近年來，各種各樣的增材制造技術(shù)日漸成熟，在制造業(yè)中開始發(fā)揮重要作用。其中，直接墨水書寫（DIW）由于其簡單普適性，在材料和組織工程等領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注和研究。通常情況下，打印墨水僅能按照X-Y平面中的設(shè)定路徑在Z方向上逐層堆積成型，這種方法適用于大多數(shù)結(jié)構(gòu)的打印。但是，對(duì)于極端情況（如柱狀陣列），如果仍采用切片和逐層堆積的方式進(jìn)行打印，打印結(jié)構(gòu)的分辨率會(huì)受限于噴嘴和路徑設(shè)計(jì)，打印結(jié)構(gòu)表面不平整。
近日，葡萄牙阿威羅大學(xué)José M.F. Ferreira等人受噴墨打印的按需滴落（DOD）方法啟發(fā)，開發(fā)了基于直接墨水書寫（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，適用于陶瓷和金屬油墨等多種材料的打印，有望應(yīng)用于打印人體組織、器官、功能器件等諸多領(lǐng)域。相關(guān)工作以“3D printing vertically: Direct ink writing free-standing pillar arrays”為題，近日發(fā)表于《Materials Today》上。
【圖文講解】
研究人員采用的是機(jī)械馬達(dá)系統(tǒng)來打印，可以實(shí)現(xiàn)快速向下擠出、停止運(yùn)動(dòng)及向上抬升，而氣動(dòng)式系統(tǒng)難以快速停止墨水的擠出。除打印系統(tǒng)外，合適的墨水是垂直打印的關(guān)鍵。對(duì)于水平打印而言，油墨的流動(dòng)性和粘彈性是至關(guān)重要的，可以通過流變儀來進(jìn)行評(píng)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(diǎn)，還需要擠出后足夠堅(jiān)硬，以保證柱子不會(huì)倒塌，因此油墨必須表現(xiàn)出觸變性，即“在靜止?fàn)顟B(tài)下粘度增加，而在受到恒定剪切應(yīng)力時(shí)粘度降低”。
如圖1所示，支柱的打印從注射器逐漸向下運(yùn)動(dòng)開始，待噴嘴到達(dá)設(shè)定的打印位置，通過活塞擠出定量的墨水來沉積柱子，同時(shí)注射器以預(yù)定的速率上升，將擠出的墨水拉伸至最大應(yīng)力；到達(dá)打印高度后，活塞停止運(yùn)動(dòng)，注射器快速縮回至初始位置，設(shè)定高度的支柱被打印成型。重復(fù)上述打印步驟，可以打印出高度可調(diào)的周期性或非周期性柱狀陣列。
研究人員以打印二氧化鈦支柱為例，詳細(xì)研究了進(jìn)料、退料速率等因素對(duì)打印結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)1.0-1.8mm/s 的進(jìn)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(huì)導(dǎo)致支柱表面粗糙或者發(fā)生斷裂。
研究人員使用垂直打印的方法打印了傳統(tǒng)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，并以打印二氧化鈦為例，展示了不同高度柱狀陣列的打印，同時(shí)也可以打印出多種圖案化的柱狀陣列。
研究人員以二氧化鈦油墨為例，研究了油墨的觸變性對(duì)打印結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，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(tái)。觸變性測(cè)試結(jié)果表明，原始墨水無論在靜止或剪切時(shí)模量均較低，打印后難以自支撐；而添加PEI的墨水在被剪切時(shí)模量明顯下降，靜止時(shí)墨水模量則快速升高至原來的60%以上，體現(xiàn)了良好的觸變性，能夠垂直打印出結(jié)構(gòu)良好的柱狀陣列。
小結(jié)
研究人員利用直接書寫的方式實(shí)現(xiàn)了柱狀陣列的垂直打印，提高了直接書寫打印的靈活性，不再受限于傳統(tǒng)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(gòu)筑心臟中的靜脈等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在組織工程領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，也能夠打印壓電陶瓷等多種功能材料，并應(yīng)用于壓電傳感器、散熱器、盲文等諸多領(lǐng)域。
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https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1369702120300171
