《極限制造國際期刊》：基于噴墨技術的隨形增材制造技術

來源：  增材工業(yè)

傳統(tǒng)的增材制造技術受限于平面逐層堆積的制造方式，難以在復雜曲面上直接制造功能器件?；趪娔夹g的隨形增材制造技術應運而生，它利用高精度噴墨打印頭，將功能性材料直接沉積到三維物體表面，突破了平面限制，為三維功能器件的制造提供了全新的解決方案。近日，一篇發(fā)布在International Journal of Extreme Manufacturing（IF=16.1）的綜述研究從技術原理、優(yōu)勢特點、應用領域等多維度，詳細介紹了基于噴墨技術的隨形增材制造技術。

增材制造技術，又稱3D打印技術，以其獨特的逐層堆積制造方式，為復雜結構零件的制造提供了極大的靈活性和設計自由度。然而，傳統(tǒng)的增材制造技術通常只能在平面上進行材料堆積，難以直接在復雜曲面上制造功能器件，這極大地限制了其在電子、生物醫(yī)療等領域的應用。
近年來，隨著噴墨打印技術的快速發(fā)展，基于噴墨技術的隨形增材制造技術逐漸興起。噴墨打印作為一種非接觸式增材制造技術，憑借其低成本、強可擴展性以及適用于大規(guī)模制造等優(yōu)勢，在材料沉積領域展現(xiàn)出顯著的技術特點。

該技術能夠實現(xiàn)精確的按需液滴分配和非接觸式材料輸送，并廣泛應用于生物材料、藥物制劑、石墨烯、功能聚合物以及電極材料等多種功能材料的沉積。此外，噴墨打印還支持多種材料的連續(xù)沉積，為復雜結構和多功能器件的制造提供了高效且靈活的解決方案。

技術原理
基于噴墨技術的隨形增材制造技術的工作原理與傳統(tǒng)的噴墨打印機類似，但其核心在于高精度噴墨打印頭和精密運動控制系統(tǒng)的協(xié)同工作。

噴墨打印頭: 噴墨打印頭是隨形增材制造技術的核心部件，其內(nèi)部裝有精密的壓電元件或熱氣泡發(fā)生器，可以將功能性材料溶液轉化為微小的液滴，并精確控制液滴的大小和噴射速度。目前，常用的功能性材料包括導電油墨、半導體材料、介電材料、生物材料等。

運動控制系統(tǒng): 運動控制系統(tǒng)負責控制噴墨打印頭的位置和角度，使其能夠適應各種復雜曲面。系統(tǒng)會根據(jù)目標物體的三維模型，自動規(guī)劃打印路徑，確保打印頭始終與表面保持最佳距離和角度，從而實現(xiàn)高精度、高分辨率的材料沉積。

噴墨模式
噴墨技術依據(jù)噴射過程的連續(xù)性特征，主要可分為連續(xù)噴墨和按需噴墨兩大類。在不同類型的噴墨技術及其制造應用中，各類噴射模式均展現(xiàn)出獨特的性能優(yōu)勢：

壓電式噴墨：以其廣泛的材料兼容性著稱。

熱氣泡式噴墨：對生物材料表現(xiàn)出優(yōu)異的適應性。

氣溶膠噴射技術：具備廣泛的材料適用性，并支持原位實時調(diào)整材料比例。

電流體動力噴射：以實現(xiàn)高分辨率打印和多模態(tài)材料噴射為目標，展現(xiàn)了其在微納尺度制造領域的潛力。

基于噴墨的三種隨形增材制造模式

（a）壓電噴射模式；（b）熱氣泡噴射模式；（c）電流體動力噴射模式；（d）氣溶膠噴射模式

噴墨式隨形增材制造技術的優(yōu)勢
噴墨式隨形增材制造技術以其多維工藝靈活性、多樣化數(shù)字化驅動接口和多材料打印能力脫穎而出。該技術通過先進的數(shù)字化驅動方式，精確控制墨水沉積和打印過程，滿足復雜隨形表面的制造需求，顯著提高了制造精度和效率。

3.1多材料能力
噴墨打印在隨形制造中的核心優(yōu)勢在于其多材料沉積能力，能夠連續(xù)打印不同功能或物理狀態(tài)的材料，如液態(tài)和固態(tài)材料，甚至實現(xiàn)原位混合。這種能力使其在制造多功能復合結構（如半導體、電路等）方面具有獨特優(yōu)勢：

