供稿人：呂洋、高琳 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2025-03-10
基于擠壓的 3D 打印主要使用具有固定出口形狀的噴嘴。這需要在分辨率和速度之間進(jìn)行權(quán)衡：高分辨率需要較小的噴嘴直徑，而高材料沉積速率需要更大的直徑。這種矛盾在多尺度結(jié)構(gòu)中尤為明顯，因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)既包含大體積部分，又包含精細(xì)特征。此外關(guān)于形狀，固定噴嘴通常采用圓形橫截面，圓形截面的絲材在填充復(fù)雜幾何形狀時(shí)容易產(chǎn)生空隙，尤其是在打印固體結(jié)構(gòu)時(shí)，導(dǎo)致密度不足和表面粗糙。
約翰霍普金斯大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了自適應(yīng)噴嘴 3D 打印 （AN3DP）平臺(tái)，該平臺(tái)能夠在打印過程中原位主動(dòng)控制細(xì)絲的大小和橫截面形狀。噴嘴采用錐形內(nèi)部設(shè)計(jì)，使其在處理非牛頓流體時(shí)特別有效。AN3DP 有助于在單次設(shè)置中沉積連續(xù)變化大小和形狀的細(xì)絲。它使擠出細(xì)絲直徑的變化高達(dá)3.33倍，例如，從3到10毫米。噴嘴可以產(chǎn)生一系列形狀，包括圓形、方形、矩形和星形。此外，它可以將這些特征尺寸在4到10 mm之間的形狀沉積到基板上。
圖1 AN3DP平臺(tái)自適應(yīng)示意圖
AN3DP的核心創(chuàng)新在于其自適應(yīng)噴嘴設(shè)計(jì)。該噴嘴由八個(gè)獨(dú)立控制的金屬針組成，圍繞一個(gè)柔性、耐壓的硅橡膠膜排列。通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)電纜系統(tǒng)，針可以向外或向內(nèi)移動(dòng)，從而改變噴嘴的出口直徑和形狀。噴嘴的內(nèi)部設(shè)計(jì)為錐形，優(yōu)化了剪切變稀材料的擠出效果，適合在狹窄空間內(nèi)的嵌入式打印。
圖2 控制AN3DP打印頭
與傳統(tǒng) 3D 打印方法相比，AN3DP 通過制造具有連續(xù)梯度的組件、消除離散化需求并實(shí)現(xiàn)更高的密度和輪廓精度來證明其功效。該平臺(tái)大大擴(kuò)展了基于擠壓的 3D 打印機(jī)的范圍，從而促進(jìn)了各種應(yīng)用，包括具有骨狀微結(jié)構(gòu)的生物打印載細(xì)胞和分層植入物。