卡內(nèi)基梅隆大學(xué)開發(fā)自由曲面3D冰打印工藝，以創(chuàng)建微尺度結(jié)構(gòu)

導(dǎo)讀：3D 打印技術(shù)的進(jìn)步已使醫(yī)學(xué)、制造和能源等多個領(lǐng)域的眾多應(yīng)用成為可能�？梢允褂枚喾N不同的材料來打印簡單的基礎(chǔ)和精細(xì)的細(xì)節(jié)，從而創(chuàng)建具有定制幾何形狀的結(jié)構(gòu)。然而，創(chuàng)建具有微尺度、精確內(nèi)部空隙和通道的結(jié)構(gòu)仍然具有挑戰(zhàn)性。例如，組織工程中使用的支架必須包含模擬人體血管的三維復(fù)雜管道網(wǎng)絡(luò)。使用傳統(tǒng)的增材制造技術(shù)，材料是逐層沉積的，很難在不犧牲時間、準(zhǔn)確性和資源的情況下打印出如此復(fù)雜的內(nèi)部特征。

2024年7月19日，南極熊獲悉，為了解決上述問題，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)教授PhilipLeDuc和Burak Ozdoganlar領(lǐng)銜開發(fā)了一種新型的自由曲面 3D 冰打印 (3D-ICE) 工藝。該技術(shù)采用按需滴落的 3D 打印方法，以水代替?zhèn)鹘y(tǒng)印刷油墨。壓電噴墨噴嘴將微小的水滴噴射到保持在冰點(diǎn)以下的構(gòu)建平臺上，這使得水滴在接觸后不久就會凍結(jié)。

△微型 3D 打印冰結(jié)構(gòu)。（圖片來源：卡內(nèi)基梅隆大學(xué)）

獨(dú)特的是，可以控制該過程以在前一滴液滴凍結(jié)之前沉積一滴或多滴液滴。這樣，打印結(jié)構(gòu)的頂部會保留一個水帽，凍結(jié)從底部開始。這使得創(chuàng)建具有光滑壁、過渡和分支的結(jié)構(gòu)成為可能�？梢灾圃斐鱿袢说念^發(fā)一樣小的特征。隨著更多液滴的沉積，構(gòu)建平臺上的冰結(jié)構(gòu)逐漸成型�？梢酝ㄟ^控制液滴沉積速率以及打印表面、液滴和工作空間的溫度來調(diào)整柱子幾何形狀的直徑、高度和相對平滑度。如果構(gòu)建平臺發(fā)生移動，使得進(jìn)入的液滴以一定角度撞擊，凍結(jié)前沿將相應(yīng)旋轉(zhuǎn)，從而可以產(chǎn)生分支、彎曲和懸垂結(jié)構(gòu)，而如果沒有額外的支撐材料，使用其他 3D 打印技術(shù)打印這些結(jié)構(gòu)將具有挑戰(zhàn)性或不可能。

勒杜克（LeDuc）說：“3D 冰可以用作犧牲材料，這意味著我們可以用它在制造的部件內(nèi)部創(chuàng)建形狀精確的通道。這將在很多領(lǐng)域都有用，從制造新組織到軟機(jī)器人�！�

自項(xiàng)目開始以來，LeDuc 和Ozdoganlar 的研究團(tuán)隊(duì)一直在研究如何確保 3D 冰的形成過程可預(yù)測且可重復(fù)。在他們最近發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS，Garg 等人，2024 年）上題為“Physics of microscale freeform 3D printing of ice/冰的微尺度自由曲面 3D 打印的物理學(xué)”的文章中，他們描述了 2D 和 3D 數(shù)值模型，以闡明 3D 冰背后的物理原理，包括傳熱、流體動力學(xué)以及打印過程中從液體到固體的快速相變。

相關(guān)論文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2322330121

他們的 2D 模型繪制了直柱的構(gòu)造，包括分層沉積和平滑沉積的各自影響。Ozdoganlar 說：“液滴沉積的頻率會影響結(jié)構(gòu)的高度和寬度。如果快速沉積，水帽會增長，產(chǎn)生更寬的結(jié)構(gòu)。如果緩慢沉積，則結(jié)構(gòu)會變得更窄更高�；�質(zhì)溫度也會產(chǎn)生影響。對于相同的液滴沉積速率，較低的基質(zhì)溫度會產(chǎn)生更高的結(jié)構(gòu)�！�

△分層沉積中冰柱和液體帽之間的熱通量

他們的 3D 模型通過預(yù)測凍結(jié)鋒的旋轉(zhuǎn)來繪制斜向結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。Ozdoganlar 說道：“有各種類型的熱傳遞，包括傳導(dǎo)至底部和對流至周圍區(qū)域。當(dāng)你沉積每個液滴時，所有這些因素都在同時起作用。如果你傾斜沉積，液滴的一部分會在凍結(jié)之前溢出到柱子的一側(cè)。當(dāng)你繼續(xù)以該角度沉積時，凍結(jié)鋒會慢慢改變形狀，結(jié)構(gòu)會朝那個方向生長�！�

除了進(jìn)一步完善數(shù)學(xué)模型外，勒杜克和奧茲多甘拉爾的實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)在還希望擴(kuò)大 3D-ICE 的規(guī)模，并探索其在一系列應(yīng)用中的功效。例如，組織工程的當(dāng)前策略通常涉及設(shè)計(jì)通用組織。3D-ICE 很快就能打印出與每位患者血管系統(tǒng)獨(dú)特結(jié)構(gòu)相匹配的個性化組織，滿足患者身體的特定需求。此外，3D-ICE 將能夠創(chuàng)建功能性組織結(jié)構(gòu)，用于了解不同的疾病或開發(fā)新的治療方法。

勒杜克說：“我剛開始建立實(shí)驗(yàn)室時，從未想過我們能用 3D 打印技術(shù)打印冰塊，并用它來制造組織來幫助人們。但我們的研究已經(jīng)發(fā)展起來。它把像布拉克和我這樣的人聚集在一起，每個人都帶來了各種不同的觀點(diǎn)和能力。在這個跨學(xué)科的科學(xué)和工程領(lǐng)域，大家齊心協(xié)力做這項(xiàng)工作是一件很棒的事情，整體效果肯定大于個體效果。”