西北大学的工程师研发出一种名为 "直接墨水增材光刻"（direct ink additive lithography，DIAL）的 3D 打印方法。它能在 30 分钟内打印出一个多孔网格，而同样的零件用传统挤出打印需要 124 分钟，且打印出的零件特征更锐利、缺陷更少。这项研究发表于 Science Advances，它把两种通常只能二选一的工艺结合了起来：膏状墨水挤出可以处理多种功能材料，而投影光固化则速度快、分辨率高。该论文的资深作者是西北大学麦考密克工程学院 "机器物质实验室"（Robotic Matter Lab）负责人、助理教授 Ryan Truby。"DIAL 能制造出用其他 3D 打印方法很难、甚至无法实现的零件。" 他说。论文第一作者为博士生 Pranav Kaarthik，共同作者包括 Michael Bayer、EunBi Oh 和 Alexander Kane。
工艺原理
每一层都分三步构建。首先，狭缝式模头喷嘴把大量浓稠墨水沉积在一个平面上；随后，刮刀将其刮平成 50 微米厚的均匀薄膜 —— 比一根头发丝还薄；最后，投影仪把带图案的光像投射到薄膜上，墨水在受光处固化。机器不断重复这些步骤，直至零件成型。由于 DIAL 是对每一层的整片区域一次性固化，而不是逐条描绘，因此比挤出方式快得多。其分辨率主要取决于投影仪的像素尺寸和层厚，而与喷嘴宽度无关。这也绕开了挤出打印的一个常见难题：细喷嘴细节更好但容易堵塞，用户往往改用更粗的喷嘴，从而牺牲分辨率。此外，DIAL 还能处理散射光线的、致密的颗粒填充墨水，而大多数树脂打印机无法做到。
除了拓宽可选墨水的范围，墨水本身在打印过程中还起到支撑零件的作用。所用的模型墨水由光固化树脂与气相二氧化硅纳米颗粒配制而成，从而成为一种具有屈服应力的材料：静置时保持固态，被刮刀铺展的瞬间短暂流动，随后立即重新变硬。因此，每个特征周围未固化的墨水能在构建过程中支撑悬垂和桥接结构，零件无需另加支撑。团队可以通过调整二氧化硅的用量来调节墨水的刚度。Kaarthik 表示，这一点之所以重要，是因为去除打印支撑本身也有风险。"有时，清除这些支撑会破坏你正想做出的精细特征。" 使用 DIAL 时，残留墨水只需从成品上冲洗掉，打印面上多余的墨水还可以收集起来重复使用。
西北大学的 DIAL 方法将浓稠墨水铺成薄片，再用图案化光线使其硬化，打印速度比挤出方式快四倍以上。图片来自 Kristin Samuelson。
与挤出打印和树脂打印的对比测试
除了 30 分钟的网格打印，DIAL 还制作了壁厚仅 150 微米的点阵结构 —— 这是挤出打印完全无法做到的 —— 以及互锁的链甲结构，这类结构无论用挤出还是树脂打印都难以实现。一台桌面光固化树脂打印机只有额外添加支撑结构，才能勉强做出 DIAL 部分精细点阵的效果。
该方法还能一次打印多个物体，并可在层与层之间切换墨水。在一次测试中，团队让投影仪在相互重叠的墨层上移动，打印出比投影仪光场大近四倍的蜂窝结构。大多数光固化打印机是在树脂槽内固化树脂，这限制了成型尺寸；DIAL 没有树脂槽，因此研究人员预计它更容易放大规模。他们还预计，一旦缩短机器在更换工具上所花的时间，打印速度还能进一步提升。
电解质与水凝胶
为了证明该方法能用于有价值的材料，团队又配制了两种墨水。第一种是结构电解质，基于一种可聚合离子液体 —— 一种 Truby 实验室已为柔性离子电子传感器制造的液态盐。在一次 15 分钟的打印中，打印机做出了 15 个多孔点阵结构，每个约相当于一枚小纽扣电池大小。能够把电解质成型为可控的三维结构，最终可能有助于设计新型储能器件。第二种墨水是富含水的水凝胶，这类材料能够模拟活体组织的某些特性。团队用它打印了小型容器，仿照组织工程实验室所用的细胞培养插件。容器底部覆盖着阵列式微型倒金字塔结构，这是一种用于培养细胞和类器官的表面图案。Truby 表示，要让这些材料实现打印，必须同时在多个层面做出改变。"要打印这类材料，我们不仅需要新的软件能力、新的硬件或新的墨水，而是三者齐备、协同工作。"
机器物质实验室成员、博士生 Pranav Kaarthik 是论文第一作者。图片来自 Kristin Samuelson。
下一步目标：太空、软体机器人与生物制造
机器物质实验室目前正在研发用于以下方向的 DIAL 材料：必须耐受极端条件的航天器硬件、软体机器人部件、医疗器械，以及生物制造中的组织培养。其他可能的应用还包括结构部件与储能装置。"我们将能够 3D 打印那些此前从未被 3D 打印过的材料。"Truby 说。该研究由美国国家科学基金会（NSF）通过西北大学材料研究科学与工程中心（MRSEC）、美国空军科学研究办公室（AFOSR）以及西北大学的瑞安家族奖学金（Ryan Family Fellowship）资助。该奖学金由国际纳米技术研究所（IIN）管理。
打破速度、分辨率与材料之间的权衡
DIAL 针对的是增材制造领域长期存在的一种妥协：挤出工艺能处理浓稠的功能性墨水，但速度慢、细节有限；光固化打印速度快、精度高，却需要稀薄透明的树脂和支撑结构。颗粒填充墨水的光散射问题 ——DIAL 绕开的限制之一 —— 促使其他团队转而改变工艺路线。将陶瓷或金属粉末混入光敏树脂会提高黏度并加剧光散射，使精细特征难以打印，且往往表面质量不佳。洛桑联邦理工学院（EPFL）的团队通过先打印水凝胶支架、再向其渗入金属的方式规避了这一问题：研究人员先用标准 DLP 打印出 "空白" 水凝胶骨架，然后浸渗金属盐溶液，反复进行浸渗循环后，某些情况下金属负载量接近 80 wt%。
另一些研究则聚焦速度。清华大学的研究人员开发出一种利用全息光场的体积 3D 打印方法，最快 0.6 秒即可成型毫米级聚合物结构，所用墨水从黏度 4.734 cP 的低黏度 PEGDA 水凝胶一直到黏度超过 500 cP 的丙烯酸酯树脂。但体积打印仍依赖光线穿透整个树脂体积，而 DIAL 的薄片方案可使用不透明的膏状墨水。
支撑去除 ——DIAL 通过让未固化墨水托住零件而免去这一环节 —— 是另一个活跃的研究方向。劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）与加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）的研究人员开发出一种双波长树脂，可在同一配方中打印永久结构与可降解支撑，无需更换树脂或手工去除支撑。在得克萨斯大学奥斯汀分校，Zachariah A. Page 领导的团队研制出一种多色 DLP 打印方案，用于制造独立式、免装配的结构；其支撑在室温下于乙酸乙酯中不到 10 分钟即可溶解，无需打磨或切割。这些方法让支撑更易去除，而 DIAL 则从根本上无需打印支撑。
上述每种方法都只解决了这一权衡的某一个方面 —— 无论是材料负载量、速度还是支撑。DIAL 则在围绕膏状墨水构建的单一工艺中，同时应对这三方面的问题。
来源：中国3D打印网编译文章！
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