来源： 增材工业
传统的增材制造技术受限于平面逐层堆积的制造方式，难以在复杂曲面上直接制造功能器件。基于喷墨技术的随形增材制造技术应运而生，它利用高精度喷墨打印头，将功能性材料直接沉积到三维物体表面，突破了平面限制，为三维功能器件的制造提供了全新的解决方案。近日，一篇发布在International Journal of Extreme Manufacturing（IF=16.1）的综述研究从技术原理、优势特点、应用领域等多维度，详细介绍了基于喷墨技术的随形增材制造技术。
增材制造技术，又称3D打印技术，以其独特的逐层堆积制造方式，为复杂结构零件的制造提供了极大的灵活性和设计自由度。然而，传统的增材制造技术通常只能在平面上进行材料堆积，难以直接在复杂曲面上制造功能器件，这极大地限制了其在电子、生物医疗等领域的应用。
近年来，随着喷墨打印技术的快速发展，基于喷墨技术的随形增材制造技术逐渐兴起。喷墨打印作为一种非接触式增材制造技术，凭借其低成本、强可扩展性以及适用于大规模制造等优势，在材料沉积领域展现出显著的技术特点。
该技术能够实现精确的按需液滴分配和非接触式材料输送，并广泛应用于生物材料、药物制剂、石墨烯、功能聚合物以及电极材料等多种功能材料的沉积。此外，喷墨打印还支持多种材料的连续沉积，为复杂结构和多功能器件的制造提供了高效且灵活的解决方案。
技术原理
基于喷墨技术的随形增材制造技术的工作原理与传统的喷墨打印机类似，但其核心在于高精度喷墨打印头和精密运动控制系统的协同工作。
喷墨打印头: 喷墨打印头是随形增材制造技术的核心部件，其内部装有精密的压电元件或热气泡发生器，可以将功能性材料溶液转化为微小的液滴，并精确控制液滴的大小和喷射速度。目前，常用的功能性材料包括导电油墨、半导体材料、介电材料、生物材料等。
运动控制系统: 运动控制系统负责控制喷墨打印头的位置和角度，使其能够适应各种复杂曲面。系统会根据目标物体的三维模型，自动规划打印路径，确保打印头始终与表面保持最佳距离和角度，从而实现高精度、高分辨率的材料沉积。
喷墨模式
喷墨技术依据喷射过程的连续性特征，主要可分为连续喷墨和按需喷墨两大类。在不同类型的喷墨技术及其制造应用中，各类喷射模式均展现出独特的性能优势：
压电式喷墨：以其广泛的材料兼容性著称。
热气泡式喷墨：对生物材料表现出优异的适应性。
气溶胶喷射技术：具备广泛的材料适用性，并支持原位实时调整材料比例。
电流体动力喷射：以实现高分辨率打印和多模态材料喷射为目标，展现了其在微纳尺度制造领域的潜力。
基于喷墨的三种随形增材制造模式 （a）压电喷射模式；（b）热气泡喷射模式；（c）电流体动力喷射模式；（d）气溶胶喷射模式
喷墨式随形增材制造技术的优势
喷墨式随形增材制造技术以其多维工艺灵活性、多样化数字化驱动接口和多材料打印能力脱颖而出。该技术通过先进的数字化驱动方式，精确控制墨水沉积和打印过程，满足复杂随形表面的制造需求，显著提高了制造精度和效率。
3.1多材料能力
喷墨打印在随形制造中的核心优势在于其多材料沉积能力，能够连续打印不同功能或物理状态的材料，如液态和固态材料，甚至实现原位混合。这种能力使其在制造多功能复合结构（如半导体、电路等）方面具有独特优势：
功能材料连续沉积：传统方法通常局限于单一材料或复杂的多材料组合步骤，而喷墨打印通过精确控制喷嘴运动和墨水沉积，简化了多材料打印过程；
液、固共打印：喷墨打印可实现固化与非固化材料的共同沉积，支持复杂3D结构的制造，广泛应用于微流体、芯片实验室设备和机器人等领域（如下图a）；
原位混合：通过精确控制墨水喷射比例和混合方法，喷墨打印可在微尺度上实现材料梯度成分的制造，满足功能梯度材料的需求。例如，气溶胶喷射打印允许在打印过程中实时调整材料混合比例，为制造高性能薄膜和多功能结构提供了可能（如下图b）。
多材料打印技术在柔性电子、储能、航空航天和个性化产品设计等领域展现了广泛应用前景。然而，材料间的界面兼容性（如润湿性、粗糙度和化学兼容性）是实现这些优势的关键，需通过表面处理（如等离子或紫外线照射）和材料选择优化来解决。 多元数字化驱动
喷墨式随形增材制造技术与机器学习（ML）和人工智能（AI）等数字化驱动技术的结合，实现了智能化的制造控制。这种集成优化了液滴喷射、复杂基材上的精确沉积以及错误管理，为高难度制造任务提供了解决方案。
数字化驱动的优势体现在：
工艺参数优化：ML通过分析液滴喷射行为与打印结果的关系，优化打印条件，减少实验成本。例如，压电喷射打印技术通过分析频率、电压等参数，预测喷雾行为并优化墨水设计。
复杂基材适应：气溶胶喷射打印技术通过ML建立工艺参数与打印质量的非线性关系，实现复杂曲面上的精确沉积。例如，鞘气流量和载气流量的优化可通过数据驱动方法得以实现。
智能错误管理：数字化驱动技术支持闭环控制，实时调整打印参数，提高制造精度和效率。
数字化驱动优势 3.3多维工艺灵活性
喷墨打印作为一种非接触式技术，具有高度的灵活性和适应性，能够适应复杂曲面和多样化基材，成为随形制造的关键技术。
