直接墨水書寫（DIW）是一種基于擠出的增材制造技術(shù)，其原理是將墨水通過精細(xì)噴嘴擠出，沿著預(yù)先設(shè)定的路徑逐層構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)。該技術(shù)的關(guān)鍵特性之一是能夠在介觀和微觀尺度上打印可定制的墨水（但該工藝不適用于大規(guī)模項(xiàng)目）。這項(xiàng)技術(shù)最初由桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的喬·塞薩拉諾和保羅·卡爾弗特于1997年獲得專利，他們最初將其開發(fā)為一種用于打印復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)的技術(shù)。此后，DIW技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于陶瓷以外的各種研究和制造領(lǐng)域。它主要用于研究實(shí)驗(yàn)室的小規(guī)模制造和原型制作，但這項(xiàng)技術(shù)也具有制造高效工業(yè)級零件的潛力。本文將深入探討DIW的工藝、材料和應(yīng)用，重點(diǎn)介紹其優(yōu)勢和局限性。

直接墨寫技術(shù)是如何運(yùn)作的？

通常，直接墨水書寫(DIW)的基本原理與其他3D打印工藝相同。用戶需要使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件創(chuàng)建3D模型，以及切片軟件生成的運(yùn)動(dòng)路徑文件。DIW幾乎可以處理任何材料，前提是墨水具有正確的流變性能——即在剪切和壓縮下具有合適的屈服強(qiáng)度，以及合適的粘彈性。因此，DIW能夠使用各種墨水打印出具有高分辨率圖案、結(jié)構(gòu)靈活性和定制材料特性的復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)。這使其區(qū)別于其他增材制造技術(shù)，例如FDM和SLA，后者受限于材料類別。此外，DIW的多功能性還體現(xiàn)在其能夠使用多個(gè)噴嘴來創(chuàng)建多材料結(jié)構(gòu)。

直接墨水書寫工藝概述（圖片來源：桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室）

在直接噴墨打印(DIW)中，施加的壓力迫使液態(tài)墨水通過噴嘴，而這種壓力會(huì)改變墨水的粘度。這是DIW的一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別：它不使用加熱，而是在室溫下打印墨水，這意味著墨水的流變特性至關(guān)重要。墨水從噴嘴流出后，在最終沉積之前并非完全靜止。相反，墨水會(huì)根據(jù)擠出速率和打印頭移動(dòng)速度的比值發(fā)生彎曲和拉伸。沉積完成后，墨水會(huì)自然固化，或者通過蒸發(fā)、相變、熱處理或凝膠化等外部過程固化。

研究人員已嘗試將多種材料用于直接墨水書寫（DIW），包括聚合物、陶瓷、水泥、石墨烯、玻璃、蠟、水凝膠、合金、純金屬，甚至食品。然而，這些材料必須轉(zhuǎn)化為具有剪切稀化特性的粘彈性凝膠型墨水。DIW墨水的典型粘度在約0.1 s?1的剪切速率下介于102至10?毫帕之間。這意味著在剪切應(yīng)力作用下，粘度會(huì)降低，從而使墨水能夠通過DIW進(jìn)行打印。之后，根據(jù)材料和應(yīng)用的不同，還需要進(jìn)行各種后處理步驟。

直接墨水書寫法的優(yōu)點(diǎn)和局限性

如前所述，該工藝的特點(diǎn)在于能夠處理多種材料，前提是能夠獲得合適的流變性能。然而，這一特性也意味著任何新材料都必須經(jīng)過精心配制，以滿足嚴(yán)格的流變要求，這可能會(huì)延緩新系統(tǒng)的應(yīng)用推廣。

此外，由于該技術(shù)可在室溫下進(jìn)行擠出，因此便于加工熱敏性化合物。它也克服了其他依賴高溫的擠出方法的局限性。然而，打印速度仍然相對較慢，且在較高速度下層間結(jié)合質(zhì)量可能會(huì)受到影響。因此，如何在效率和結(jié)構(gòu)性能之間找到平衡點(diǎn)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

圖片來源：林肯實(shí)驗(yàn)室

DIW技術(shù)在機(jī)器配置方面提供了相當(dāng)大的自由度，因?yàn)樗梢允褂脙r(jià)格適中的組件進(jìn)行修改，并且可以輕松適應(yīng)不同的應(yīng)用。這種硬件靈活性非常出色，但該技術(shù)目前主要局限于小規(guī)模制造和研究環(huán)境，因?yàn)槠渖a(chǎn)速度和分辨率無法滿足大批量工業(yè)生產(chǎn)所需的標(biāo)準(zhǔn)。

該工藝的另一個(gè)有趣之處在于它能夠生成復(fù)雜的幾何形狀，從自支撐結(jié)構(gòu)到無需模具或額外支撐的自由曲面形狀，均可實(shí)現(xiàn)。然而，當(dāng)嘗試垂直擴(kuò)展或制造長懸臂梁時(shí)，部件自身的重量可能會(huì)導(dǎo)致變形或失效，尤其是在大型結(jié)構(gòu)中。

主要應(yīng)用

鑒于可用于直接墨水書寫（DIW）的材料種類繁多，該技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。其中最常見的應(yīng)用包括儲(chǔ)能、光學(xué)和光子器件以及生物醫(yī)學(xué)和組織工程。

在儲(chǔ)能領(lǐng)域，直接墨水寫入（DIW）技術(shù)已被用于制造電化學(xué)儲(chǔ)能（EES）器件，例如鋰離子電池和超級電容器。該技術(shù)能夠構(gòu)建微/納米級結(jié)構(gòu)，使電子和離子在多孔結(jié)構(gòu)中更高效地移動(dòng)，從而提供卓越的電化學(xué)性能。它可用于制造具有高導(dǎo)電性和高比表面積的器件，這對于電子元件和器件而言尤為有利。

DIW工藝主要用于小規(guī)模制造和原型制作的研究。（圖片來源：弗吉尼亞理工大學(xué)）

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，研究人員已經(jīng)開發(fā)出可生物降解的支架、可拉伸、具有形狀記憶和自修復(fù)功能的彈性體、軟體機(jī)器人、可穿戴設(shè)備等等。直接墨水書寫（DIW）最有前景的應(yīng)用之一是利用水凝膠模擬生物組織。許多水凝膠具有生物相容性，使其適用于與活細(xì)胞和組織相互作用。水凝膠還可以包含生物活性分子、生長因子、藥物，甚至活細(xì)胞，從而實(shí)現(xiàn)靶向藥物遞送或組織再生。得益于DIW所保證的高精度，這項(xiàng)技術(shù)還可以用于構(gòu)建芯片器官和微流控系統(tǒng)。通過復(fù)制組織微環(huán)境，這些結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)對藥物反應(yīng)和疾病進(jìn)展進(jìn)行可控且可重復(fù)的研究。

除了醫(yī)療和電氣應(yīng)用之外，DIW還被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，從軟體機(jī)器人到食品和結(jié)構(gòu)工程。

編譯整理：3dnatives