直接墨水书写（DIW）是一种基于挤出的增材制造技术，其原理是将墨水通过精细喷嘴挤出，沿着预先设定的路径逐层构建三维结构。该技术的关键特性之一是能够在介观和微观尺度上打印可定制的墨水（但该工艺不适用于大规模项目）。这项技术最初由桑迪亚国家实验室的乔·塞萨拉诺和保罗·卡尔弗特于1997年获得专利，他们最初将其开发为一种用于打印复杂陶瓷结构的技术。此后，DIW技术已被广泛应用于陶瓷以外的各种研究和制造领域。它主要用于研究实验室的小规模制造和原型制作，但这项技术也具有制造高效工业级零件的潜力。本文将深入探讨DIW的工艺、材料和应用，重点介绍其优势和局限性。
直接墨写技术是如何运作的？
通常，直接墨水书写(DIW)的基本原理与其他3D打印工艺相同。用户需要使用计算机辅助设计(CAD)软件创建3D模型，以及切片软件生成的运动路径文件。DIW几乎可以处理任何材料，前提是墨水具有正确的流变性能——即在剪切和压缩下具有合适的屈服强度，以及合适的粘弹性。因此，DIW能够使用各种墨水打印出具有高分辨率图案、结构灵活性和定制材料特性的复杂3D结构。这使其区别于其他增材制造技术，例如FDM和SLA，后者受限于材料类别。此外，DIW的多功能性还体现在其能够使用多个喷嘴来创建多材料结构。
直接墨水书写工艺概述（图片来源：桑迪亚国家实验室）
在直接喷墨打印(DIW)中，施加的压力迫使液态墨水通过喷嘴，而这种压力会改变墨水的粘度。这是DIW的一个关键区别：它不使用加热，而是在室温下打印墨水，这意味着墨水的流变特性至关重要。墨水从喷嘴流出后，在最终沉积之前并非完全静止。相反，墨水会根据挤出速率和打印头移动速度的比值发生弯曲和拉伸。沉积完成后，墨水会自然固化，或者通过蒸发、相变、热处理或凝胶化等外部过程固化。
研究人员已尝试将多种材料用于直接墨水书写（DIW），包括聚合物、陶瓷、水泥、石墨烯、玻璃、蜡、水凝胶、合金、纯金属，甚至食品。然而，这些材料必须转化为具有剪切稀化特性的粘弹性凝胶型墨水。DIW墨水的典型粘度在约0.1 s⁻¹的剪切速率下介于10²至10⁶毫帕之间。这意味着在剪切应力作用下，粘度会降低，从而使墨水能够通过DIW进行打印。之后，根据材料和应用的不同，还需要进行各种后处理步骤。
直接墨水书写法的优点和局限性
如前所述，该工艺的特点在于能够处理多种材料，前提是能够获得合适的流变性能。然而，这一特性也意味着任何新材料都必须经过精心配制，以满足严格的流变要求，这可能会延缓新系统的应用推广。
此外，由于该技术可在室温下进行挤出，因此便于加工热敏性化合物。它也克服了其他依赖高温的挤出方法的局限性。然而，打印速度仍然相对较慢，且在较高速度下层间结合质量可能会受到影响。因此，如何在效率和结构性能之间找到平衡点是一项挑战。
图片来源：林肯实验室
DIW技术在机器配置方面提供了相当大的自由度，因为它可以使用价格适中的组件进行修改，并且可以轻松适应不同的应用。这种硬件灵活性非常出色，但该技术目前主要局限于小规模制造和研究环境，因为其生产速度和分辨率无法满足大批量工业生产所需的标准。
该工艺的另一个有趣之处在于它能够生成复杂的几何形状，从自支撑结构到无需模具或额外支撑的自由曲面形状，均可实现。然而，当尝试垂直扩展或制造长悬臂梁时，部件自身的重量可能会导致变形或失效，尤其是在大型结构中。
主要应用
鉴于可用于直接墨水书写（DIW）的材料种类繁多，该技术具有广泛的应用前景。其中最常见的应用包括储能、光学和光子器件以及生物医学和组织工程。
在储能领域，直接墨水写入（DIW）技术已被用于制造电化学储能（EES）器件，例如锂离子电池和超级电容器。该技术能够构建微/纳米级结构，使电子和离子在多孔结构中更高效地移动，从而提供卓越的电化学性能。它可用于制造具有高导电性和高比表面积的器件，这对于电子元件和器件而言尤为有利。
DIW工艺主要用于小规模制造和原型制作的研究。（图片来源：弗吉尼亚理工大学）
在医学领域，研究人员已经开发出可生物降解的支架、可拉伸、具有形状记忆和自修复功能的弹性体、软体机器人、可穿戴设备等等。直接墨水书写（DIW）最有前景的应用之一是利用水凝胶模拟生物组织。许多水凝胶具有生物相容性，使其适用于与活细胞和组织相互作用。水凝胶还可以包含生物活性分子、生长因子、药物，甚至活细胞，从而实现靶向药物递送或组织再生。得益于DIW所保证的高精度，这项技术还可以用于构建芯片器官和微流控系统。通过复制组织微环境，这些结构可以促进对药物反应和疾病进展进行可控且可重复的研究。
除了医疗和电气应用之外，DIW还被应用于各个领域，从软体机器人到食品和结构工程。
来源：魔猴
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