![]()
增材制造技术，即3D打印技术，能够加工传统成型方式难以实现的复杂三维结构，同时具有材料利用率高和成型速度快等优点。其中，基于从喷嘴喷出熔体或者油墨的3D打印方式可以实现几乎任何物质的加工，包括聚合物、金属、陶瓷、木材以及生物组织等。但是，目前基于喷嘴的3D打印技术存在打印速度慢和打印精度低等缺点，限制了材料多功能性的开发。西班牙罗维拉-威尔吉利大学Joan Rosell-Llompart和Andreu Cabot等人通过在喷嘴周围外加电压，实现了以高达100万m/s2横向加速度来调节打印路径，同时以高达2000 Hz逐层堆叠频率将纳米纤维打印成具有亚微米特征的三维结构，面内和垂直方向打印速度分别可以达到0.5m/s和0.4mm/s，比现有技术提升了3-4个数量级。相关工作以“Ultrafast 3D printing with submicrometer features using electrostatic jet deflection”为题，发表于《Nature Communications》上。为了有效地减小打印线的尺寸，通过在喷嘴和打印衬底之间施加的电场来吸引熔体或油墨，而不是迫使材料从非常细的喷嘴挤出。一旦作用在液体表面上的电应力克服表面张力，液面便会形成一个泰勒锥，从而将很细的墨水射流快速地推向打印衬底。此外，研究人员在射流周围外加电极，这些电极能够改变射流附近的电场，使其偏离原始轨迹，并以此可以控制其到达衬底的位置。随后与传统的3D打印过程一样，逐层堆积直至形成所需的三维结构。在上述打印过程中，射流的偏转角度取决于电场变化的幅度和频率。施加小幅度电压时，射流呈现随电压幅度线性变化的小偏转角（<15°）；较高的电压幅度则会导致射流偏转角非线性增加。在低频下，较小的振幅会导致纤维发生弯曲，而较大的振幅会产生直纤维，随着射流偏转频率的增加，弯曲的幅度会减小。由于射流仅在一个轴上发生偏转，因此可以沉积厚度低至100nm的纤维和最大2mm图案的纤维。使用至少两个电极可以使射流沿着基板平面在任何方向上偏转，能够产生具有任何形状的2D结构。此外，研究人员通过将射流偏转系统与机械平台耦合并使之同步，将微观特征的快速打印扩展到更大的区域。在上述打印2D图案的基础上，通过连续逐层沉积材料来打印3D对象，可以制作出高度达100μm且纵横比非常高的3D结构，例如高度与厚度比远高于1000的墙壁也能很容易被打印出来。研究人员选用的是电导率相对较低的PEO油墨，实现了高达2000 Hz逐层堆叠频率，转换成面内打印速度最高可达0.5m/s，垂直方向打印速度高达0.4mm/s。通过增加打印材料的电导率或使用适当的气氛，可以进一步提高3D打印的速度。3D结构的打印还需要考虑到溶剂的蒸发速率，溶剂的蒸发速率必须足够低，以确保喷嘴不会阻塞，但蒸发速率又必须足够高，以使打印衬底的材料快速干燥。在喷嘴到达衬底时保持较低的粘度的墨水，可以获得较小的曲率半径，而打印纤维桥需要使用具有较高粘度的墨水。此外，一旦材料被打印，随后的溶剂蒸发和体积损失可能会导致纤维收缩，从而对3D结构的几何保真度产生负面影响。在打印过程中，可以通过改变墨水成分和调整环境条件来控制甚至避免收缩。材料的多功能性是喷射3D打印的主要优势，除了可以打印由PEO制成的墨水，还可以合理设计墨水配方实现其他聚合物3D结构的打印，例如将PEO和PEDOT-PSS进行复合，或者是引入各种纳米颗粒到油墨中。此外，还能通过打印含有分子前驱体或金属盐的墨水，进一步退火处理后得到无机结构，也可以拓展至生物组织或者活细胞等的3D打印。对比能够以亚微米分辨率打印的增材制造技术，可以发现当制造具有较小特征的物体时，打印速度会急剧下降；打印分辨率每增加一个数量级，打印速度就会降低4个数量级。在这种情况下，研究人员开发的这种打印方式可以实现以高达105μm3/s的打印速度来打印小至100 nm的结构，即确保高打印精度下实现了高速打印。研究人员在喷嘴周围外加电极，通过快速调节电极周围的静电场来实现基于喷嘴3D打印技术的快速打印。平面内打印速度最高可达0.5 m/s，垂直方向打印速度高达0.4 mm/s，远远超越了所有已知的能够实现亚微米分辨率的增材制造技术，实现了任意成分、多种微观结构和多功能的3D制件的超高速制造。推荐阅读：
·5篇《Science》！3D打印或将迎来大爆发！
·《Nature》：从“鞋子”到“火箭”！一文了解3D打印最新进展！
https://www.nature.com/articles/s41467-020-14557-w来源：高分子科学前沿
声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
---纳米纤维素找北方世纪---
![]()
---3D打印展来袭！扫码预登记---
声明：凡本平台注明“来源：XXX”的文/图等稿件，本平台转载出于传递更多信息及方便产业探讨之目的，并不意味着本平台赞同其观点或证实其内容的真实性，文章内容仅供参考。如有侵权，请联系我们删除。
我们的微博：高分子科学前沿，欢迎和我们互动。
添加主编为好友（微信号：polymer-xiang，请备注：名字-单位-职称-研究方向），邀请您加入学术圈、企业界、硕博联盟、北美、欧洲、塑料、橡塑弹性体、纤维、涂层黏合剂、油墨、凝胶、生物医用高分子、高分子合成、膜材料、石墨烯、纳米材料、表征技术、车用高分子、发泡、聚酰亚胺等一系列技术交流群。同时可以在菜单中回复“交流群”，获取群目录。
添加 小编 微信（务必备注：名字-单位-职称-研究方向）
邀请您入讨论群
![]()
（ 微信二维码 扫码添加）
我们的QQ交流群：451749996（务必备注：名字-单位-研究方向）
投稿 荐稿 合作：editor@polysci.cn
![]()