使用新开发的技术3D打印的毛细管网络。鸣谢:Hayes et al. 2022，Advanced Materials想象一个未来，你只需按一下按钮，就可以3D打印出一个完整的机器人或有弹性的电子医疗设备——不再需要花费冗长的时间手工组装零件。这种可能性可能比以往任何时候都更近，这要归功于最近由CU Boulder的工程师们领导的3D打印技术的进步。在一项新的研究中，该团队提出了一种使用当前可用的打印机来创建融合固体和液体成分的材料的策略——如果你不想让你的机器人崩溃，这是一个棘手的壮举。
“我认为在未来，我们可以利用这一过程制造出一个完整的系统，比如机器人，”该研究的高级作者、保罗·m·拉迪机械工程系助理教授罗伯特·麦克柯迪说。
MacCurdy与博士生Brandon Hayes和Travis Hainsworth一起在4月14日的《增材制造》杂志上发表了他们的结果。
3D打印机长期以来一直是业余爱好者和实验室研究人员的领域。他们非常擅长制造塑料恐龙或机器的单个零件，如齿轮或关节。但MacCurdy认为他们可以做得更多:通过混合固体和液体，3D打印机可以生产出更灵活、更动态、潜在更有用的设备。它们包括可穿戴电子设备，其电线由固体基底中包含的液体制成，甚至是模拟真实人体器官挤压的模型。
这位工程师将这一进步与传统的彩色打印机进行了比较，而不仅仅是黑白打印机。
“彩色打印机结合少量的原色来创建丰富的图像范围，”MaCurdy说。“材料也是如此。如果你有一台可以使用多种材料的打印机，你可以以新的方式组合它们，并创造更广泛的机械性能。”
真空
为了理解这些属性，将3D打印机与您办公室中的普通打印机进行比较会有所帮助。纸张打印机通过将液体墨水沉积在数千个平面像素上来创建图像。相比之下，喷墨3D打印机使用打印头滴下微小的流体珠，称为“体素”(由“体积”和“像素”混合而成)，一个在另一个之上。
“这些液滴沉积后，很快就会暴露在明亮的紫外线下，”MacCurdy说。"可固化的液体在一秒钟或更短的时间内转化为固体."
通过混合固体和液体3D打印材料创建的螺旋图案。鸣谢:Hayes等人2022，高级材料，但是，他补充说，在许多情况下，你可能希望这些液体保持液态。例如，一些工程师使用液体或蜡在他们的固体材料中创建微小的通道，然后在稍后的某个时间点将其清空。这有点像水滴如何能雕刻出一个地下洞穴。
工程师们已经想出了在3D打印零件中制造这种空白空间的方法，但通常需要花费大量时间和精力来清理它们。渠道也必须保持相对简单。
MacCurdy和他的同事决定找到一种绕过这些限制的方法——更好地理解允许工程师同时打印固体和液体材料的条件。
液体勇气
研究人员首先设计了一系列计算机模拟，探索将不同种类的材料相邻打印的物理过程。MacCurdy说，其中一个大问题是:“你如何防止你的固体材料液滴混入液体材料，即使固体材料液滴直接打印在液滴上？”
该团队建立了一套规则来帮助他们做到这一点。
“我们发现液体的表面张力可以用来支撑固体材料，但选择比固体材料密度更大的液体材料是有帮助的——这与允许石油漂浮在水面上的物理原理相同，”海斯说。
接下来，研究人员在实验室用一台真正的3D打印机进行了实验。他们将可固化聚合物或塑料(固体)和标准清洁溶液(液体)装入打印机。他们的创造令人印象深刻:该小组能够3D打印扭曲的液体回路和复杂的通道网络，这与人类肺部的分支路径没有什么不同。
“通过以前的方法，这两种结构几乎不可能制造出来，”海恩斯沃思说。
MacCurdy最近还加入了一个来自CU Boulder和CU Anschutz医学院的研究团队，他们正在开发3D打印人体组织逼真模型的方法。医生可以使用这些模型来练习程序和进行诊断。该项目将采用MacCurdy的液-固方法和其他工具。
“我们希望我们的结果将使世界各地的研究人员和爱好者更容易使用液体和固体进行多材料喷墨3D打印，”他说。
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