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卡内基梅隆大学开发自由曲面3D冰打印工艺,以创建微尺度结构

发布时间:2024-07-20 20:34 浏览次数:
3D 打印技术的进步已使医学、制造和能源等多个领域的众多应用成为可能。可以使用多种不同的材料来打印简单的基础和精细的细节,从而创建具有定制几何形状的结构。然而,创建具有微尺度、精确内部空隙和通道的结构仍然具有挑战性。例如,组织工程中使用的支架必须包含模拟人体血管的三维复杂管道网络。使用传统的增材制造技术,材料是逐层沉积的,很难在不牺牲时间、准确性和资源的情况下打印出如此复杂的内部特征。


2024年7月19日,南极熊获悉,为了解决上述问题,卡内基梅隆大学机械工程学教授PhilipLeDuc和Burak Ozdoganlar领衔开发了一种新型的自由曲面 3D 冰打印 (3D-ICE) 工艺。该技术采用按需滴落的 3D 打印方法,以水代替传统印刷油墨。压电喷墨喷嘴将微小的水滴喷射到保持在冰点以下的构建平台上,这使得水滴在接触后不久就会冻结。


△微型 3D 打印冰结构。(图片来源:卡内基梅隆大学)


独特的是,可以控制该过程以在前一滴液滴冻结之前沉积一滴或多滴液滴。这样,打印结构的顶部会保留一个水帽,冻结从底部开始。这使得创建具有光滑壁、过渡和分支的结构成为可能。可以制造出像人的头发一样小的特征。随着更多液滴的沉积,构建平台上的冰结构逐渐成型。可以通过控制液滴沉积速率以及打印表面、液滴和工作空间的温度来调整柱子几何形状的直径、高度和相对平滑度。如果构建平台发生移动,使得进入的液滴以一定角度撞击,冻结前沿将相应旋转,从而可以产生分支、弯曲和悬垂结构,而如果没有额外的支撑材料,使用其他 3D 打印技术打印这些结构将具有挑战性或不可能。


勒杜克(LeDuc)说:“3D 冰可以用作牺牲材料,这意味着我们可以用它在制造的部件内部创建形状精确的通道。这将在很多领域都有用,从制造新组织到软机器人。”


自项目开始以来,LeDuc 和Ozdoganlar 的研究团队一直在研究如何确保 3D 冰的形成过程可预测且可重复。在他们最近发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS,Garg 等人,2024 年)上题为“Physics of microscale freeform 3D printing of ice/冰的微尺度自由曲面 3D 打印的物理学”的文章中,他们描述了 2D 和 3D 数值模型,以阐明 3D 冰背后的物理原理,包括传热、流体动力学以及打印过程中从液体到固体的快速相变。



相关论文链接:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2322330121


他们的 2D 模型绘制了直柱的构造,包括分层沉积和平滑沉积的各自影响。Ozdoganlar 说:“液滴沉积的频率会影响结构的高度和宽度。如果快速沉积,水帽会增长,产生更宽的结构。如果缓慢沉积,则结构会变得更窄更高。基质温度也会产生影响。对于相同的液滴沉积速率,较低的基质温度会产生更高的结构。”


△分层沉积中冰柱和液体帽之间的热通量


他们的 3D 模型通过预测冻结锋的旋转来绘制斜向结构的构造。Ozdoganlar 说道:“有各种类型的热传递,包括传导至底部和对流至周围区域。当你沉积每个液滴时,所有这些因素都在同时起作用。如果你倾斜沉积,液滴的一部分会在冻结之前溢出到柱子的一侧。当你继续以该角度沉积时,冻结锋会慢慢改变形状,结构会朝那个方向生长。”


除了进一步完善数学模型外,勒杜克和奥兹多甘拉尔的实验室现在还希望扩大 3D-ICE 的规模,并探索其在一系列应用中的功效。例如,组织工程的当前策略通常涉及设计通用组织。3D-ICE 很快就能打印出与每位患者血管系统独特结构相匹配的个性化组织,满足患者身体的特定需求。此外,3D-ICE 将能够创建功能性组织结构,用于了解不同的疾病或开发新的治疗方法。


勒杜克说:“我刚开始建立实验室时,从未想过我们能用 3D 打印技术打印冰块,并用它来制造组织来帮助人们。但我们的研究已经发展起来。它把像布拉克和我这样的人聚集在一起,每个人都带来了各种不同的观点和能力。在这个跨学科的科学和工程领域,大家齐心协力做这项工作是一件很棒的事情,整体效果肯定大于个体效果。”

来源:南极熊

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