南极熊导读：多材料喷射增材制造工艺是将模型的材料和支撑材料（二者都为微尺度液滴）都沉淀下来，逐层构建三维（3D）部件。研究表明，液体作为支持材料有其独特的优势，因为液体可以很容易地从微通道中清除，也可以作为工作液体，永久地留在打印模型中。然而，由于缺乏对多材料液固共印过程和机制的详细了解，限制了液体打印的发展。
2022年4月，南极熊获悉，科罗拉多大学博尔德分校机械工程系的研究者对液固材料共同液固共印的打印机理，并制作了一款微流体装置。这项研究内容被发表在《Additive Manufacturing》中，题目为《Liquid-solid co-printing of multi-material 3D fluidic devices via material jetting》(《通过材料喷射实现多材料3D流体装置的液固共印》)，下面让我们具体看下他们的研究内容吧。
在此研究中，研究人员提出了对一个关键词，这就是“液固共印”，指在多材料喷射过程中对固化和非固化材料进行共沉积。在这一过程中，需要用到凝固材料，如相变油墨，在沉积后不久就会硬化并表现出剪切模量的急剧增加，而非凝固材料在沉积后仍是液体。在多材料喷射3D打印的背景下，研究人员将这两类材料结合起来，利用液体形成支撑，便于去除或者将液相材料嵌入到打印的多材料物体中。这种方法可以直接沉积化学反应物，并解决了材料喷射增材制造中的一个长期挑战：如何在3D打印后清除长的曲折的内部通道。研究人员预计，多材料喷射的液固共印技术能够打印流体逻辑电路、电化学传感器和放大器等3D模型微小且复杂的部件。
材料喷射打印
材料喷射3D打印是使用喷墨技术沉积微尺度的材料液滴。因此，相对于其他增材制造方法，它在打印过程中能够沉积不同的材料且能提供快速的转换，并具有高产量，同时提供大的构建体积（>30升是很常见的），特征尺寸低于150微米。因此，它已被广泛用于制造带有嵌入式流体电路的软体机器人，以及带有微流体通道的设备（尽管需要大量的手工后处理）。在增材制造方面，材料喷射提供了一种独特的能力：不同墨水的皮升级液滴在几乎相同的时间内能够快速而精确地沉积，使具有广泛差异的机电和化学特性的材料形成具有机械梯度的复合材料，包括半导体和电路的活性部件，以及无需额外组装的功能性 "就地打印 "物体。因此，它为整个就地打印功能系统的融合、集成制造提供了新的途径。
液固共印理论与机制
按照一般的Polyjet方法，该过程首先沉积一层初始的刚性材料，以促进对构建平台的粘附，然后是几层固体支撑，以提供结构的稳定性和打印部件的统一基础。然后按照设计的几何形状沉积光敏树脂液滴。与普通的Polyjet打印过程不同，液固协同打印沉积非光固化材料（在这项工作中，研究人员使用Stratasys模型清洗液，在此称为 "液体 "或 "非固化液体"）。
沉积的液体量可以通过改变压电驱动电压来控制，允许液体材料喷射不足或过度喷射（定义为当每个液滴中沉积的液体量分别低于或高于目标体素体积）。随着液体的沉积，它被周围的光固化材料（同时沉积的）所包含，产生了液体与墙壁的相互作用。一旦达到封盖层（定义为液体区域顶部的第一个光固化材料层），光固化液滴沉积在液体界面上，引起液滴-液体的相互作用，使液体能够作为材料喷射的支撑材料。打印过程以仿真的形式展示，我们可以清晰地看到打印的液滴在打印过程中的变化。
△液固共印机制示意图
△非凝固性液体冲击的实验与仿真
△微尺度的液固共印机理模拟
△微尺度的盖层模拟
研究人员通过高速成像、CFD和实验对液固共印过程的基本理解和表征。液固共印过程被分解成液滴-液体相互作用和液壁相互作用。在单个液滴尺度（光敏树脂液滴对液体表面的影响）以及系统尺度（涉及数十万液滴对液体表面影响的盖层）研究了液滴-液体的相互作用。研究发现，在Polyjet与Stratasys树脂的液固共印中，非固化液体的表面张力支持光聚合物液滴在液体表面进行光聚合，形成固体材料层。在使用任何工作液体和光敏树脂的组合时，有四种潜在的支配力平衡情况。(1）光敏树脂的密度小于非固化液体，表面张力显著；（2）光敏树脂的密度小于非固化液体，表面张力可以忽略不计；（3）光敏树脂的密度大于非固化液体，表面张力显著；以及（4）光敏树脂的密度大于非固化液体，表面张力力可以忽略不计。
液固共印应用
随着流体电路扩展到三维，从复杂的设计中清除支撑材料变得越来越困难，如分支通道或内部阀门。液固共印技术提供了一种加速制造带有集成阀的平面和三维流体电路的手段，这种电路可以在几小时内打印出来并容易进行后期处理。研究人员证明了液固共印这种技术能够实现平面、三维和多材料的微/网格流体，因为通过对通道施加适度的压力差，液体可以很容易地从微/网格流体通道中清除出来。
△打印的平面微流体模型
△三维和多材料的微/网格流体模型
研究人员利用液体作为材料喷射工作的材料。在这里，液体既可以是一种“牺牲品”，如在微/中流体通道中，也可以在打印时被永久地留入到一个部件中，如液压机器人或微通道中的试剂。这是第一项解释使用液体作为支持材料机制的研究，以及利用模拟和实验方法详细描述液体-固体共印过程的研究。
更多内容请下载原文查看：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102785
|
京公网安备11010802043351