近日，來自哈佛的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明出了一種革命性的主動(dòng)混合多材料3D打印頭，可以整合具有不同材質(zhì)和屬性——包括柔性和剛性材料以及導(dǎo)電和非導(dǎo)電油墨——到一個(gè)單一的3D打印對(duì)象中，這就為全3D打印的可穿戴設(shè)備、軟機(jī)器人和電子產(chǎn)品帶來了新的可能性。據(jù)了解，這種多材料打印頭是基于主動(dòng)混合技術(shù)的，在打印頭的微型噴嘴內(nèi)部有一個(gè)葉輪，一系列復(fù)雜的流體都是通過這個(gè)葉輪的旋轉(zhuǎn)結(jié)合在一起的。
雖然我們已經(jīng)看到了PCB 3D打印機(jī)的出現(xiàn)，還有最新有一些嵌入了電子元件的3D打印服飾被媒體報(bào)道。但是客觀地說，之前的3D打印技術(shù)仍未解決多材料集成的問題。也就是說，如何在不停止打印過程的條件下實(shí)現(xiàn)柔性材料、剛性材料和電子電路的無縫和精確過渡。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)用來混合復(fù)雜流體的方法是被動(dòng)的：兩股流體在一個(gè)通道中匯合，在這里它們進(jìn)行擴(kuò)散混合。這種方法對(duì)于低粘度流體來說是足夠了，但對(duì)于一些高粘度液體，如凝膠，是無效的。
據(jù)了解，這項(xiàng)研究是由哈佛教授Jennifer A. Lewis領(lǐng)導(dǎo)的，研究團(tuán)隊(duì)采用主動(dòng)混合和快速開關(guān)的噴嘴，可以實(shí)現(xiàn)濃粘彈性油墨的打印以及在3D打印過程中同時(shí)控制幾何形狀和組成成份。使用這種方法，所有流體并不是匯集在一個(gè)通道里，而是每個(gè)流體都有一個(gè)單獨(dú)的入口進(jìn)入混合室，然后由葉輪以恒定的速度旋轉(zhuǎn)，使其在一種窄間隙中混合。
Lewis教授被認(rèn)為是全球3D打印領(lǐng)域的技術(shù)權(quán)威，而且于2014年成立了多材料電子產(chǎn)品3D打印機(jī)公司Voxel8，該公司一經(jīng)成立便相當(dāng)受追捧，很快就獲得了1000多萬美元的風(fēng)險(xiǎn)投資，很顯然，Lewis教授開發(fā)的這項(xiàng)技術(shù)與Voxel8公司的業(yè)務(wù)非常吻合。而她此次設(shè)計(jì)的主動(dòng)混合技術(shù)是與哈佛Wyss研究所的博士后研究員Thomas Ober以及Daniele Foresti一起進(jìn)行的。
“被動(dòng)混合物并不能保證完全材料的完全混合，特別是高粘度的油墨。”Ober說，“我們開發(fā)了一個(gè)合理技術(shù)框架——并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了它，我們設(shè)計(jì)的主動(dòng)微流體混合器，可以搭配多種材質(zhì)。”
據(jù)了解，這種主動(dòng)混合技術(shù)在3D打印過程中的應(yīng)用效果相當(dāng)是顯著。研究團(tuán)隊(duì)證明，有機(jī)硅彈性體可以無縫打印成由軟質(zhì)和硬區(qū)域組成梯度結(jié)構(gòu)（這意味著在3D打印的可穿戴設(shè)備中，柔性材料可以跟隨我們的身體和關(guān)節(jié)移動(dòng)，而剛性材料則用來容納電子元器件）。而且，這種技術(shù)也可以用來打印反應(yīng)性材料，以及可以按需混合導(dǎo)電和電阻性油墨。
此前，在打印過程中隨時(shí)混合材料僅僅是一個(gè)想法而已，但是現(xiàn)在，Lewis教授的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將其變成現(xiàn)實(shí)可行的技術(shù)。研究團(tuán)隊(duì)最近還設(shè)計(jì)了一個(gè)打印頭，可以在一個(gè)單一的噴嘴內(nèi)實(shí)現(xiàn)多個(gè)墨水之間的切換，這樣就無需對(duì)齊多個(gè)噴嘴，在打印過程中暫停油墨的流動(dòng)。
“總之，這種主動(dòng)混合和切換打印頭是多材料3D打印研究領(lǐng)域中的一個(gè) 重大進(jìn)步。”Lewis說，“它可以實(shí)現(xiàn)在微觀水平上通過編程控制兩種材料的組成和結(jié)構(gòu)，這位通過設(shè)計(jì)創(chuàng)造材料開辟了新的途徑。”
這項(xiàng)研究發(fā)表了在了美國國家科學(xué)院學(xué)報(bào)（PNAS）上。
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