科羅拉多大學博爾德分校的研究人員開發了一種新的多材料 3D 打印方法，能夠生產具有固體和液體成分的零件。

幾乎當今所有的 3D 打印機，可能還有一些實驗設備，3D 打印專門的實體對象。這對于從桌面玩具和齒輪到發動機零件和電子外殼的所有東西都非常有用，但是將液體部分集成到構建中的能力可以極大地擴展潛在應用的數量。

例如，固液打印機可以制造具有固體結構部件和集成液體線的整個可穿戴電子設備，以及更準確地模仿人體器官外觀和感覺的逼真醫療模型。更進一步，這樣的機器甚至可以通過一次打印運行來生產整個就地打印機器人，而無需任何組裝。

該研究的資深作者 Robert MacCurdy 說：“我認為未來我們可以使用這個過程制造一個像機器人一樣的完整系統。”

液體螺旋 3D 打印在固體塊中。照片來自 CU 博爾德。

固液噴墨工藝

固液共打印方法基于材料噴射，一種噴墨 3D 打印技術。對于傳統的噴墨系統，高精度打印頭用于將光固化樹脂噴射到構建平臺上，使用紫外線硬化流體以形成固體層。

“在這些液滴沉積后不久，它們就會暴露在明亮的紫外線下，”MacCurdy 補充道。“可固化的液體在一秒鐘或更短的時間內轉化為固體。”

傳統上，您希望紫外光固化所有噴射的樹脂，但選擇性地將一些材料保留為液體可以使其具有巧妙的設計特征。例如，液體可用于維持固體幾何形狀內的內部通道，然后可以輕松地將其清空。能夠制造可溶性支撐的多材料 3D 打印機確實具有此功能，但仍然很難完全清除支撐，并且內部通道通常僅限于簡單的幾何形狀。

關鍵是流體密度

啟動該項目時，博爾德研究人員首先通過計算模擬了同時使用多種材料打印的物理特性。他們發現最大的問題之一是防止即將成為固體的材料液滴混合到液體材料液滴中，因為在許多情況下前者必須直接噴射到后者上。解決方案：確保液體材料比固體材料更致密和粘稠。

該研究的合著者布蘭登海耶斯說：“我們發現液體的表面張力可用于支撐固體材料，但選擇比固體材料密度更大的液體材料會有所幫助——與讓油浮在水面上。”

該團隊將他們的發現帶到實驗室，并通過在打印機上裝載可固化的光敏聚合物(固體材料)和不可固化的清潔溶液(液體材料)來試驗他們的技術。他們能夠 3D 打印固體基質中的液體毛細管網絡，以及螺旋狀的液體模式。使用傳統的純實體 3D 打印機，這兩種結構都是不可能的。

展望未來，MacCurdy 設想該技術將應用于集成原位打印多材料流體電路、電化學晶體管、芯片實驗室設備和復雜機器人技術。

他總結道：“我們希望我們的結果將使世界各地的研究人員和愛好者更容易使用液體和固體進行多材料噴墨 3D 打印。”

3D 打印在固體基質中的液體毛細管網絡。照片來自 CU 博爾德。