增材製造技術，即3D打印技術，能夠加工傳統成型方式難以實現的複雜三維結構，同時具有材料利用率高和成型速度快等優點。其中，基於從噴嘴噴出熔體或者油墨的3D打印方式可以實現幾乎任何物質的加工，包括聚合物、金屬、陶瓷、木材以及生物組織等。但是，目前基於噴嘴的3D打印技術存在打印速度慢和打印精度低等缺點，限制了材料多功能性的開發。西班牙羅維拉-威爾吉利大學Joan Rosell-Llompart和Andreu Cabot等人通過在噴嘴周圍外加電壓，實現了以高達100萬m/s2橫向加速度來調節打印路徑，同時以高達2000 Hz逐層堆疊頻率將納米纖維打印成具有亞微米特徵的三維結構，面內和垂直方向打印速度分別可以達到 0.5m/s和0.4mm/s，比現有技術提升了3-4個數量級。相關工作以“Ultrafast 3D printing with submicrometer features using electrostatic jet deflection”為題，發表於《Nature Communications》上。
打印原理為了有效地減小打印線的尺寸，通過在噴嘴和打印襯底之間施加的電場來吸引熔體或油墨，而不是迫使材料從非常細的噴嘴擠出。一旦作用在液體表面上的電應力克服表面張力，液麵便會形成一個泰勒錐，從而將很細的墨水射流快速地推向打印襯底。此外，研究人員在射流周圍外加電極，這些電極能夠改變射流附近的電場，使其偏離原始軌跡，並以此可以控制其到達襯底的位置。隨後與傳統的3D打印過程一樣，逐層堆積直至形成所需的三維結構。
圖1 靜電控制射流軌跡
在上述打印過程中，射流的偏轉角度取決於電場變化的幅度和頻率。施加小幅度電壓時，射流呈現隨電壓幅度線性變化的小偏轉角（<15°）；較高的電壓幅度則會導致射流偏轉角非線性增加。在低頻下，較小的振幅會導致纖維發生彎曲，而較大的振幅會產生直纖維，隨著射流偏轉頻率的增加，彎曲的幅度會減小。
圖2 射流偏轉參數的作用
二維圖案與三維結構的打印
由於射流僅在一個軸上發生偏轉，因此可以沉積厚度低至100nm的纖維和最大2mm圖案的纖維。使用至少兩個電極可以使射流沿著基板平面在任何方向上偏轉，能夠產生具有任何形狀的2D結構。此外，研究人員通過將射流偏轉系統與機械平臺耦合並使之同步，將微觀特徵的快速打印擴展到更大的區域。
圖3 2D圖案的打印
在上述打印2D圖案的基礎上，通過連續逐層沉積材料來打印3D對象，可以製作出高度達100μm且縱橫比非常高的3D結構 ，例如高度與厚度比遠高於1000的牆壁也能很容易被打印出來。研究人員選用的是電導率相對較低的PEO油墨，實現了高達2000 Hz逐層堆疊頻率，轉換成面內打印速度最高可達0.5m/s，垂直方向打印速度高達0.4mm/s。通過增加打印材料的電導率或使用適當的氣氛，可以進一步提高3D打印的速度。
圖4 3D牆的打印
3D結構的打印還需要考慮到溶劑的蒸發速率，溶劑的蒸發速率必須足夠低，以確保噴嘴不會阻塞，但蒸發速率又必須足夠高，以使打印襯底的材料快速乾燥。在噴嘴到達襯底時保持較低的粘度的墨水，可以獲得較小的曲率半徑，而打印纖維橋需要使用具有較高粘度的墨水。此外，一旦材料被打印，隨後的溶劑蒸發和體積損失可能會導致纖維收縮，從而對3D結構的幾何保真度產生負面影響。在打印過程中，可以通過改變墨水成分和調整環境條件來控制甚至避免收縮。
圖5 3D結構的打印
材料的多功能性是噴射3D打印的主要優勢，除了可以打印由PEO製成的墨水，還可以合理設計墨水配方實現其他聚合物3D結構的打印，例如將PEO和PEDOT-PSS進行復合，或者是引入各種納米顆粒到油墨中。此外，還能通過打印含有分子前驅體或金屬鹽的墨水，進一步退火處理後得到無機結構，也可以拓展至生物組織或者活細胞等的3D打印。
圖6 壁微結構的控制
對比能夠以亞微米分辨率打印的增材製造技術，可以發現當製造具有較小特徵的物體時，打印速度會急劇下降；打印分辨率每增加一個數量級，打印速度就會降低4個數量級。在這種情況下，研究人員開發的這種打印方式可以實現以高達105μm3/s的打印速度來打印小至100 nm的結構，即確保高打印精度下實現了高速打印。
圖7 增材製造技術對比
小結
研究人員在噴嘴周圍外加電極，通過快速調節電極周圍的靜電場來實現基於噴嘴3D打印技術的快速打印。平面內打印速度最高可達0.5 m/s，垂直方向打印速度高達0.4 mm/s，遠遠超越了所有已知的能夠實現亞微米分辨率的增材製造技術，實現了任意成分、多種微觀結構和多功能的3D製件的超高速製造。
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原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-14557-w
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