器逐渐向下运动开始,待喷嘴到达设定的打印位置,通过活塞挤出定量的墨水来沉积柱子,同时注射器以预定的速率上升,将挤出的墨水拉伸至最大应力;到达打印高度后,活塞停止运动,注射器快速缩回至初始位置,设定高度的支柱被打印成型。重复上述打印步骤,可以打印出高度可调的周期性或非周期性柱状阵列。

《Materials Today》:垂直打印自支撑柱状阵列
图1 打印单个支柱示意图

研究人员以打印二氧化钛支柱为例,详细研究了进料、退料速率等因素对打印结构的影响,发现1.0-1.8mm/s 的进给速度和1.0-3.0mm/s的回缩速度能够打印出表面平整的支柱,支柱具有良好的自支撑性,而过慢或过快的速度会导致支柱表面粗糙或者发生断裂。

《Materials Today》:垂直打印自支撑柱状阵列
图2 打印参数对打印结构的影响

研究人员使用垂直打印的方法打印了传统陶瓷(TZ-3YS和二氧化钛)、功能性压电陶瓷和氧化铝等多种材料,并以打印二氧化钛为例,展示了不同高度柱状阵列的打印,同时也可以打印出多种图案化的柱状阵列。

《Materials Today》:垂直打印自支撑柱状阵列
图3 多种材料的垂直打印

研究人员以二氧化钛油墨为例,研究了油墨的触变性对打印结构的影响。结果发现,添加极少量PEI可以极大地增加墨水的弹性模量,缩短墨水的粘弹性平台。触变性测试结果表明,原始墨水无论在静止或剪切时模量均较低,打印后难以自支撑;而添加PEI的墨水在被剪切时模量明显下降,静止时墨水模量则快速升高至原来的60%以上,体现了良好的触变性,能够垂直打印出结构良好的柱状阵列。

《Materials Today》:垂直打印自支撑柱状阵列
图4 打印墨水的触变性

小结

研究人员利用直接书写的方式实现了柱状阵列的垂直打印,提高了直接书写打印的灵活性,不再受限于传统的XY平面打印,可以拓展至XZ、YZ甚至XYZ等多方向打印。这一打印方法可以用来构筑心脏中的静脉等复杂结构,在组织工程领域有着广阔的应用前景,也能够打印压电陶瓷等多种功能材料,并应用于压电传感器、散热器、盲文等诸多领域。

相关链接:

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

微信
微信
电话 QQ
返回顶部