一種大規(guī)模生產(chǎn)超細纖維的新型3D打印方法

2025年2月23日，南極熊獲悉，伊利諾伊大學(xué)厄巴納香檳分校的研究人員開發(fā)出一種新方法，用于制造直徑小至1.5微米的超細纖維，為模仿生物纖維結(jié)構(gòu)提供了一種可擴展的技術(shù)。這項研究發(fā)表在《自然通訊》雜志上，劍橋大學(xué)、查普曼大學(xué)和弘益大學(xué)的研究人員也參與了這項工作。該技術(shù)被稱為快速溶劑交換3D打?。?DPX），能夠制造出長達數(shù)十厘米的纖維，有望在機器人技術(shù)、醫(yī)學(xué)和先進材料領(lǐng)域得到應(yīng)用。

△相關(guān)研究為“通過嵌入式溶劑交換快速3D打印細小、連續(xù)、柔軟的纖維”（傳送門）

與傳統(tǒng)制造方法不同，3DPX技術(shù)通過溶劑交換實現(xiàn)擠出聚合物細絲的快速固化，克服了傳統(tǒng)方法在靈活性和高縱橫比方面的局限。該工藝的打印速度可達到5毫米/秒，遠超傳統(tǒng)的彎月面引導(dǎo)打印技術(shù)。通過使纖維幾乎立即固化，可以有效避免毛細管效應(yīng)引起的斷裂，從而確保精細結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

工程師Mohammad Tanver Hossain指出：“在自然界中，許多絲狀結(jié)構(gòu)的直徑僅有幾微米。我們深知，實現(xiàn)這一目標是可行的。”

△使用嵌入式3D打印制作的螺旋結(jié)構(gòu)

3D打印超細纖維

實驗結(jié)果表明，采用5微米的噴嘴可以生產(chǎn)出直徑僅1.5微米的纖維，長寬比超過3400。研究人員對支撐凝膠的流變性以及聚合物成分進行了精細調(diào)整，以確保在這一規(guī)模下的工藝穩(wěn)定性，證明了這項技術(shù)的可靠性。

△嵌入式溶劑交換3D打?。?DPX）機制

該技術(shù)還證明了它對多種材料的適用性，包括熱塑性彈性體、聚苯乙烯和聚氯乙烯（PVC）。他們甚至測試了含有碳納米管的聚合物納米復(fù)合材料，這對于電子和傳感器技術(shù)的應(yīng)用具有潛在價值。

除了單根纖維，研究團隊還成功地打印出了固定在彈性基底上的毛發(fā)狀陣列，直徑小于2微米，長度超過1500微米。這些陣列在觸覺傳感器、藥物輸送微針和微流體設(shè)備中具有重要應(yīng)用，它們從自然界中的傳感和粘附機制中獲得靈感。

△3DPX可以復(fù)制自然界中細毛和纖維的特征

可擴展性是3DPX的另一個亮點。多噴嘴打印系統(tǒng)展示了同時制造多個結(jié)構(gòu)的能力，例如九噴嘴歧管可以并行產(chǎn)生相同的打印件。這種能力提升了在效率和精度同等重要的工業(yè)應(yīng)用中的生產(chǎn)效率。

團隊還嘗試了線圈、螺旋線和彎曲的細絲，結(jié)果表明打印速度和凝膠的屈服應(yīng)力對細絲保持形狀的效果有直接影響。較高的屈服應(yīng)力值提供了更好的機械支撐，防止細絲在擠出過程中發(fā)生位移。較低的打印速度允許更可控的沉積，確保纖維緊密貼合預(yù)定軌跡。

△3DPX的功能，包括材料庫、特征尺寸和幾何形狀

與現(xiàn)有技術(shù)相比，3DPX技術(shù)在直接墨水書寫特征尺寸上創(chuàng)下了新紀錄。以前的嵌入式3D打印技術(shù)（例如使用可固化硅橡膠的技術(shù)）難以達到8微米以下的精度，而3DPX技術(shù)將此降至1.5微米。與電流體動力（EHD）打印和氣溶膠噴射打印不同，后者通常速度較慢且需要外部支撐，3DPX技術(shù)則工作速度更快，并允許進行自由形狀、無支撐打印。

當然，任何研究都會面臨挑戰(zhàn)。研究團隊指出，對于超高縱橫比纖維的打印后處理仍然具有挑戰(zhàn)性，進一步改進材料配方和支撐凝膠的性能有助于提高穩(wěn)定性。

Hossain指出，這種方法具有巨大的潛力，“因為超細長纖維可以與功能材料結(jié)合，從而復(fù)制出受自然啟發(fā)的纖維結(jié)構(gòu)。”