美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Burak Ozdoganlar教授利用MicroFab的噴墨打印技術(shù)制備了自由形態(tài)的微型3D冰結(jié)構(gòu)。水的快速相變能力以及環(huán)境和生物相容性使其成為一種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)材料，利用噴墨打印技術(shù)可高速和準(zhǔn)確地重復(fù)制造微尺度分辨率的3D冰結(jié)構(gòu)，可被用來(lái)生產(chǎn)具有明確內(nèi)部特征的樹脂部件，這種技術(shù)可以為微流體、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備、軟電子學(xué)和藝術(shù)帶來(lái)更多的發(fā)展。

介紹

水是地球表面最豐富的物質(zhì)，是地球上生命最重要的元素之一，液態(tài)水向冰和冰向液態(tài)水或水蒸氣的簡(jiǎn)單快速相變使水成為環(huán)境友好且生物相容性優(yōu)異的結(jié)構(gòu)材料，利用水的這一優(yōu)勢(shì)可以開發(fā)多種技術(shù)來(lái)制造復(fù)雜、多尺度和高分辨率的冰結(jié)構(gòu)。噴墨打印是一種非接觸、無(wú)掩模、可擴(kuò)展和高分辨率的工藝技術(shù)，在電子、制藥和生物醫(yī)學(xué)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，Burak Ozdoganlar教授開發(fā)了一種基于噴墨打印技術(shù)的自由形態(tài)的微型3D冰結(jié)構(gòu)的打印方法，如圖1、圖2 所示。噴墨打印噴頭（MJ-AB-01，MicroFab）安裝在一個(gè)z軸運(yùn)動(dòng)臺(tái)上，我們使用3D-ICE技術(shù)制造了具有光滑表面、連續(xù)（非離散）直徑變化和懸垂特征的結(jié)構(gòu)，此外冰模板還可以浸沒(méi)在光固化、化學(xué)交聯(lián)或溶劑基聚合物中作為外部材料（固體部分），制備微尺度分辨率模型用于微流體、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備、軟電子學(xué)和藝術(shù)等領(lǐng)域。

使用調(diào)頻控制結(jié)構(gòu)尺寸能夠構(gòu)建具有高精度和再現(xiàn)性的復(fù)雜的3D冰結(jié)構(gòu)，并擴(kuò)展3D冰印能力。如圖3，顯示了水滴在不同噴射頻率下在固定位置上的沉積，生產(chǎn)一個(gè)均勻直徑的柱需要通過(guò)隨著柱長(zhǎng)度的增加而減少液滴頻率來(lái)補(bǔ)償減少的熱流。

通過(guò)控制與液滴沉積相協(xié)調(diào)的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，支持自由懸垂的冰形成，圖4展示了利用運(yùn)動(dòng)制造有角度和彎曲的冰結(jié)構(gòu)，所得結(jié)構(gòu)的局部斜率主要取決于階段速度和凍結(jié)前沿的增長(zhǎng)率的比率。圖5展示了了三種不同的三維模型：一個(gè)具有獨(dú)立中心柱的螺旋線圈，一個(gè)分枝的樹狀結(jié)構(gòu)，和一個(gè)微尺度的章魚雕塑，光滑圓柱表面、直徑不同的截面和分支之間平滑過(guò)渡的分支結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵特征在三個(gè)方案上得以體現(xiàn)。

3D冰打印技術(shù)的一個(gè)應(yīng)用是它用于制作模板。通過(guò)在3D冰模板周圍澆鑄UV固化樹脂，反向模制通道幾何形狀，如圖6所示展示了用光（紫外線）固化的樹脂快速制造具有微尺度的內(nèi)部幾何形狀的零件。

結(jié)論

噴墨打印技術(shù)用于微尺度分辨率的自由形態(tài)微型3D冰結(jié)構(gòu)，消除了對(duì)支撐結(jié)構(gòu)和逐層構(gòu)造的需求，實(shí)現(xiàn)了具有微尺度分辨率、連續(xù)變化的圓形橫截面、平滑表面和具有平滑交叉點(diǎn)的分支分層幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)雜3D冰結(jié)構(gòu)的高速和可復(fù)制制造；通過(guò)打印犧牲冰模板來(lái)制造具有明確內(nèi)部特征/空隙的零件，實(shí)現(xiàn)了自由形式3D冰印技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用。此技術(shù)可以在3D微流控裝置、嵌入式冷卻通道的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)、血管化工程組織支架和軟機(jī)器人的氣動(dòng)致動(dòng)器中使用，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、三維微流控裝置制造、制造生物兼容性柔性電子等領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

[1] Akash Garg et al, Freeform 3D Ice Printing (3D‐ICE) at the Micro Scale, Advanced Science (2022).