一种大规模生产超细纤维的新型3D打印方法

2025年2月23日，南极熊获悉，伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校的研究人员开发出一种新方法，用于制造直径小至1.5微米的超细纤维，为模仿生物纤维结构提供了一种可扩展的技术。这项研究发表在《自然通讯》杂志上，剑桥大学、查普曼大学和弘益大学的研究人员也参与了这项工作。该技术被称为快速溶剂交换3D打印（3DPX），能够制造出长达数十厘米的纤维，有望在机器人技术、医学和先进材料领域得到应用。

△相关研究为“通过嵌入式溶剂交换快速3D打印细小、连续、柔软的纤维”（传送门）

与传统制造方法不同，3DPX技术通过溶剂交换实现挤出聚合物细丝的快速固化，克服了传统方法在灵活性和高纵横比方面的局限。该工艺的打印速度可达到5毫米/秒，远超传统的弯月面引导打印技术。通过使纤维几乎立即固化，可以有效避免毛细管效应引起的断裂，从而确保精细结构的稳定性。

工程师Mohammad Tanver Hossain指出：“在自然界中，许多丝状结构的直径仅有几微米。我们深知，实现这一目标是可行的。”

△使用嵌入式3D打印制作的螺旋结构

3D打印超细纤维

实验结果表明，采用5微米的喷嘴可以生产出直径仅1.5微米的纤维，长宽比超过3400。研究人员对支撑凝胶的流变性以及聚合物成分进行了精细调整，以确保在这一规模下的工艺稳定性，证明了这项技术的可靠性。

△嵌入式溶剂交换3D打印（3DPX）机制

该技术还证明了它对多种材料的适用性，包括热塑性弹性体、聚苯乙烯和聚氯乙烯（PVC）。他们甚至测试了含有碳纳米管的聚合物纳米复合材料，这对于电子和传感器技术的应用具有潜在价值。

除了单根纤维，研究团队还成功地打印出了固定在弹性基底上的毛发状阵列，直径小于2微米，长度超过1500微米。这些阵列在触觉传感器、药物输送微针和微流体设备中具有重要应用，它们从自然界中的传感和粘附机制中获得灵感。

△3DPX可以复制自然界中细毛和纤维的特征

可扩展性是3DPX的另一个亮点。多喷嘴打印系统展示了同时制造多个结构的能力，例如九喷嘴歧管可以并行产生相同的打印件。这种能力提升了在效率和精度同等重要的工业应用中的生产效率。

团队还尝试了线圈、螺旋线和弯曲的细丝，结果表明打印速度和凝胶的屈服应力对细丝保持形状的效果有直接影响。较高的屈服应力值提供了更好的机械支撑，防止细丝在挤出过程中发生位移。较低的打印速度允许更可控的沉积，确保纤维紧密贴合预定轨迹。

△3DPX的功能，包括材料库、特征尺寸和几何形状

与现有技术相比，3DPX技术在直接墨水书写特征尺寸上创下了新纪录。以前的嵌入式3D打印技术（例如使用可固化硅橡胶的技术）难以达到8微米以下的精度，而3DPX技术将此降至1.5微米。与电流体动力（EHD）打印和气溶胶喷射打印不同，后者通常速度较慢且需要外部支撑，3DPX技术则工作速度更快，并允许进行自由形状、无支撑打印。

当然，任何研究都会面临挑战。研究团队指出，对于超高纵横比纤维的打印后处理仍然具有挑战性，进一步改进材料配方和支撑凝胶的性能有助于提高稳定性。

Hossain指出，这种方法具有巨大的潜力，“因为超细长纤维可以与功能材料结合，从而复制出受自然启发的纤维结构。”