功能材料連續(xù)沉積：傳統(tǒng)方法通常局限于單一材料或復雜的多材料組合步驟，而噴墨打印通過精確控制噴嘴運動和墨水沉積，簡化了多材料打印過程；

液、固共打印：噴墨打印可實現(xiàn)固化與非固化材料的共同沉積，支持復雜3D結構的制造，廣泛應用于微流體、芯片實驗室設備和機器人等領域（如下圖a）；

原位混合：通過精確控制墨水噴射比例和混合方法，噴墨打印可在微尺度上實現(xiàn)材料梯度成分的制造，滿足功能梯度材料的需求。例如，氣溶膠噴射打印允許在打印過程中實時調(diào)整材料混合比例，為制造高性能薄膜和多功能結構提供了可能（如下圖b）。

多材料打印技術在柔性電子、儲能、航空航天和個性化產(chǎn)品設計等領域展現(xiàn)了廣泛應用前景。然而，材料間的界面兼容性（如潤濕性、粗糙度和化學兼容性）是實現(xiàn)這些優(yōu)勢的關鍵，需通過表面處理（如等離子或紫外線照射）和材料選擇優(yōu)化來解決。

多元數(shù)字化驅動
噴墨式隨形增材制造技術與機器學習（ML）和人工智能（AI）等數(shù)字化驅動技術的結合，實現(xiàn)了智能化的制造控制。這種集成優(yōu)化了液滴噴射、復雜基材上的精確沉積以及錯誤管理，為高難度制造任務提供了解決方案。

數(shù)字化驅動的優(yōu)勢體現(xiàn)在：
工藝參數(shù)優(yōu)化：ML通過分析液滴噴射行為與打印結果的關系，優(yōu)化打印條件，減少實驗成本。例如，壓電噴射打印技術通過分析頻率、電壓等參數(shù)，預測噴霧行為并優(yōu)化墨水設計。

復雜基材適應：氣溶膠噴射打印技術通過ML建立工藝參數(shù)與打印質(zhì)量的非線性關系，實現(xiàn)復雜曲面上的精確沉積。例如，鞘氣流量和載氣流量的優(yōu)化可通過數(shù)據(jù)驅動方法得以實現(xiàn)。

智能錯誤管理：數(shù)字化驅動技術支持閉環(huán)控制，實時調(diào)整打印參數(shù)，提高制造精度和效率。

數(shù)字化驅動優(yōu)勢

3.3多維工藝靈活性
噴墨打印作為一種非接觸式技術，具有高度的靈活性和適應性，能夠適應復雜曲面和多樣化基材，成為隨形制造的關鍵技術。

1、垂直制造維度的靈活性

復雜曲面通常具有變化的高斯曲率，給傳統(tǒng)接觸式制造技術帶來挑戰(zhàn)。直接接觸這些表面或軟基材可能導致變形，影響精度。噴墨打印通過非接觸式材料沉積，避免了這些問題，能夠精確控制噴嘴與基材的距離，減少摩擦和變形，從而實現(xiàn)高精度制造。

2、水平制造維度的靈活性
在水平制造維度上，噴墨打印通過多噴嘴系統(tǒng)實現(xiàn)高通量制造，數(shù)百或數(shù)千個噴嘴可同時工作，支持并行打印多個結構或結構不同部位。這在藥物篩選、反應器和基因測序等領域具有重要應用。例如，DNA合成中，多噴嘴模式能精確沉積偶聯(lián)劑，提高反應效率。這種高通量能力支持復雜三維結構的快速制造。

3、材料開發(fā)的靈活性
噴墨打印可與其他制造工藝（如選擇性激光熔化）結合，支持高通量材料篩選，加速新材料的發(fā)現(xiàn)和應用。例如，在可再生能源存儲領域，噴墨打印幫助快速篩選固體電催化劑，并加速新型鈣鈦礦薄膜的發(fā)現(xiàn)（如下圖b-d所示）。這種高通量篩選能力為隨形制造中的材料開發(fā)提供了獨特優(yōu)勢，特別是在不同流變特性的基材上。

基于噴墨的保形增材制造技術的多維工藝靈活性

基于噴墨的隨形增材制造的應用領域
基于噴墨的隨形增材制造因其獨特的優(yōu)勢，在保形電子、能源設備、生物制造和超表面制造等新興技術領域具有無限潛力。

4.1適用于智能和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應用的保形電子產(chǎn)品
保形電子設備的可擴展性和可持續(xù)性主要受限于油墨配方和打印工藝。隨著保形電子產(chǎn)品的結構復雜性日益增加，特別是在無線多功能系統(tǒng)中，對高精度和集成制造的需求也日益增加。

