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3D打印新发展,突破了打印速度和材料种类的瓶颈

更新时间: 2020-02-03 11:14:32  查看次数: 319    

增材制造(又称3D打印)是构建复杂结构的宝贵平台。如果使用传统技术,这些复杂结构制作起来不是更费时,就是根本不可能。3D打印的终极目标是在微观层面上完全控制成品的组成、几何形态和性质。不过,对于由多种材料制成的物体来说,每种材料能打印的最小尺度是一定的,这是因为打印机切换材料的速度太慢了。所以,想要使用一台打印机打出功能性的多材质设备,我们需要新的技术。Skylar-Scott等人在《自然》上报告了一种微米尺度的打印方式,只用一个喷头就能在各种粘性材料中快速切换。作者还证明,使用平行排列的128个喷头,就能大大减少特定结构的打印时间,成功让整个领域迈上了一个新台阶。


3D打印软体或生物材料,通常会利用一种叫做“墨水直写”的工艺:让受压的粘性流体从一个移动喷头中挤出来。想要打印多材质物体,一般做法是用机械方式更换喷头,但这会限制最小切换时间。另一种策略是用一个喷头按顺序挤出多种材料,但至今为止,这种方法无法让不同材料之间出现明确边界,切换频率也难以超过1Hz。为了解决这些问题,Skylar-Scott等人开发了一种微流控喷头,喷头尖端最多能有8种粘性流体形成互相分离的细丝。他们巧妙利用了这些墨水的一个特性——它们只在内部压强超过一定程度的情况下才会流动。按顺序对不同流体加压之后,就能以最高50Hz的频率切换材料,特征打印尺度可达250微米。


Skylar-Scott等人的多材质多喷头技术对于开发“结构性”材料有着重要意义——这类材料的奇异特性来源于人工设计出的周期性子结构,而非其化学成分。比如那些超轻但很结实的材料,或是可以通过改变内部结构调整力学、光学或声学性质的材料。至今为止的大多数结构性材料都是由单一的非结构性组分构成的。能够在微观层面控制物体的组成,即打印出由不同材质体素组合成的物体,无疑打开了一扇新大门,让研究人员可以在同一种结构性材料中设计出更多更新的功能,或许能够制造出比现有材料更像完整机器的结构性材料。


但是,我们还没有到那一步。目前可用的打印材料和材料拥有的物性都亟需扩充,比如加入具有不同导电或导热性能的材料,或是吸收某种溶剂后会膨胀的材料。再有,目前打印头上的多喷头间距是固定的,并且每个喷头都要以同样的速率同步喷出液体。也就是说,Skylar-Scott等人的系统只能加速周期性结构的打印,而喷头的间距则决定了这些周期性组分的尺度。这样一来,想要制造不同周期的结构,就需要换一个打印头。


如果能增加喷头间距,这个多喷头系统就多了一个应用:并行打印多个相同物体。想要增强该技术的灵活性,也有很多工作要做,比如能独立控制打印头每个喷嘴的墨水流速,和喷墨式方法一样。


对增材制造技术而言,Skylar-Scott等人突破了打印速度和材料种类的瓶颈,朝着控制微型结构(肉眼不可见)组分、几何形态和性质的方向更近了一步。这一突破不仅仅是工艺上的进步,它将改变我们设计、建造和思考功能性设备的方式。