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近年来，各种各样的增材制造技术日渐成熟，在制造业中开始发挥重要作用。其中，直接墨水书写（DIW）由于其简单普适性，在材料和组织工程等领域引起了广泛的关注和研究。通常情况下，打印墨水仅能按照X-Y平面中的设定路径在Z方向上逐层堆积成型，这种方法适用于大多数结构的打印。但是，对于极端情况（如柱状阵列），如果仍采用切片和逐层堆积的方式进行打印，打印结构的分辨率会受限于喷嘴和路径设计，打印结构表面不平整。

近日，葡萄牙阿威罗大学José M.F. Ferreira等人受喷墨打印的按需滴落（DOD）方法启发，开发了基于直接墨水书写（DIW）的按需送丝（FOD）方法，首次在垂直方向上3D打印出自支撑的柱状阵列，适用于陶瓷和金属油墨等多种材料的打印，有望应用于打印人体组织、器官、功能器件等诸多领域。相关工作以“3D printing vertically: Direct ink writing free-standing pillar arrays”为题，近日发表于《Materials Today》上。

研究人员采用的是机械马达系统来打印，可以实现快速向下挤出、停止运动及向上抬升，而气动式系统难以快速停止墨水的挤出。除打印系统外，合适的墨水是垂直打印的关键。对于水平打印而言，油墨的流动性和粘弹性是至关重要的，可以通过流变仪来进行评估。但在垂直打印过程中，油墨不仅需要具有剪切变稀的特点，还需要挤出后足够坚硬，以保证柱子不会倒塌，因此油墨必须表现出触变性，即“在静止状态下粘度增加，而在受到恒定剪切应力时粘度降低”。

如图1所示，支柱的打印从注射器逐渐向下运动开始，待喷嘴到达设定的打印位置，通过活塞挤出定量的墨水来沉积柱子，同时注射器以预定的速率上升，将挤出的墨水拉伸至最大应力；到达打印高度后，活塞停止运动，注射器快速缩回至初始位置，设定高度的支柱被打印成型。重复上述打印步骤，可以打印出高度可调的周期性或非周期性柱状阵列。

图1 打印单个支柱示意图

研究人员以打印二氧化钛支柱为例，详细研究了进料、退料速率等因素对打印结构的影响，发现1.0-1.8mm/s 的进给速度和1.0-3.0mm/s的回缩速度能够打印出表面平整的支柱，支柱具有良好的自支撑性，而过慢或过快的速度会导致支柱表面粗糙或者发生断裂。

图2 打印参数对打印结构的影响

研究人员使用垂直打印的方法打印了传统陶瓷（TZ-3YS和二氧化钛）、功能性压电陶瓷和氧化铝等多种材料，并以打印二氧化钛为例，展示了不同高度柱状阵列的打印，同时也可以打印出多种图案化的柱状阵列。

图3 多种材料的垂直打印

研究人员以二氧化钛油墨为例，研究了油墨的触变性对打印结构的影响。结果发现，添加极少量PEI可以极大地增加墨水的弹性模量，缩短墨水的粘弹性平台。触变性测试结果表明，原始墨水无论在静止或剪切时模量均较低，打印后难以自支撑；而添加PEI的墨水在被剪切时模量明显下降，静止时墨水模量则快速升高至原来的60%以上，体现了良好的触变性，能够垂直打印出结构良好的柱状阵列。

图4 打印墨水的触变性

小结

研究人员利用直接书写的方式实现了柱状阵列的垂直打印，提高了直接书写打印的灵活性，不再受限于传统的XY平面打印，可以拓展至XZ、YZ甚至XYZ等多方向打印。这一打印方法可以用来构筑心脏中的静脉等复杂结构，在组织工程领域有着广阔的应用前景，也能够打印压电陶瓷等多种功能材料，并应用于压电传感器、散热器、盲文等诸多领域。