Nature:静电喷流偏转3D打印亚微米级结构，速度快1千到1万倍

南极熊导读：又一篇突破性的3D打印技术论文登上Nature Communications。

2020年2月，西班牙的研究人员利用静电喷流偏转技术设计出了一种具有亚微米级特征的超快3D打印方法。

在详细介绍这项新技术的论文中，作者解释说，他们创建静电射流偏转方法是为了克服现有快速成型制造技术在生产速度方面的限制。从他们的测试中，研究人员发现，静电射流偏转法可以通过将纳米纤维以高达2000赫兹的逐层频率堆叠在一起，实现3D打印出具有亚微米级特征的物体。

所达到的喷射速度和逐层频率相当于在平面方向上的打印速度高达0.5 m每秒，垂直方向上的打印速度为0.4 mm每秒，研究人员称，这比同等精度特征尺寸的技术 "快三到四个数量级"。

△3D打印墙体的示意图

改善3D打印工艺

研究人员首先描述了快速成型制造技术为当今生产带来的好处，并写道："快速成型制造已经成为分布式生产定制产品的新范式，在设计的几何自由度、材料利用率和缩短交货期等方面具有优势。"

尽管如此，现有3D打印工艺还有很多可以改进的研究。例如，奥地利的研究人员探索了基于材料挤压的快速成型制造方法（ME-AM/FDM/FFF）需要进行必要的改进，以 "迎接复杂工业应用的挑战"。其他的研究则着眼于研究粘结剂喷射工艺中快速打印速度的影响，特别是在表面粗糙度和密度均匀性方面。

如同许多旨在改进现有快速成型制造工艺的研究论文一样，作者表示，围绕着当前的3D打印技术存在着一些限制，即生产速度、材料的可用性和组合，以及对材料微观结构的控制，从而实现功能的控制。"此外，"作者还补充说，"对于真正的分布式生产来说，能够生产亚微米级特征的制造设备的成本和复杂性都让人望而却步。"
△a-c 实验性的PEO-PEDOT:PSS图案的示意图（上图）和实验性的PEO-PEDOT:PSS图案的光学照片（下图）：a 无射流偏转情况下获得的纤维弯曲；b 在机械平台平移的轴线上使用1D射流偏转获得的锯齿图案；c 使用2D射流偏转获得的圆形图案。d，e 使用两个射流偏转电极来定义图案和机械台在印刷事件之间转换衬底的机械台来转换衬底，印刷的更复杂的2D图案的光学照片。使用含有Ag NPs的4.7wt％PEO油墨打印这些图案。刻度条（D，E）：1毫米。

特别是，基于喷嘴的3D打印技术提供了一个很好的例子，这种工艺提供了 "无与伦比的通用性"，因为它可以用不同程度的材料制作物体，从聚合物、金属、陶瓷、木材、甚至生物组织等不同的材料。"这种无可比拟的材料通用性源于金属或聚合物熔体或溶剂型油墨的使用，其配方可以包含离子、分子、纳米粒子甚至活细胞形式的任何成分。"研究人员解释说。

然而，目前基于喷嘴的3D打印技术相对较慢，打印分辨率有限，因为打印出的线条宽度与喷嘴孔径相关，通常都在几十微米以上。即使使用较小的喷嘴孔径，那么在打印过程中也容易出现频繁的堵塞和高粘性损失。

使用静电射流偏转技术

作者提出，与其他基于喷嘴的3D打印方法相比，一种电水动力（EHD）喷射策略是独一无二的，2019年，苏黎世联邦理工学院的研究人员证明了这一点。"EHD喷射可以在没有喷嘴堵塞风险的情况下打印亚微米级的结构，因为它可以使用多种多样的油墨从宽的喷嘴孔径产生纳米级的喷射，粘度超过几个数量级。"

△3D打印圆柱体的示意图。图片来自Nature Communications。

然而，EHD喷射技术还没有完全开发出广泛的应用，因为电化射流的速度太快了，机械级的速度相对较慢，无法精确收集材料。"目前基于EHD射流的系统是利用机械级来定位打印材料。然而，机械级只能匹配电化喷流在长直线上的巨大速度，但无法达到在印刷小的复杂图案时维持这种速度所需的巨大加速度。"作者补充道。

为了克服EHD喷印工艺的局限性，研究人员提议使用电极来改造电场。利用传统的EHD打印机，研究人员将电极放置在射流周围，并控制电极的电压，使其在横向加速度高达106米/秒的情况下连续调整其轨迹。这使得射流实现了超快的静电偏转，使得纳米纤维被堆叠起来，以打印出具有亚微米级特征的3D物体。

从他们的测试来看，研究人员能够通过逐层沉积的材料来3D打印物体，其高度可达100微米，并且具有非常高的纵横比和高速度。"快速喷射和这些高的逐层频率转化为平面内0.5米/秒和平面外0.4毫米/秒的打印速度，即在垂直方向上，比挤压和按需滴入式EHD技术在产生同等尺寸特征时，要快三到四个数量级。"

在论文的最后，研究人员表示，他们在论文中所展示的EHD射流偏转打印的优势，有可能使该技术向3D物体的超快快速添加式微制造靠近。这篇题为《利用静电射流偏转技术实现具有亚微米级特征的超快3D打印》Ultrafast 3D printing with submicrometer features using electrostatic jet deflection的论文由Ievgenii Liashenko、Joan Rosell-Llompart和Andreu Cabot撰写。该论文发表在《自然通讯》杂志上。
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