夏威夷大學綜述：直接墨水書寫3D打印所面臨的流體力學挑戰

2025年12月2日，南極熊獲悉，來自夏威夷大學馬諾阿分校一位機械工程研究員與他人合著了一篇關于直接墨水書寫（DIW）增材制造中流體力學挑戰的綜合綜述，旨在探討理解DIW背后的物理原理以及如何提高制造可靠性。

相關研究成果以題為“Fluid Mechanics Challenges inDirect-Ink-Writing Additive Manufacturing”的論文發表于《流體力學年評》（Annual Review of Fluid Mechanics ），匯集了數十年的研究成果，為從人造組織到建筑物等各種材料的打印提供了路線圖。

夏威夷大學馬諾阿分校工程學院副教授泰勒·R·雷說道：“目前，3D打印很大程度上依賴經驗和經驗法則，需要不斷調整配方和設置才能成功。我們希望為工程師提供必要的工具，使他們能夠將經驗與基于物理學的預測相結合?！?/p>

直接墨水書寫

本文研究的打印方法稱為直接墨水書寫（DIW），工作原理類似于裝飾蛋糕。“糖霜”必須順暢地流過噴嘴，然后立即保持形狀，既不融化也不塌陷。該方法涵蓋多種可打印的“墨水”，例如 活細胞、混凝土、陶瓷或聚合物混合物 ，從而能夠制造出傳統塑料3D打印無法實現的物體和形狀。

馬里蘭大學副教授、論文第一作者阿爾班·索雷特 (Alban Sauret) 說：“直接墨水書寫中使用的膏狀材料是復雜的流體，這些非凡的材料會根據周圍環境的不同而表現出液態和固態的雙重特性。這類材料已被研究數十年，但直接墨水書寫帶來了新的挑戰，需要我們更深入地了解這些復雜流體在打印過程中的行為?！?/p>

圖片來源：Kendall Lorenzo，Ray 研究小組，夏威夷大學馬諾阿分校。

關鍵挑戰

論文指出了三個決定打印成敗的關鍵時刻，物理特性決定著打印是否成功。首先，材料必須能夠順暢地流過噴嘴而不堵塞，當墨水中含有用于增強強度的顆?；蚶w維時，堵塞問題尤為突出。

田納西大學副教授布雷特·G·康普頓說：“我們都遇到過鋼筆堵塞或番茄醬瓶漏液的情況。如果用復雜的流體構建精確的3D形狀還不夠具有挑戰性，那么想象一下，這種流體中充滿了陶瓷顆粒、細胞或纖維，并且必須將其擠壓通過一個微小的噴嘴，同時還要避免堵塞流體或損壞細胞?！?/p>

其次，當材料從噴嘴噴出時，可能會斷裂、卷曲或出現抖動，從而導致打印失敗。最后，沉積完成后，材料必須足夠堅固以保持形狀，同時又必須足夠液態才能與之前的層粘合。要成功打印物體，必須在這三個方面之間取得微妙的平衡。由于DIW對墨水的要求很高，而且墨水成分種類繁多，因此仍有許多問題尚未解決，特別是對于那些能夠實現更堅固、更實用打印效果的顆粒填充材料而言。

雷說道：“我們仍然處于探索階段，每個答案都會引出新的問題和新的探索領域，而這正是我們三人最初走到一起的原因?！?/p>

綜述還重點介紹了有前景的創新，例如在光照或加熱時可按需硬化的材料，以及可減少堵塞的巧妙設計的噴嘴。

Sauret說道：“事實上，DIW領域有很多優秀的研究成果，但它們分散在通常互不重疊的領域——例如醫學、化學和土木工程。我們希望通過這篇綜述，提出一個連貫且基礎的流體力學框架，突出普遍存在的挑戰，并激發新的跨學科研究，從而使這項技術更加可靠和易于應用，無論它被應用在何處。”

本項研究得到了美國國家科學基金會、空軍科學研究辦公室、美國國立衛生研究院和霍尼韋爾聯邦制造與技術有限公司的支持。