供稿人:尚俊凡，田小永 发布日期：2018-09-25
直接墨水书写（DIW）3D打印技术可用于制备各种材质及性能的材料，其应用领域非常广泛，包括电机学、结构材料、组织工程以及软体机器人等等。该技术所使用的墨水类型有很多种，比如导电胶、弹性体以及水凝胶等等。这些墨水都具有流变性能（比如粘弹性、剪切稀化、屈服应力等），有助于3D打印过程的实施。在DIW过程中，粘弹性墨水从3D打印机的喷嘴被挤压出来，形成纤维，随着喷嘴移动就可以沉积成特定的图案。但纤维直径通常受到喷嘴直径的限制，且沉积的图案受到喷嘴移动路径的限制，这些限制了DIW技术的创新和应用。
麻省理工学院的赵选贺教授等人提出了一种新型的DIW技术，利用粘弹性墨水的形变、不稳定性和断裂，突破了上述限制。他们采用单一喷嘴，通过改变喷嘴离底板的高度和喷嘴移动的速度可以控制纤维打印的直径大小和沉积图案，并且打印出了有梯度的、可以设计膨胀性能的3D结构。
图1 直接墨水书写3D打印的典型设置和打印参数 (a)DIW3D打印的典型设置示意图和相关参数(b)通过改变参数得到的各种模型
如图a、b所示，粘弹性墨水从喷嘴挤出，喷嘴内径为D，挤出速度为C，喷嘴移动速度为V，喷嘴离底板高度为H，挤出后的纤维的直径为αD（α为离膜膨胀系数）。通过改变打印参数，得到了不同参数下对应的各种模型，这表明以纤维分辨率不受喷嘴直径限制，并且以一种高度可控的方式实现。
图2 定量化相图
根据不同参数对应的不同分辨率和沉积图案，绘制了定量化的相图，用于指导粘弹性墨水打印模式的选择，打印模式由H/αD（H*）和V/C（V*）的大小决定。根据相图，就可以通过一种高度可预测的方式，选择粘弹性墨水的打印模式。
图3 可调的固化响应和梯度结构
(a)锁定拉伸系数与C/V关系曲线(b)在x轴和y轴方向呈现曲折图案的网状结构中，F与拉伸倍数λ的关系曲线(c)仅在y轴方向呈现曲折图案的网状结构中，F与拉伸倍数λ的关系曲线(d)单喷嘴打印梯度网状结构，同一层上纤维直径不同(e)单喷嘴打印梯度网状结构，不同层上纤维直径不同(f)梯度3D打印结构的膨胀示意图(g)有机溶剂中梯度制动器的不均匀膨胀响应
作者还发现，当纤维沿某一方向的沉积方式呈曲折图案时，该方向上就具有延迟硬化（应力松弛现象），且图案越曲折，延迟硬化的效果越明显，其实验结果如图所示（a）、（b）和（c）所示。最后，利用纤维直径和其膨胀特性之间的特殊关系，本文作者打印出了带有梯度结构的制动器，如图（d）、（e）、（f）和（g）所示，该制动器在有机溶剂中具有不均匀膨胀响应。