MicroFab高精度雙噴頭反應性噴墨(RIJ)在3D打印高活性有機硅中的應用
加拿大麥克馬斯特大學機械與生物醫學工程教授Ravi Selvaganapathy團隊開發了一種基于使用MicroFab Inkjet技術的雙噴頭高精度制備高活性有機硅的反應性噴墨打�。≧eactive Inkjet Printing，簡稱RIJ）方法，該方法可實現不間斷、精準按需啟停的穩定打印，所用油墨的高反應性能夠在無接觸、無支撐情況下按需打印高縱橫比結構，擴大了3D打印材料（如硅樹脂、環氧樹脂和生物材料）的范圍。
正文
傳統3D打印技術開發的材料僅集中在熱塑性聚合物和金屬上，不適用于更廣泛的工業聚合物材料，如有機硅和環氧樹脂：它們有兩種或兩種以上的活性成分，通過混合引發化學反應而聚合。最簡單的聚合方法是直接混合進行化學反應，但這種預聚物極易堵塞噴頭影響打印。本次研究中，開發了一種基于噴墨的打印方法，使用MicroFab Inkjet噴墨打印技術，以及MicroFab的雙噴頭，同時產生反應性成分的液滴，在自由空間中融合和混合它們，并沉積這些固化液滴，從而形成3D結構。示意圖如圖1所示。
▲ 圖1 反應性噴墨打印示意圖；（i）兩種組分液滴獨立并同時噴射，（ii）液滴在噴頭外自由空間由于其運動軌跡交叉而合并，（iii）聚結液滴以圖案形式沉積在移動基板上。
通過液滴運動及其聚結的高速成像（圖2a）觀察了打印過程的動力學，周期性脈沖觸發含有戊二醛交聯劑（左）和硅酮基（右）的壓電點膠器，產生直徑（分別為32µm和42µm）和速度（分別為1.07m/s和0.93m/s）幾乎相同的液滴，以抵消合并液滴中產生的任何水平動量，并增加合并過程的穩健性。兩種反應性組分的適當混合對于提供均勻的結構至關重要。
▲ 圖2 a）戊二醛溶液（左）與DMS-A11（右）在自由空間（比例尺=100µm）內的碰撞聚合。b）根據β參數表征方法（比例尺=50µm）。c）PDMS水滴的頂部側面和截面。兩幅圖對應兩個不同的液滴（比例尺=20µm）。
兩種反應性組分的適當混合對于提供均勻的結構至關重要，通過調整沉積參數，可以獲得各種1D和2D結構，打印結果的形狀和結構取決于基材的表面能、連續液滴之間的時間和距離，如圖3中線狀圖案的沉積所示。通過固定液滴尺寸（123µm）和噴射（沉積）頻率（50Hz）來控制液滴沉積在基板上的位置，同時改變打印基板相對于打印頭的移動速度（進料速度）在80mm/min和500mm/min之間，當間距減小到略低于接觸直徑時，液滴相互融合形成一條連續、光滑、均勻的線，這是獲得可復制結構的最佳打印條件（圖3b中）。
▲ 圖3 a）一條連續線的形成。每0.1ms連續拍攝一次快照（比尺=100µm）。b）玻璃表面沉積液滴之間不同間距的打印線,沉積間距為167µm，相當于液滴接觸直徑的1.4倍（上）,沉積間距73µm（接觸直徑的0.6）（中間），沉積間距28µm（接觸直徑的0.2）（底部）（比例尺=100µm）。
▲ 圖4 PDMS的可打印形狀。a）1560層高縱橫比墻體圖像（~330µm厚）（比例尺=5mm） （a，左），墻體水平截面SEM圖像（比例尺=100µm）（a，右）。b）200層框架（約290µm厚）（比例尺=1mm）（b，左）�？蚣艿拇怪苯孛妫ū壤�= 200µm）（b，右）。c）不同高度的長方體（比例尺=1mm）（c，頂部）。不同位置孔隙大小不同的填充盒截面（比例尺=200µm） （c，底部）。d）無支撐材料的不同頻率印刷的螺旋彈簧（比例尺=2mm）。
盡管液滴產生、自由空間合并和沉積的過程可能看起來相當脆弱，但這是一個令人驚訝的穩健和穩定的過程。如圖4a所示，在沒有使用任何支撐材料的情況下垂直打印薄壁，共1560層，高17mm±0.5mm，寬9.5mm±0.2mm，厚330µm±20µm。該打印3D結構的寬高比（AR）大于50。如圖4b所示，在7分鐘內可打印完成一個由200層組成的盒子，沿X、Y、Z方向打印出的框架尺寸分別為4.14×4.0×2.43mm，垂直切割的框架截面，其厚度為290µm±20µm，其整個高度厚度非常均勻，實驗結果表明，反應性噴墨對于生產具有光滑側壁的高大均勻的高縱橫比3D結構是非常有發展的。
不僅可以打印框架，還可以使用如圖4c所示的適當的工具路徑3D打印立方體或長方體等填充形狀[2]，其中一系列具有相同基礎尺寸2.94mm×2.84mm和不同高度的長方體被打印出來。為了展示反應性噴墨打印的特點，打印了一個螺旋微線圈形狀（圖4d），其中每個打印的液滴僅部分重疊于之前打印的底層結構。由于反應速度快，液滴在撞擊后立即凝固，待形成的結構不需要支撐就從基體上生長出來。同樣，液滴的噴射頻率可以決定155Hz、200Hz、300Hz和400Hz頻率下產生的繞組線圈線的直徑，分別產生1.05mm、1.10mm、1.27mm和1.43mm的線徑。
結語
本研究所開發的3D噴墨打印方法允許制造由交聯劑和硅酮基組成的PDMS的低粘度和高化學反應性組分制成的復雜形狀。兩種組分的液滴同時噴射，在噴頭外的自由空間混合反應，避免了噴頭的堵塞。該系統可按需工作，并可在數小時內穩定連續運行。由于反應性材料可以單滴的形式沉積，因此任何可編程形狀的高分辨率打印都是可能的，高縱橫比結構可以在不使用支撐材料的情況下以非常小的厚度制造，使用孔徑較小的噴頭可以提高分辨率，為用化學反應性材料（如硅樹脂、環氧樹脂和生物材料）制造3D結構提供了新的可能。
參考文獻：
[1] Śliwiak M, Bui R, Brook M A, et al. 3D printing of highly reactive silicones using inkjet type droplet ejection and free space droplet merging and reaction[J]. Additive Manufacturing, 2021, 46: 102099.
[2] Duineveld P C. The stability of ink-jet printed lines of liquid with zero receding contact angle on a homogeneous substrate[J]. Journal of Fluid Mechanics, 2003, 477: 175-200.