下圖（a）展示了當前噴墨打印技術制作的曲面電子產(chǎn)品。大多數(shù)保形電子制造采用在柔性基板上打印并轉移到復雜表面，但這種方法對不可拉伸或低拉伸材料存在限制。基于噴墨的保形增材制造無需額外掩模和配件，可以擴展材料和基板選擇，支持從共面到三維的打印。關鍵進展在于避免了繁瑣的轉移和組裝過程，實現(xiàn)了曲面上的直接隨形制造。

智能和物聯(lián)網(wǎng)應用的隨形制造

目前，隨形電子制造及其在電子領域的潛在應用主要集中在共形天線和傳感器及可穿戴設備。

4.2能量收集和存儲設備
隨著科技進步和全球低碳倡導，能源設備正在朝著更高的能源利用效率和轉換率發(fā)展。隨形結構在能源設備中大有可為，熱電發(fā)電機（TEG）和離子電池便是典型應用代表。

熱電發(fā)電機（TEG）
全球能源消耗中約三分之二以熱能形式浪費，TEG作為一種自供電設備，可以將廢熱轉化為電能。為了提高轉換效率，需要最大限度減少熱損失。隨著熱電材料性能的提升，設計更高效的TEG并確保其可靠性變得至關重要。
為了高效收集熱量，TEG需要與形狀變化的熱源（如人體）緊密貼合。基于噴墨的保形增材制造可以直接打印3D形狀的TEG，避免傳統(tǒng)方法中平面基板的局限性，支持垂直方向上的熱量收集。這種保形設計不僅提高了熱量收集效率，還能在變形條件下穩(wěn)定工作，適用于低溫、大面積的能量收集。

離子電池
離子電池是現(xiàn)代能源存儲的核心，廣泛用于移動電源和電動汽車等領域。然而，傳統(tǒng)電池形狀固定，難以與復雜形狀的設備集成，并存在界面不匹配和充放電速度慢的問題。為提高性能，需要在電池表面涂覆均勻的保形涂層，確保與設備緊密貼合?；趪娔碾S形增材制造技術能夠直接在復雜表面上集成形狀匹配的離子電池，提升電池能量密度，克服傳統(tǒng)方法的限制，提高電池效率和安全性，滿足未來的能源存儲需求。

生物電子學和醫(yī)學應用
適形生物電子器件因能夠與皮膚緊密接觸、精確監(jiān)測生物信號并提供高效治療，成為研究熱點。植入式器件可直接在病變部位進行診斷和治療，但效果取決于器件與病變部位的穩(wěn)定黏附。皮膚分泌物和機械不匹配問題影響了黏附效果，需要開發(fā)不引起免疫反應的適形黏附劑。

由于人體結構復雜，膠粘劑的要求較高?，F(xiàn)有技術依賴外部設備，限制了設備與生物系統(tǒng)的整合。軟體電子設備與大腦的機械匹配可以減少免疫反應，這一原理與噴墨增材制造技術結合，為電子設備與生物組織之間的界面提供了理論支持。

噴墨增材制造技術在生物制造中的應用，特別是在軟神經(jīng)探針和微電極陣列的制造中，提升了電子設備與生物系統(tǒng)的整合性。此外，生物打印像素的概念為噴墨打印技術在生物材料植入和器官修復等領域開辟了新途徑。

綜上所述，噴墨增材制造技術不僅能夠沉積生物材料，還能制造導電、透明、可彎曲或拉伸的生物相容性器件，具備較高的表面設計自由度，能夠與生物樣品形成最佳接觸，為生物打印提供了新的發(fā)展方向。

總結
基于噴墨技術的隨形增材制造技術突破了傳統(tǒng)增材制造技術的平面限制，為三維功能器件的制造提供了全新的解決方案。該技術具有高精度、高分辨率、材料選擇廣泛、非接觸式打印等優(yōu)勢，在航空航天、生物醫(yī)療、電子消費品、物聯(lián)網(wǎng)等領域具有廣闊的應用前景。未來，隨著技術的不斷發(fā)展和完善，基于噴墨技術的隨形增材制造技術將會在更多領域大放異彩，為人類社會的發(fā)展做出更大的貢獻。

論文鏈接：
[1] 10.1088/2631-7990/ada8e6