供稿人:尚俊凡，田小永 發(fā)布日期：2018-09-25
直接墨水書寫（DIW）3D打印技術(shù)可用于制備各種材質(zhì)及性能的材料，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括電機(jī)學(xué)、結(jié)構(gòu)材料、組織工程以及軟體機(jī)器人等等。該技術(shù)所使用的墨水類型有很多種，比如導(dǎo)電膠、彈性體以及水凝膠等等。這些墨水都具有流變性能（比如粘彈性、剪切稀化、屈服應(yīng)力等），有助于3D打印過程的實(shí)施。在DIW過程中，粘彈性墨水從3D打印機(jī)的噴嘴被擠壓出來，形成纖維，隨著噴嘴移動(dòng)就可以沉積成特定的圖案。但纖維直徑通常受到噴嘴直徑的限制，且沉積的圖案受到噴嘴移動(dòng)路徑的限制，這些限制了DIW技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用。
麻省理工學(xué)院的趙選賀教授等人提出了一種新型的DIW技術(shù)，利用粘彈性墨水的形變、不穩(wěn)定性和斷裂，突破了上述限制。他們采用單一噴嘴，通過改變噴嘴離底板的高度和噴嘴移動(dòng)的速度可以控制纖維打印的直徑大小和沉積圖案，并且打印出了有梯度的、可以設(shè)計(jì)膨脹性能的3D結(jié)構(gòu)。
圖1 直接墨水書寫3D打印的典型設(shè)置和打印參數(shù) (a)DIW3D打印的典型設(shè)置示意圖和相關(guān)參數(shù)(b)通過改變參數(shù)得到的各種模型
如圖a、b所示，粘彈性墨水從噴嘴擠出，噴嘴內(nèi)徑為D，擠出速度為C，噴嘴移動(dòng)速度為V，噴嘴離底板高度為H，擠出后的纖維的直徑為αD（α為離膜膨脹系數(shù)）。通過改變打印參數(shù)，得到了不同參數(shù)下對(duì)應(yīng)的各種模型，這表明以纖維分辨率不受噴嘴直徑限制，并且以一種高度可控的方式實(shí)現(xiàn)。
圖2 定量化相圖
根據(jù)不同參數(shù)對(duì)應(yīng)的不同分辨率和沉積圖案，繪制了定量化的相圖，用于指導(dǎo)粘彈性墨水打印模式的選擇，打印模式由H/αD（H*）和V/C（V*）的大小決定。根據(jù)相圖，就可以通過一種高度可預(yù)測(cè)的方式，選擇粘彈性墨水的打印模式。
圖3 可調(diào)的固化響應(yīng)和梯度結(jié)構(gòu)
(a)鎖定拉伸系數(shù)與C/V關(guān)系曲線(b)在x軸和y軸方向呈現(xiàn)曲折圖案的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)與拉伸倍數(shù)λ的關(guān)系曲線(c)僅在y軸方向呈現(xiàn)曲折圖案的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)與拉伸倍數(shù)λ的關(guān)系曲線(d)單噴嘴打印梯度網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同一層上纖維直徑不同(e)單噴嘴打印梯度網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不同層上纖維直徑不同(f)梯度3D打印結(jié)構(gòu)的膨脹示意圖(g)有機(jī)溶劑中梯度制動(dòng)器的不均勻膨脹響應(yīng)
作者還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)纖維沿某一方向的沉積方式呈曲折圖案時(shí)，該方向上就具有延遲硬化（應(yīng)力松弛現(xiàn)象），且圖案越曲折，延遲硬化的效果越明顯，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示（a）、（b）和（c）所示。最后，利用纖維直徑和其膨脹特性之間的特殊關(guān)系，本文作者打印出了帶有梯度結(jié)構(gòu)的制動(dòng)器，如圖（d）、（e）、（f）和（g）所示，該制動(dòng)器在有機(jī)溶劑中具有不均勻膨脹響應(yīng)。