了解3D冰打印工艺以创建微观结构

3D打印技术的进步使得其在医学、制造业和能源等多个领域得到了广泛应用。通过使用不同的材料，既可以打印出简单的基础结构，也能打印出精细的细节，从而创造出具有定制几何形状的结构。

然而，在创建具有微观尺度、精确内部空洞和通道的结构时仍然面临挑战。例如，组织工程中使用的支架必须包含模仿人体血管系统的三维复杂导管网络。在传统的增材制造中，材料是逐层沉积的，因此，要在不牺牲时间、准确性和资源的情况下打印出如此复杂的内部特征是非常困难的。

为了解决这个问题，卡内基梅隆大学机械工程学的教授Philip LeDuc(在新窗口中打开)和Burak Ozdoganlar(在新窗口中打开)正引领着自由形式3D冰打印（3D-ICE）工艺的开发。该技术采用按需滴落的3D打印方法，以水代替传统的打印墨水。压电喷墨喷嘴将微小的水滴喷射到维持在冰点以下的打印平台上。这使得水滴在接触后不久就会结冰。

特别的是，该过程可以控制在一个或多个水滴沉积在前一个水滴结冰之前进行。因此，打印结构的顶部会保留一层水膜，而冻结过程则从底部开始。这使得能够创建出具有光滑壁面、过渡和分支的结构。甚至可以制作出像人类头发一样细小的特征。随着更多水滴的沉积，打印平台上会逐渐形成冰结构。通过控制水滴沉积的速率、打印表面、水滴和工作空间的温度，可以调整柱子的直径、高度和相对光滑度。如果打印平台发生移动，使得进入的水滴以一定角度撞击，那么冻结前沿会相应旋转，从而有可能制作出分支状、弯曲状和悬挑状的结构，这些结构在没有额外支撑材料的情况下，使用其他3D打印技术打印起来将是具有挑战性甚至不可能的。

“3D冰可以作为牺牲材料使用，这意味着我们可以用它来在制造零件内部创建精确形状的通道，”LeDuc说。“这将在许多领域都很有用，从创造新组织到软机器人技术。”

自项目开始(在新窗口中打开)以来，LeDuc和Ozdoganlar的研究团队一直在研究如何确保3D冰工艺具有可预测性和可重复性。在他们最近发表在《国家科学院院刊》上的文章中，他们描述了二维和三维数值模型，以阐明3D冰背后的物理学原理，包括热传递、流体动力学以及在打印过程中从液体到固体的快速相变。

他们的二维模型绘制了直柱的构造过程，包括分层沉积和平滑沉积的各自影响。“水滴沉积的频率会影响结构的高度和宽度，”Ozdoganlar说。“如果你快速沉积，水膜会增长，从而产生更宽的结构。如果你缓慢沉积，那么结构就会变得更窄更高。基板温度也会产生影响。对于相同的水滴沉积速率，较低的基板温度会产生更高的结构。”

他们的三维模型通过预测冻结前沿的旋转来绘制斜向结构的构造过程。“你会遇到各种类型的热传递，包括向底部的传导和向周围区域的对流，”Ozdoganlar说。“当你沉积每个水滴时，所有这些因素都在同时起作用。如果你以倾斜的方式沉积，部分水滴会在柱子侧面结冰之前溢出。当你继续以该角度沉积时，冻结前沿会慢慢改变形状，结构也会在该方向上增长。”