《Nature》子刊：提速10000倍！超高速噴射3D打�。焊呔�度、快速打印100nm結構

來源：高分子科學前沿

增材制造技術，即3D打印技術，能夠加工傳統(tǒng)成型方式難以實現(xiàn)的復雜三維結構，同時具有材料利用率高和成型速度快等優(yōu)點。其中，基于從噴嘴噴出熔體或者油墨的3D打印方式可以實現(xiàn)幾乎任何物質的加工，包括聚合物、金屬、陶瓷、木材以及生物組織等。但是，目前基于噴嘴的3D打印技術存在打印速度慢和打印精度低等缺點，限制了材料多功能性的開發(fā)。

西班牙羅維拉-威爾吉利大學Joan Rosell-Llompart和Andreu Cabot等人通過在噴嘴周圍外加電壓，實現(xiàn)了以高達100萬m/s2橫向加速度來調節(jié)打印路徑，同時以高達2000 Hz逐層堆疊頻率將納米纖維打印成具有亞微米特征的三維結構，面內和垂直方向打印速度分別可以達到0.5m/s和0.4mm/s，比現(xiàn)有技術提升了3-4個數(shù)量級。相關工作以“Ultrafast 3D printing with submicrometer features using electrostatic jet deflection”為題，發(fā)表于《Nature Communications》上。

打印原理

為了有效地減小打印線的尺寸，通過在噴嘴和打印襯底之間施加的電場來吸引熔體或油墨，而不是迫使材料從非常細的噴嘴擠出。一旦作用在液體表面上的電應力克服表面張力，液面便會形成一個泰勒錐，從而將很細的墨水射流快速地推向打印襯底。此外，研究人員在射流周圍外加電極，這些電極能夠改變射流附近的電場，使其偏離原始軌跡，并以此可以控制其到達襯底的位置。隨后與傳統(tǒng)的3D打印過程一樣，逐層堆積直至形成所需的三維結構。

圖1 靜電控制射流軌跡

在上述打印過程中，射流的偏轉角度取決于電場變化的幅度和頻率。施加小幅度電壓時，射流呈現(xiàn)隨電壓幅度線性變化的小偏轉角（<15°）；較高的電壓幅度則會導致射流偏轉角非線性增加。在低頻下，較小的振幅會導致纖維發(fā)生彎曲，而較大的振幅會產(chǎn)生直纖維，隨著射流偏轉頻率的增加，彎曲的幅度會減小。

圖2 射流偏轉參數(shù)的作用

二維圖案與三維結構的打印
由于射流僅在一個軸上發(fā)生偏轉，因此可以沉積厚度低至100nm的纖維和最大2mm圖案的纖維。使用至少兩個電極可以使射流沿著基板平面在任何方向上偏轉，能夠產(chǎn)生具有任何形狀的2D結構。此外，研究人員通過將射流偏轉系統(tǒng)與機械平臺耦合并使之同步，將微觀特征的快速打印擴展到更大的區(qū)域。

圖3 2D圖案的打印

在上述打印2D圖案的基礎上，通過連續(xù)逐層沉積材料來打印3D對象，可以制作出高度達100μm且縱橫比非常高的3D結構，例如高度與厚度比遠高于1000的墻壁也能很容易被打印出來。研究人員選用的是電導率相對較低的PEO油墨，實現(xiàn)了高達2000 Hz逐層堆疊頻率，轉換成面內打印速度最高可達0.5m/s，垂直方向打印速度高達0.4mm/s。通過增加打印材料的電導率或使用適當?shù)臍夥眨�可以進一步提高3D打印的速度。

圖4 3D墻的打印

3D結構的打印還需要考慮到溶劑的蒸發(fā)速率，溶劑的蒸發(fā)速率必須足夠低，以確保噴嘴不會阻塞，但蒸發(fā)速率又必須足夠高，以使打印襯底的材料快速干燥。在噴嘴到達襯底時保持較低的粘度的墨水，可以獲得較小的曲率半徑，而打印纖維橋需要使用具有較高粘度的墨水。此外，一旦材料被打印，隨后的溶劑蒸發(fā)和體積損失可能會導致纖維收縮，從而對3D結構的幾何保真度產(chǎn)生負面影響。在打印過程中，可以通過改變墨水成分和調整環(huán)境條件來控制甚至避免收縮。

圖5 3D結構的打印

材料的多功能性是噴射3D打印的主要優(yōu)勢，除了可以打印由PEO制成的墨水，還可以合理設計墨水配方實現(xiàn)其他聚合物3D結構的打印，例如將PEO和PEDOT-PSS進行復合，或者是引入各種納米顆粒到油墨中。此外，還能通過打印含有分子前驅體或金屬鹽的墨水，進一步退火處理后得到無機結構，也可以拓展至生物組織或者活細胞等的3D打印。

圖6 壁微結構的控制

對比能夠以亞微米分辨率打印的增材制造技術，可以發(fā)現(xiàn)當制造具有較小特征的物體時，打印速度會急劇下降；打印分辨率每增加一個數(shù)量級，打印速度就會降低4個數(shù)量級。在這種情況下，研究人員開發(fā)的這種打印方式可以實現(xiàn)以高達105μm3/s的打印速度來打印小至100 nm的結構，即確保高打印精度下實現(xiàn)了高速打印。

圖7 增材制造技術對比

小結
研究人員在噴嘴周圍外加電極，通過快速調節(jié)電極周圍的靜電場來實現(xiàn)基于噴嘴3D打印技術的快速打印。平面內打印速度最高可達0.5 m/s，垂直方向打印速度高達0.4 mm/s，遠遠超越了所有已知的能夠實現(xiàn)亞微米分辨率的增材制造技術，實現(xiàn)了任意成分、多種微觀結構和多功能的3D制件的超高速制造。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-14557-w