1、垂直制造维度的灵活性
复杂曲面通常具有变化的高斯曲率，给传统接触式制造技术带来挑战。直接接触这些表面或软基材可能导致变形，影响精度。喷墨打印通过非接触式材料沉积，避免了这些问题，能够精确控制喷嘴与基材的距离，减少摩擦和变形，从而实现高精度制造。
2、水平制造维度的灵活性
在水平制造维度上，喷墨打印通过多喷嘴系统实现高通量制造，数百或数千个喷嘴可同时工作，支持并行打印多个结构或结构不同部位。这在药物筛选、反应器和基因测序等领域具有重要应用。例如，DNA合成中，多喷嘴模式能精确沉积偶联剂，提高反应效率。这种高通量能力支持复杂三维结构的快速制造。
3、材料开发的灵活性
喷墨打印可与其他制造工艺（如选择性激光熔化）结合，支持高通量材料筛选，加速新材料的发现和应用。例如，在可再生能源存储领域，喷墨打印帮助快速筛选固体电催化剂，并加速新型钙钛矿薄膜的发现（如下图b-d所示）。这种高通量筛选能力为随形制造中的材料开发提供了独特优势，特别是在不同流变特性的基材上。
基于喷墨的保形增材制造技术的多维工艺灵活性
基于喷墨的随形增材制造的应用领域
基于喷墨的随形增材制造因其独特的优势，在保形电子、能源设备、生物制造和超表面制造等新兴技术领域具有无限潜力。
4.1适用于智能和物联网（IoT）应用的保形电子产品
保形电子设备的可扩展性和可持续性主要受限于油墨配方和打印工艺。随着保形电子产品的结构复杂性日益增加，特别是在无线多功能系统中，对高精度和集成制造的需求也日益增加。
下图（a）展示了当前喷墨打印技术制作的曲面电子产品。大多数保形电子制造采用在柔性基板上打印并转移到复杂表面，但这种方法对不可拉伸或低拉伸材料存在限制。基于喷墨的保形增材制造无需额外掩模和配件，可以扩展材料和基板选择，支持从共面到三维的打印。关键进展在于避免了繁琐的转移和组装过程，实现了曲面上的直接随形制造。
智能和物联网应用的随形制造
目前，随形电子制造及其在电子领域的潜在应用主要集中在共形天线和传感器及可穿戴设备。
4.2能量收集和存储设备
随着科技进步和全球低碳倡导，能源设备正在朝着更高的能源利用效率和转换率发展。随形结构在能源设备中大有可为，热电发电机（TEG）和离子电池便是典型应用代表。
热电发电机（TEG）
全球能源消耗中约三分之二以热能形式浪费，TEG作为一种自供电设备，可以将废热转化为电能。为了提高转换效率，需要最大限度减少热损失。随着热电材料性能的提升，设计更高效的TEG并确保其可靠性变得至关重要。
为了高效收集热量，TEG需要与形状变化的热源（如人体）紧密贴合。基于喷墨的保形增材制造可以直接打印3D形状的TEG，避免传统方法中平面基板的局限性，支持垂直方向上的热量收集。这种保形设计不仅提高了热量收集效率，还能在变形条件下稳定工作，适用于低温、大面积的能量收集。
离子电池
离子电池是现代能源存储的核心，广泛用于移动电源和电动汽车等领域。然而，传统电池形状固定，难以与复杂形状的设备集成，并存在界面不匹配和充放电速度慢的问题。为提高性能，需要在电池表面涂覆均匀的保形涂层，确保与设备紧密贴合。基于喷墨的随形增材制造技术能够直接在复杂表面上集成形状匹配的离子电池，提升电池能量密度，克服传统方法的限制，提高电池效率和安全性，满足未来的能源存储需求。
生物电子学和医学应用
适形生物电子器件因能够与皮肤紧密接触、精确监测生物信号并提供高效治疗，成为研究热点。植入式器件可直接在病变部位进行诊断和治疗，但效果取决于器件与病变部位的稳定黏附。皮肤分泌物和机械不匹配问题影响了黏附效果，需要开发不引起免疫反应的适形黏附剂。
由于人体结构复杂，胶粘剂的要求较高。现有技术依赖外部设备，限制了设备与生物系统的整合。软体电子设备与大脑的机械匹配可以减少免疫反应，这一原理与喷墨增材制造技术结合，为电子设备与生物组织之间的界面提供了理论支持。
喷墨增材制造技术在生物制造中的应用，特别是在软神经探针和微电极阵列的制造中，提升了电子设备与生物系统的整合性。此外，生物打印像素的概念为喷墨打印技术在生物材料植入和器官修复等领域开辟了新途径。
综上所述，喷墨增材制造技术不仅能够沉积生物材料，还能制造导电、透明、可弯曲或拉伸的生物相容性器件，具备较高的表面设计自由度，能够与生物样品形成最佳接触，为生物打印提供了新的发展方向。
总结
基于喷墨技术的随形增材制造技术突破了传统增材制造技术的平面限制，为三维功能器件的制造提供了全新的解决方案。该技术具有高精度、高分辨率、材料选择广泛、非接触式打印等优势，在航空航天、生物医疗、电子消费品、物联网等领域具有广阔的应用前景。未来，随着技术的不断发展和完善，基于喷墨技术的随形增材制造技术将会在更多领域大放异彩，为人类社会的发展做出更大的贡献。
论文链接：
[1] 10.1088/2631-7990/ada8e6
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